我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

我国大部分矿区煤层渗透率较低，注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征，总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法，分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性，获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素，影响度依次为：煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数；建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同，从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制，气体因素增流机制包括：充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附；注能改性增流机制包括：充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律，简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势，具体包括：多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、...     

注气驱替机理研究现状及展望

注气驱替因其安全环保性成为近年来解决低渗煤层瓦斯抽采问题的主要方法之一。将注气驱替机理总结为3种，即气体的置换作用、驱赶作用及支承作用，分析了注气压力、气体种类、温度等因素对3种作用的影响；认为在3种作用中驱赶作用起主导作用，主要通过压力势差来强化抽采，区别于其他压裂方式强化抽采。总结了目前注气驱替技术的研究进展，对相关重点和难点进行归纳，认为大多实验是以单变量研究为主，考虑复合影响因素共同作用的研究较少。最后在目前注气驱替技术的运用基础上，从液氮致裂—注气驱替联合增产技术、智能化注气驱替技术、高温气体注气驱替技术3个方面展望未来注气驱替技术的运用。     

注气驱替煤层瓦斯时效特性影响因素分析

为了分析注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响因素,建立了注N2驱替煤层瓦斯的数学模型,采用COMSOL Multiphysics软件模拟了注气压力、抽采负压和注气时间对注气驱替煤层瓦斯时效特性的影响,研究了不同条件下煤层瓦斯含量和消突周期的变化规律,结果表明:注气压力越大,瓦斯含量下降越快,消突周期越短,合理的注气压力为0.5 MPa;抽采负压对其时效特性的影响不大,合理的抽采负压为5～13 kPa;煤层瓦斯含量随着注气时间的增加逐渐下降,注气孔附近为注气驱替煤层瓦斯的薄弱区域.在石港公司进行注气驱替煤层瓦斯现场试验,通过与数值模拟结果的对比得出:在相同的条件下,实测的瓦斯含量总是略小于模拟结果,并对造成这种差异性的原因进行了分析.     

注气置换煤层瓦斯技术研究现状及应用前景

为深入研究注气置换煤层瓦斯技术在煤矿生产过程中促抽和促排瓦斯方面的应用,总结了注气置换煤层瓦斯技术在煤层气开采和煤矿瓦斯灾害治理领域的研究现状,结果表明:该技术不仅提高煤层气采收率,还能有效提高瓦斯排放和抽采效果,达到快速消突的目的。并分析注气置换煤层瓦斯技术存在的缺陷,为该技术的推广应用提供了科学、合理的研究思路。     

井下煤层注空气强化瓦斯抽采效果试验研究

针对豫西松软低透气煤层,瓦斯含量大,抽采效果差的问题,采用煤层注气强化瓦斯抽采治理技术,选择华泰煤矿进行注气强化瓦斯抽采效果现场试验。研究结果表明,随着注气时间的增长,注气孔气体压力由0.41 MPa上升到0.54 MPa,注气孔气体压力与注气时间成正比关系,沿孔长压力递减梯度与注气时间成反比关系;注气前后,煤层瓦斯含量和组分都有大幅度的下降,下降值为2.26～0.94 m3/t,下降幅度为15%～38%;垂直注气孔方向2 m范围内,煤层瓦斯含量和组分随着与孔距离的减少,注气后排放孔瓦斯流量增加近7倍;井下煤层注空气强化瓦斯抽采效果显著。     

注气驱替煤层气作用机理的探讨

阐述了煤对气体单分子层吸附与多分子层吸附理论，将煤层对不同气体吸附进行比较，得出煤对不同气体吸附能力强弱，并阐述了注气驱替煤层气作用原理及其优点，从而证明了注气驱替煤层气的可行性。     

温度场对注气驱替煤层气运移影响的数值分析

根据热弹性力学、对流弥散理论和多孔介质热力学原理,建立了包含煤的变形方程、气体运移方程、热传导的注气驱替热-流-固多物理场全耦合数学模型,求解耦合模型,研究温度场对注气驱替开采煤层气运移过程的影响。结果表明:煤层温度升高可以促进煤层气解吸,加速煤层气产出。研究成果可为注气驱替开采煤层气工程实践提供相应的理论基础,对深部开采高瓦斯矿井时施行先抽后采技术具有借鉴意义。     

CH_4、N_2、CO_2在煤中的解吸扩散特性研究

注气(N_2、CO_2)驱替技术越来越多地应用到煤层气的开发当中,气体在煤层中的扩散快慢直接影响驱替效果。为了解CH_4、N_2、CO_2在煤层中的解吸扩散特性,利用实验研究了不同压力、不同时间段内它们在煤中的扩散系数变化情况。结果表明:在不同时间段内,N_2、CH_4、CO_2在煤中的扩散系数都是随气体压力的增加略微降低,但降低不是很明显;在相同气体压力下,N_2、CH_4、CO_2在煤中的扩散系数都随时间的增加而减小,并且在相同气体压力下,CO_2在煤中的扩散系数最大,CH_4次之,N_2最小。     

注气驱替煤层甲烷的有效影响半径研究

为了确定井下煤层注气有效影响半径,以煤层瓦斯渗流理论、瓦斯扩散理论、多元气体竞争吸附、能量守恒以及理想气体状态方程为基础,以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象,建立了井下注气驱替煤层甲烷的数学模型,并以石港煤矿的实测参数为计算依据,利用Comsol软件对抽采钻孔在不同注气时间、不同注气压力下瓦斯流动进行了数值模拟,发现注气有效影响半径随注气时间和注气压力的增大而增大,为现场注气提供依据。     

小庄煤矿液态二氧化碳驱替技术研究与应用

煤层瓦斯抽采效率不足是高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的主要原因,为了提高煤层采前瓦斯预抽效率,降低矿井瓦斯灾害治理成本,基于液态二氧化碳对煤层进行低温致裂增透和对煤层瓦斯进行相变交换置换驱替的两方面影响,针对彬长小庄煤矿低透气性、瓦斯难以抽采的问题,以40205工作面为研究对象,通过对其进行液态二氧化碳驱替煤层气技术深入分析和工程应用,分析了现场抽采效果。现场应用表明,驱替后的钻孔内瓦斯浓度平均增加1.425倍,纯量平均增加1.33倍,瓦斯抽采效率明显提升。该结果初步证实了液态二氧化碳驱替技术的适用性,为煤矿瓦斯抽采提供了一定的技术支撑。     

高瓦斯突出矿井卸压开采瓦斯综合治理实践

朱集东煤矿为“三高一深”（高地压、高瓦斯强突出、高地温、千米埋深）矿井,采掘工作面煤与瓦斯突出危险性极大,开采此类煤层最经济有效的办法是开采保护层。为抽采保护层11-2煤层开采过程中本煤层及邻近层大量卸压瓦斯,采用分源法计算瓦斯涌出量,结合工程类比取大值。根据瓦斯涌出量预测结果,选用Y型通风方式,辅以顺层钻孔、地面钻井、顶板巷大直径筛管平钻孔、留巷埋管及穿层钻孔等抽采方式,使工作面回采期间瓦斯抽采率达到84.8%,实现了深井高瓦斯工作面煤与瓦斯安全高效共采。     

Technology of gas drainage and utilization in Huaibei mining area

With the characteristics of coal seam geology and gas occurrence, a “ground-underground” integrated gas drainage method was formed, which can relieve gas pressure and increase permeability by mining the protection seams in conditional regions. After coal seam gas drainage, high gas outburst seam was converted to low gas safety seam. In the coal face mining process, safety and high efficient coal mining were realized by the measure of gas-suction over mining. In addition to the drainage gas for civil gas and gas power generation, the Huaibei Mining Group has actively carried out research on the utilization technology of methane drainage by ventilation. On the one hand, it can save precious energy; on the other hand, it can protect the environment for people’s survival. In 2007, the amount of coal mine gas drainage was 120 hm³; the rate of coal mine gas drainage was 44%. Compared with the year 2002, the amount of coal mine gas drainage increased by two times. Meanwhile, the utilization rate of gas increased rapidly.     

突出煤层快速掘进深孔预裂爆破预抽瓦斯技术

为了解决在低透气性突出煤层巷道掘进过程中,煤层瓦斯预抽效果差,煤与瓦斯突出指标经常超限,掘进速度缓慢等问题,提出了深孔预裂爆破煤层增透、高抽巷抽放煤层瓦斯与巷帮钻孔边抽边掘相结合的综合技术.研究表明,该技术可有效地消除激发突出的应力和煤体结构的不均匀性,提高煤体强度和煤层透气性,使巷帮钻孔和高抽巷钻孔瓦斯抽放量大幅度提高,能有效预防和消除在掘进过程中煤与瓦斯突出的危险性,从而使巷道掘进速度提高.     

Field investigation of using water injection through inseam gas drainage boreholes to control coal dust from the longwall face during the influence of abutment pressure

Coal dust is a primary contributor to underground coal-mining disasters and is also a major factor in adversely affecting the occupational health of mine workers. Pre-wetting the coal seam with water injection is widely considered as one of the effective means of mitigating coal dust generation during mining. Injecting water through inseam long boreholes parallel to the working face is a commonly used technique. However, for most fully-mechanised top-coal caving working faces, inseam gas drainage boreholes are drilled to extract gas from the gassy seam prior to mining. Therefore, there is neither enough time nor space at the working site for an elaborated water injection process. Based on the mining conditions at Panel 9801 of the Yangquan coalfield, this study designed a water injection system through the inseam gas drainage boreholes to control dust arising from the longwall face. Under the influence of abutment pressure, water injection through a set of inseam gas drainage boreholes was experimentally investigated to offset the conflict between water injection and gas drainage in terms of the time and space availability. The relations between the amount of injected water, the injection rate, the seam moisture content and the coal dust level at the working space were investigated. The effect of water injection for dust control at different distances ahead of working face was assessed. With the change of abutment pressure, the effect of water injection to inseam gas drainage and gas emission at working face was revealed and a space-time balance between gas drainage and dust control by water injection was established. The results indicate that under the influence of abutment pressure, water injection through inseam gas drainage boreholes wetted the seam and decreased the dust level at the working face. Water injection only has marginal influence on inseam borehole drainage and has a negligible impact on the gas level produced at the working face. Under the influence of abutment pressure, the optimum area for water injection through the inseam boreholes was the primary fracture opening zone and the secondary fracture development zone.     

低阶厚煤层立体分层抽采瓦斯技术及应用

低煤阶煤层气资源受到了越来越多的关注,有望成为新的研究热点和煤层气勘探开发新领域。基于神东煤炭集团保德煤矿主采的8号煤层属典型的结构复杂低阶厚煤层的特点,开展了低阶厚煤层立体分层抽采瓦斯技术的研究。通过对矿井原有封孔工艺的改进,应用煤矿井下钻孔抽采瓦斯效果预测平台,优化8号煤层回采工作面瓦斯预抽钻孔的布孔工艺,进一步应用井下双向立体交错钻孔联合抽采瓦斯工艺实施回采前的工作面瓦斯治理,使之形成立体分层抽采瓦斯的格局。工程应用结果表明,应用低阶厚煤层立体抽采瓦斯技术可有效降低煤层瓦斯含量,使工作面实现回采前的瓦斯抽采达标。试验期间,累计抽采瓦斯量1 651.93万m³,瓦斯的预抽率达58.96%。     

顺层深孔预裂爆破瓦斯预抽的试验研究

高瓦斯低透性煤层的瓦斯抽放,一直是煤矿安全生产过程中的重大技术难题。通过深孔预裂爆破强化预抽高低透性煤层瓦斯的效果考察与分析,讨论了爆破影响半径、煤层瓦斯抽放率等内容。生产实践检验,顺层深孔预裂爆破达到了快速抽放、预防突出、保障安全生产的目的。     

高应力和构造应力区联合增透抽采技术研究

为了解决矿井高应力和构造应力影响作用下煤层透气性差、钻孔塑性变形垮孔严重的问题,以松藻煤电公司逢春煤矿M7、M8煤层为试验对象,采用水力压裂和水力割缝相结合的方式,对煤层进行增透,以提高瓦斯抽采效率。介绍了穿层钻孔区域防突措施设计方案,开展了水力压裂钻孔、瓦斯抽采钻孔设计以及注水压力、注水量和保压时间等水力压裂工艺参数试验。通过比较水力压裂、水力割缝增透措施结合硬套管封孔技术及普通钻孔瓦斯抽采情况,表明水力压裂和水力割缝后钻孔瓦斯抽采浓度分别提高16%~36%和4%~16%,瓦斯抽采量（纯量）分别提高了6倍和3倍,可为同类地质条件瓦斯抽采提供参考。现场试验结果表明,复杂地质低渗煤层水力压裂—割缝综合瓦斯增透技术在煤层强化抽采中有较好的实际应用价值。     

基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

为实现瓦斯隧道安全快速有效地揭煤,以正习高速公路天城坝隧道揭煤工程为背景,分析了水力压裂大范围增加煤层透气性原理与增透效果影响因素,基于水力压裂增透技术建立了多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术体系,探讨了以超前探测、初探、精探、区域瓦斯防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等为核心的揭煤防突流程,优化了瓦斯隧道水力压裂防突技术...     

保护层开采与先抽后采的综采面瓦斯涌出规律

为了掌握在开采保护层与抽放煤层瓦斯前提下的瓦斯涌出规律,对南山煤矿盆底区南翼15号突出危险煤层采煤方法和瓦斯治理研究.结果表明,顶分层平均瓦斯涌出量最大,回采期间应采用了边采边抽增加供风等措施防止瓦斯超限;底分层煤层瓦斯涌出量较顶分层少73%,应采取综采放顶煤开采方式;开采高瓦斯突出煤层时,应采用预抽技术结合顶分层保护层开采技术以消除底分层的突出危险;外延面直接采用综采放顶煤开采方式.通过对突出危险区域的预先长期的瓦斯抽放,可以消除其突出危险性,简化生产系统的布置与施工,降低生产成本;采用放顶煤技术.可以降低巷道掘进工程量,利用有限两条巷道进行整个煤层的开采,经济效益更加显著.