水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律

水力割缝技术是实现煤层卸压增透的有效手段,目前由水力割缝技术形成的致裂裂缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律尚不明确。本文采用颗粒流模拟方法(PFC2D)对内含不同角度单缝及不同空间排布方式多缝的煤体开展了单轴压缩数值模拟试验,针对水力割缝周围微裂缝大量发育与连通促使煤层卸压增透的物理机制,提出了评价煤层割缝卸压增透效果的2个指标:加载过程中微裂缝显著产生时的单轴应力门限(σγ)与多条割缝的连通性。其中,σγ越低、多条割缝的连通性越强,割缝间的微裂缝越容易在低应力条件下形成并相互连通,割缝的卸压增透效果越好。模拟结果表明,单条割缝与煤体边界最大主应力方向夹角(α)呈90°时γ最小(3.2MPa);2条割缝(α为90°)排布方向与煤体边界最大主应力方向(割缝排布角β)呈45°时,水力割缝间具有最高的连通性与较低的应力门限(σγ为2.4 MPa);3条割缝(α为90°且β为45°)呈折线型交错排布模式时,割缝间的连通程度最高,且σγ较双割缝进一步降低了16.7%。通过上述模拟结果,确定了有利于煤层卸压增透的割缝最优空间分布模式,即α为90°的多条割缝以45°的排布角(β)交错分布。     

割缝卸压致裂技术在碎软低渗煤层煤巷掘进中的应用

为解决碎软低渗煤层掘进工作面瓦斯治理难题,采用数值模拟和现场工业性试验的方法对割缝卸压致裂技术的作用原理以及在碎软低渗煤层的适用性进行了研究。数值模拟表明:水力割缝使缝槽周围的煤岩体卸压,应力转移,消除了应力集中区,有利于煤层卸压增透;现场试验结果表明:割缝深度、宽度分别可达850、43 mm,割缝卸压钻孔的抽采浓度、纯量分别提高至普通钻孔的6.7、10.1倍,割缝卸压致裂后煤体的突出危险性大幅降低约52.71%,水平割缝钻孔与垂直割缝钻孔相间布置的方式能够保证主裂缝的稳定保持。     

低透气性煤层高压振荡水射流割缝增透机理及效果分析

针对卧龙湖煤矿煤层埋深大、地应力大、渗透率低、钻孔塌孔等问题,提出了一种高瓦斯低渗透性突出煤层的高压振荡水射流割缝技术;分析了煤体割缝后的应力分布状态和卸压效应,并进行了现场试验。结果表明,割缝孔槽在轴向方向上会产生卸压效应并产生裂隙,煤层透气性相应提高;相比普通抽采钻孔,割缝钻孔瓦斯抽采总量、单孔瓦斯抽采量显著提升,消突达标时间缩短30%以上。     

深部低透煤层水力割缝卸压增透技术研究现状及发展趋势

中国煤矿煤层的渗透率普遍较低,瓦斯抽采难度高、抽采率低、抽采达标工程量大,深部高应力条件下瓦斯抽采难度更大。煤层卸压增透是深部低透气性煤层瓦斯灾害防治与煤层气高效开发的关键,而水射流割缝技术是煤层卸压增透的重要技术之一。围绕水射流割缝技术研究发展,系统总结了水力割缝的卸压增透机理、强化射流方法、割缝工艺、射流割缝装备等4个方面的研究现状,分析了当前水力割缝技术在卸压增透量化机理、割缝工艺方法、增透效果评价、装备性能等方面存在的问题,并对水力割缝技术的切割增透能力、装备研发方向、推广应用前景等发展趋势进行了展望。     

基于Solidworks的水力割缝喷嘴特性数值模拟

水力割缝是煤层卸压和增加煤层渗透率的有效方法,其中喷嘴结构是影响水力割缝效果的关键部件,通过Solidworks软件对收缩型喷嘴内部流场进行数值模拟,通过对比优化喷嘴参数,并在实验室进行试验分析了影响割缝效果的因素。     

穿层割缝的卸压增透数值模拟及其应用

随着矿井的深部开采,高瓦斯低透气性煤层的瓦斯治理是当今煤矿面临的主要工作.阐述了高压射流割缝措施的卸压增透机理,通过FLAC软件模拟了割缝后煤层内部应力的变化情况,研究了高压射流割缝对煤层的卸压增透作用.现场应用证明：高压射流割缝技术对煤层具有良好的卸压增透效果,能够强化瓦斯抽采,扩大单孔的瓦斯抽采范围,提高了掘进工作面的掘进速度,保障了矿井的安全高效生产.     

临空宽煤柱超高压水力割缝卸压防冲技术研究

为解决葫芦素煤矿21105工作面临空宽煤柱冲击地压治理难题，提出了超高压水力割缝卸压防冲技术。采用理论分析研究了高压水射流对煤层的切割深度，以及煤柱切割后的应力转移规律，提出了基于卸荷减载、增加塑性屏障区的超高压水力割缝卸压防冲机制。通过FLAC^3D模拟了临空煤柱在不同割缝工艺条件下的煤岩体应力分布规律，获得了煤柱区域割缝工艺参数。在葫芦素煤矿21105工作面进行了工业性应用，试验区域内微震事件、应力水平及钻屑量较相邻对比区域均得到明显降低。研究结果表明：采用超高压水力割缝技术切割煤层能有效改变煤岩体应力分布状态，使高应力区向深部煤岩体转移，增大采掘空间附近的塑性屏障区范围，有效防治煤矿冲击地压事故。     

高突低渗透煤层超高压水力割缝卸压增透研究

为了解决五轮山煤矿8号高突低渗透煤层1809工作面瓦斯治理难题,提出了超高水力割缝煤层卸压增透技术,以有效改造强化瓦斯抽采。采用理论分析、FLAC~(3D)数值模拟方法研究了不同缝槽间距条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,然后基于含瓦斯煤体渗透率与三向应力和瓦斯压力之间的关系,分析了不同缝槽间距时周围煤体的渗透率分布规律。研究结果表明:缝槽自由面能够卸除围压,集中应力向缝槽外侧和缝槽间煤体转移;煤体渗透率明显提高,促进瓦斯解吸和流动。经现场实践验证,超高压水力割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度明显提升,瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m~3/min内波动,瓦斯体积分数在50%以上,对本矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

单一煤层钻孔割缝卸压增透的非连续变形分析（DDA）模拟

为了进一步研究“钻-割-抽”一体化技术的卸压效果,以非连续变形分析为手段,并引入大变形理论对DDA源程序进行了二次开发,建立煤层钻孔割缝的数值模型,对煤层钻孔割缝的卸压效果进行分析,进一步解释了工程中的“瓶塞效应”机理;考察了缝槽的高度、宽度以及构造应力对卸压效果的影响,指出相对于缝槽高度,缝槽宽度的变化对卸压效果的影响可以忽略;构造应力的增加,使卸压效率降低,应增加割缝的高度。此外,还给出了多个缝槽切割后煤层应力释放情况。     

基于FLAC的数值模拟分析在九里山煤矿水力割缝中的应用

采用FLAC软件建立了煤层中钻孔和割缝槽的二维模型,并对钻孔直径为90 mm,缝槽宽度为1 400 mm、高度为20 mm的条件进行了卸压增透效果模拟,同时得到其相应的应力云图。对煤层中缝槽上方不同位置的应力进行了分析,经分析可知:单个钻孔的割缝对煤体卸压效果与煤体距离缝槽的位置远近有关,位置越远,割缝效果越降低;多孔割缝所引起的相互作用会使得煤体的卸压范围扩大,造成的裂隙也更多,更有利于整体提高煤层透气性。根据分析结果,现场进行了水力割缝实验,得到了较好的实验效果。     

多孔割缝后煤层变化规律对卸压效果影响的数值分析

文章针对高压水射流多孔割缝对煤层的应力及位移的变化影响,研究了该技术在煤层整体卸压方面的作用效果.通过FLAC3D软件分析得出,煤层进行割缝后的1m区域内,应力降低65%以上,位移变化4.11mm以上,同时在3m以内的范围能够达到整体卸压的效果.经现场应用表明,该技术可以使割缝孔之间相互作用,形成裂隙网络,煤体得到充分卸压,增加煤层的透气性,提高瓦斯的抽采率.     

高压水射流环切割缝自卸压机制与应用

为解决深部矿井低透气性煤层瓦斯抽采难题,针对穿层钻孔提出了高压水射流环切割缝煤层自卸压增透技术。通过瓦斯流动理论分析普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动模式,分别建立了普通钻孔及环割钻孔瓦斯流动微分方程,获得了高压水射流环切割缝自卸压技术改善煤层瓦斯流动机制;采用FLAC3D软件建模分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律,基于煤体卸压程度及塑性区分布特征,确定了穿层钻孔合理化割缝参数;通过底板穿层钻孔高压水射流环切割缝技术现场考察,环切割缝后煤层变形量达到0.136%,煤层透气性系数较原始状态提高了42倍,瓦斯抽采纯量相较普通钻孔提高3.44~5.32倍,同等条件下煤层抽采半径提高了1倍以上。理论研究与现场试验均表明,采用高压水射流切割在煤层内部形成环形缝槽,能有效改善钻孔煤体应力状态,增加煤层渗透性,提高瓦斯抽采效率。     

进退式高压水射流割缝对煤层卸压增透效果的影响

高压水射流割缝技术目前为单一低透气性煤层卸压增透技术的主要措施,通过穿层钻孔在煤层内部进行水力割缝,冲出部分煤体,改变钻孔周围应力状态,破坏煤层内部平衡,增加煤层透气性能。从不同割缝工艺的效果分析进退式割缝对煤层卸压增透的影响及其特点,得出符合不同矿井条件的割缝工艺:进式割缝过程中钻孔内比较"暴躁",适合于煤层厚度不大煤层,退式割缝过程中钻孔内较"温柔",适合煤层厚度极大煤层。     

基于ABAQUS的水力割缝数值模拟研究

 利用ABAQUS软件建立水力割缝模型,模拟水力割缝后煤层内部的应力场、煤体位移、瓦斯渗流以及割缝周围瓦斯压力分布情况。取距离掘进工作面5 处的截面作为研究对象,处理模拟数据,得到在Y方向上与割缝中心不同距离处煤体应力、位移和孔隙压力的变化规律。     

覆岩关键层结构对本煤层超前卸压瓦斯渗流的影响规律研究

井田不同位置的覆岩结构差异很大,覆岩结构对本煤层超前支承压力的影响范围、峰值大小产生影响,进而影响到工作面超前卸压瓦斯的渗流规律。根据开元煤矿9404工作面现场实际,结合不同阶段煤样渗透率与垂直应力的拟合函数建立了数值计算模型,就工作面关键层高度、关键层厚度和关键层层数对超前卸压区瓦斯渗流规律的影响进行了数值模拟研究。     

基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。     

超高压水力割缝增透卸压规律研究与应用

运用FLAC3D软件模拟不同割缝压力和割缝间距条件下,钻孔周围煤体应力分布特征,分析了穿层钻孔水力割缝煤体卸压规律。通过在赵固二矿实施超高压水力割缝增透技术工艺,有效解决了单一低渗坚硬厚煤层瓦斯抽采技术难题,增大了抽采钻孔卸压范围,大幅提高了煤体透气性。     

地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭...     

割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验

针对古汉山矿低透气性煤层穿层抽采钻孔卸压不充分的问题,提出了割缝与压裂协同增透技术,基于弹性断裂力学和Biot经典渗流力学理论,采用数值模拟的方法,分析了割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律,确定割缝钻孔与压裂钻孔水平距离为4 m时压裂效果较好,缝槽相对于水平方向的倾角应避免为45°,割缝钻孔形成的缝槽可以控制压裂裂缝的扩展方向,裂缝影响范围内应力由约8 MPa下降至4 MPa以内。现场试验表明,距割缝钻孔2 m以内的煤体发生了位移,协同割缝钻孔的瓦斯抽采纯量是割缝钻孔的2.3倍,是普通钻孔的7.8倍,协同压裂钻孔的瓦斯抽采纯量是压裂钻孔的2.1倍,普通钻孔的5倍,瓦斯抽采效率显著提高。     

基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素,基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用,探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明:垂直地应力越大,煤体的渗透率越低,有效抽采区域逐渐减小;初始瓦斯压力越大,抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下,有效抽采区域逐渐减小;初始渗透率越大,煤体裂隙瓦斯流动速度越快,导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符,证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。