基于水力割缝的高瓦斯煤层掘进工作面强化增渗技术与实践

以山西省潞安一缘煤业150112试验工作面运输巷的掘进为工程背景,基于GF-100型超高压水力割缝设备,分析了煤巷掘进工作面高压水力割缝强化瓦斯抽采的技术原理。将高压水力割缝工艺与高瓦斯矿井煤巷的安全、快速掘进有机结合,提高了掘进工作面煤体的渗透特性,增强了瓦斯抽采效果,形成了基于水力割缝的高瓦斯煤层掘进工作面强化增渗技术工艺体系,并在试验工作面煤巷掘进中进行了应用。结果表明:①将高压水力割缝工艺应用于高瓦斯矿井煤巷的掘进作业,解决了使用常规方法施工措施钻孔工程量大、抽采周期长的问题;②在采用水力割缝作业期间,瓦斯抽采量提高了2.36～2.4倍,平均日进尺提升了近2.5倍。     

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。     

高压水力割缝技术在快速掘进中的应用

依据卸压区与突出危险性之间的关系,提出通过水力割缝技术,在煤体中人为再造裂隙和微裂隙,增大煤层巷道前方煤体卸压区安全宽度,达到保护巷道掘进安全的目的。现场试验说明水力割缝技术在降低钻屑量及钻孔瓦斯涌出初速度方面具有显著的效果,提高巷道月掘进进尺。同时,由于有效影响半径的增大,减少32.6%的钻孔施工量。     

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。     

高压磨料射流割缝技术及其在防突工程中的应用

分析了煤层巷道煤与瓦斯突出机理,提出了整体卸压理念,开发了高压磨料射流割缝防突技术并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用.应用结果表明：该技术可用于具有突出或冲击危险的煤层,可以使钻孔之间相互沟通,造出缝隙,使煤体得到充分卸压、煤体中的瓦斯得到排放和应力得到解除,为掘进工作提供较为安全的工作环境.     

水力割缝对工作面煤壁与顶板稳定性的影响研究

水力割缝是解决低渗透煤层瓦斯抽放的一种有效方法。通过割缝可以使煤层卸压，并在地应力作用下引起煤层变形和破坏，增加煤层内得裂隙数量，从而达到增加煤层透气性得目的。本文通过对水力剖缝工作面顶板压力的测量和工作面煤壁裂隙得分布统计研究，认为：尽管水力割缝增加了煤层中得裂隙数量，但对工作面稳定性没有明显得影响。     

水力割缝参数优化数值模拟研究

利用FLAC^3D软件建立水力割缝模型,针对某掘进工作面,选取其正前方12 m处截面为研究对象,在缝槽高度和深度不变的情况下,模拟了单缝槽、双缝槽和多缝槽3种不同宽度缝槽的割缝方案,得到了瓦斯抽采钻孔割缝前后煤体内部应力变化和竖直位移变化、垂直于割缝钻孔上方煤体的下沉量及塑性区破坏情况。结果表明:当缝槽宽度为2 000 mm时,割缝钻孔的卸压效果明显,煤体下沉量较大,钻孔周围塑性区破坏较大,钻孔的稳定性最好。     

高瓦斯低透气性煤层深钻孔高压水力割缝增透技术

为提高新田煤矿M9煤层瓦斯抽采效果，解决低透气性突出煤层抽采效率低及应力主导型煤层卸压效果差的难题，以新田煤矿1901工作面为研究背景，分析了深钻孔超高压水力割缝卸压增透机理，采用深钻孔与高压水力割缝相结合增透技术，加快了1901掘进工作面抽采效率，减少了抽采达标时间，实现了1901掘进工作面 “安全、科学、精准、经济、高效”的瓦斯灾害防治，有利于煤矿安全高效生产和可持续健康发展。     

基于坚硬煤层条件的顺层钻孔增透技术研究

为了解决低透气性坚硬煤层顺层钻孔抽采影响范围小、抽采效果差等问题,分析了坚硬煤层高压水射流破坏过程,采用数值模拟的方法研究了超高压水射流环形割缝卸压增透机制,研制了新型超高压水力割缝成套装置,并现场考察了坚硬煤层煤巷条带顺层钻孔超高压水力割缝应用效果。结果表明:采用超高压水力割缝后,坚硬煤层透气性提升约20倍,钻孔平均抽采瓦斯纯量提高2.0~2.5倍,抽采达标时间缩短67%以上,月掘进速度提高约50%,掘进期间无瓦斯异常现象,实现了坚硬煤层煤巷条带安全、快速掘进。     

穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究

为提高张集矿1煤层瓦斯抽采效果,解决低透气性厚煤层瓦斯抽采率低、瓦斯涌出量大的难题,矿井采用超高压水力割缝卸压增透技术在1415A底抽巷进行了试验应用。通过对割缝钻孔和未割缝钻孔的等效直径、钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、瓦斯含量下降率等分析表明,采用超高压水力割缝术后,钻孔内煤体的暴露面积大大增加,为瓦斯释放提供了有利空间,同时使煤体充分卸压,改善煤层透气性,大幅度提高瓦斯抽采率,减少了抽采达标时间,解决了厚煤层采掘工作面瓦斯治理的难题。研究为矿区类似条件厚煤层的瓦斯高效治理提供了技术指导。     

淹没射流旋转割缝技术在突出煤层掘进中的应用

针对突出煤层中现有防突措施耗时长,不能满足煤巷掘进需要的问题,提出利用淹没射流在煤层中旋转割缝,大幅增加围岩卸压区长度,改变煤体结构（包括孔隙裂隙结构和应力状态）,缩短防突措施时间,从而提高煤巷掘进速度。研究了淹没射流旋转割缝的卸压增透机理;理论推导出影响射流旋转割缝性能的水力参数;计算出适用于煤巷掘进的射流压力和喷嘴直径数值范围;并通过室内试验确定了煤层普氏系数0.8时的喷嘴最优转速。在平煤集团某矿回风巷掘进面现场试验结果表明,淹没射流旋转割缝技术有效影响半径是单一超前钻孔的2.5倍;钻孔数量较之减少70%,月进尺增加83%,显著提高了工效。     

焦作矿区深孔定向预裂割缝技术研究

为了研究工作面切顶卸压工程中深孔定向爆破割缝关键技术,对焦煤集团多个工程地点的切顶卸压工程进行了研究和分析,研究了双向薄壁点状聚能管、双向常规点状聚能管、双向常规线状聚能管及半圆形聚能管的特性,并确定了最优聚能管形式,制作了加工模具。结果表明,聚能管定向预裂爆破,利用切缝管对能量的导向作用进行割缝,是目前比较适应焦煤集团地质情况的深孔爆破定向割缝理论和方法,“双向常规线状聚能管”模具的研制,能够有效解决加工改造聚能管的瓶颈问题,使用方便,操作简单。工作面开切眼实施深孔预裂爆破后,开切眼产生大量裂隙,实现了顶板预裂的目的,有效地降低了综采面基本顶初次来压的强度,在工作面运输巷实施的顶板预裂爆破工程,对采面压力也产生了积极的影响。     

高压水射流割缝及其对煤体透气性的影响

基于高压水射流割缝卸压增透技术,对割缝后瓦斯抽采和煤体透气性的变化进行了研究;分析了地应力和瓦斯压力对煤体透气性的影响;根据现场实际割缝工艺建立模型,采用FLAC软件模拟计算了割缝煤体卸压影响范围的变化特性;采用相似物理模拟实验的方法建立相似模型,测定煤体在割缝卸压变化过程中透气性的变化规律;并进行了现场试验验证与应用。研究表明：高压水射流割缝后煤体周围会产生卸压,煤体透气性随割缝卸压影响而增大;现场试验结果显示,割缝后煤体透气性增大至原来的113倍,抽采有效影响半径扩大1倍。     

高压水射流割缝参数试验研究

高压水射流割缝是一项能够有效提高煤层透气性的卸压增透技术,卸压增透效果与高压水射流割缝参数密切相关.为了研究适合长平矿的高压水射流割缝参数,本文设计并施工了水射流割缝压力、割缝间距、割缝时间的试验钻孔,通过现场试验数据分析,研究了割缝压力、时间、间距与割缝效率以及瓦斯抽采效果之间的关系.研究结果表明:适合于长平矿的割缝压力为70 MPa^80 MPa较为合理,割缝时间4 min左右,割缝间距为1 m^1.5 m为宜.     

初始应力对缝槽卸压效果影响的数值分析

通过分析钻孔周围应力集中产生的"瓶颈效应",指出高压射流水力割缝技术是煤层卸压的重要手段.通过数值模拟手段重点研究垂直于缝槽平面应力和最大主应力与缝槽夹角对卸压的影响.研究得出,垂直于缝槽平面的应力越大,卸压率也越大,反之越小.最大主应力和缝槽夹角对卸压效果也有显著影响,但是其卸压等值线的最小压力梯度主要沿最大主应力方向,当夹角为60°时卸压效果最差,夹角为0°时卸压效果最好.进一步研究0°夹角的卸压情况,得出卸压率越大则卸压区域越小,应力集中区域相对更小,相对卸压区域可以忽略.     

Research on hydraulic slotting technology controlling coal-gas outbursts

Measured to control serious coal-gas outburst in coal seam were analyzed by theory and experimented in test site. A new technique to distress the coal-bed and drain methane, called hydraulic slotting, was described in detail, and the mechanism of hydraulic slotting was put forward and analyzed. The characteristic parameter of hydraulic slotting was given in Jiaozuo mining area and the characteristic of validity, adaptability and security was evaluated. The results show that the stress surrounding the strata and the gas in coal seam is released efficiently and thoroughly while new techniques are taken, as slotting at heading face by high pressure large diameter jet. The resistance to coal and gas outbursts is increased dramatically once the area of slotting is increased to a certain size. In the process of driving 2 000 m tunnel by hydraulic slotting excavation, coal and gas outburst never occurre. The technique could be used to prevent and control potential coal-gas outburst in the proceeding of tunnel driving, and the speed tunneling could be as high as more than 2 times. Supported by National Nature Science Foundation of China(50534070); International Science and Technology Cooperation and Communion Key Project of Ministry Science and Technology of China (2005DFA61030); Natural Science Foundation of Henan Province (200510460014); Coal Mine Gas and Fire Prevention and Control Key Laboratory Foundation of Henan Province (HKLGF200708)     

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...     

区域瓦斯综合防突技术在九里山矿的应用

 九里山矿二1煤层属于严重的煤与瓦斯突出煤层,采用常规的区域瓦斯防治措施,严重影响了掘进工作面的生产效率,通过采用沿空留巷增加区域顺层长钻孔的预抽期,结合掘进过程中的水力掏槽措施的综合防突技术,消除了掘进工作面的突出危险性,实现了煤巷安全快速掘进。     

底板巷水射流网格式割缝强化增透技术研究及应用

针对杨柳矿抽放巷普通穿层钻孔布置掩护煤巷掘进增透效果差、卸压不充分的问题,提出了水射流网格式割缝强化增透技术,并在杨柳矿1063机巷抽放巷实施现场试验,现场试验表明:高压水射流通过在煤层进行割缝形成卸压空间,促使煤体发生膨胀变形,煤体渗透性得到改善,促进瓦斯的解吸流动,提升瓦斯抽采效果;通过割缝孔网格式布置掩护巷道掘进能够实现强化增透及局部高效消突。