导向槽定向水力压穿防突技术研究及应用

针对中兴煤业2号煤层瓦斯抽采及消突效果差等问题,基于水力割缝和水力压裂在煤层增透的良好效果,提出了通过射流深穿透射孔技术预设导向槽和布置控制钻孔实现定向水力压裂,并将压裂孔与控制孔之间压穿,优化了导向槽定向水力压穿防突技术工艺参数。通过现场试验表明,实施导向槽定向水力压穿作业的钻孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采流量均有大幅提高,验证了导向槽定向水力压穿防突技术可大幅增加煤层透气性,从而提高抽采效果,达到消突的目的。     

高压水力割缝技术工程实践及瓦斯抽采影响因素探讨

针对低渗煤层瓦斯抽采难度大、抽采效率低以及抽-掘-采衔接不紧密等难题,以大佛寺煤矿4#煤层为研究对象,开展了顺层钻孔高压水力割缝现场试验,考察了水力割缝效果。结果表明：（1）当割缝压力为70 MPa,割缝时间为10～15 min时,等效割缝半径为1.16～1.41 m;(2)受水锁效应影响,割缝钻孔瓦斯抽采参数随时间的变化过程可分为抽采初期、抽采稳定期和抽采衰减期3个阶段,其单孔平均抽采浓度、纯流量分别是常规钻孔的1.81～2.36倍和1.93～4.50倍,且割缝间距越小提升效果越显著,衰减越慢;（3）随着负压的增大,割缝钻孔的抽采浓度加速降低,抽采纯流量和混合流量不断升高,但抽采纯流量的增长幅度远小于混合流量的增幅,且差距逐渐拉大。由此可见,高压水力割缝能够增强煤层渗透率,提高瓦斯抽采效率。     

松软煤层水力割缝卸压增透技术研究

为解决赵庄煤业松软煤层瓦斯抽采率低的难题,以水力割缝技术为试验研究基础,在二盘区北回风巷进行了抽放效果对比考察,对不同穿层割缝钻孔布置方式及参数下瓦斯抽采浓度、抽采量等数据进行分析,摸索出适合赵庄煤业的以水力割缝技术增透的技术参数.试验表明,水力割缝钻孔与普通钻孔相比,瓦斯抽采浓度提高了1.49倍,抽采流量增加了3.02倍,瓦斯抽采效率显著提高.     

超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

为了有效解决丁集矿高地应力、低透气性突出煤层煤巷条带瓦斯区域预抽效率低、预抽达标后区域验证指标仍超标的问题,在该矿1351(1)运输巷煤巷条带穿层预抽钻孔进行了超高压水力割缝卸压增透技术应用研究,利用水力割缝卸压增透原理确定了超高压水力割缝设备组成,选型配套了超高压清水泵、超高压软管、超高压旋转水尾、水力割缝钻杆、高低压转换割缝器、钻头和超高压远程操作台等超高压水力割缝设备,考察了相同孔径未割缝钻孔、割缝钻孔瓦斯涌出量及割缝钻孔瓦斯抽采量,理论研究了百米煤孔初始瓦斯涌出量、瓦斯涌出衰减系数及不同预抽时间、预抽率条件下的有效抽采半径,现场检验了顺层钻孔预抽措施单元、穿层钻孔水力冲孔措施单元、穿层钻孔水力割缝措施单元的预抽瓦斯区域防突措施效果,统计了不同措施预抽单元局部补充措施执行情况、局部措施效果,分析评价了超高压水力割缝卸压增透效果。结果表明:针对丁集矿11-2煤层工程条件选型配套的超高压水力割缝设备参数是合理的,在1351(1)运输巷煤巷对11-2煤层条带进行穿层钻孔超高压水力割缝措施卸压增透效果显著,与未增透措施相比,煤层透气性系数提高了25.9倍、113 mm孔径的穿层钻孔百米煤孔初始瓦斯涌出量提高了5.5倍、瓦斯涌出衰减系数降低了73.4%、预抽15 d和30 d达35%预抽率的钻孔间距提高了84.3%和53.0%,与穿层钻孔水力冲孔相比,煤巷条带防突局部补充措施工程量降低了50.0%、煤巷平均掘进速度增加了1倍。     

超高压水力割缝参数对煤体卸压影响研究及应用

为了提高瓦斯抽采效率,研究了超高压水力割缝工艺操作流程,主要为装备准备阶段、连接阶段和检查阶段。采用数值模拟软件,分析了割缝深度、割缝宽度和割缝间距等超高压水力割缝参数对煤体卸压的影响,得出了超高压水力割缝参数最优参数,分别为割缝深度1.0 m、割缝宽度0.1 m、割缝间距3.0 m,并进行了工程实践。研究表明,采用超高压水力割缝技术后,瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采流量都得到了有效提高。     

水力冲孔增透瓦斯抽采技术研究

阐述了水力冲孔措施的消突机理,着重解释了水力冲孔钻孔内割缝对煤层巷道地应力、瓦斯压力的影响以及对煤体透气性的影响,同时结合现场情况,对普通瓦斯抽采效果和采用水力冲孔之后的瓦斯抽采效果进行对比,说明水力冲孔增透瓦斯抽采效果,对矿上减少抽采时间起到作用。     

基于叠加效应顺层瓦斯抽采布孔间距优化研究

针对顺层瓦斯抽采钻孔布孔间距存在的盲从性与模糊性等问题,通过数值模拟软件,研究分析相同布孔间距和不同布孔间距条件下受抽采叠加效应影响煤层瓦斯压力变化,并推导布孔间距与单钻孔抽采半径的关系式,以此确定合理布孔间距。结果表明：受抽采叠加效应影响,相邻钻孔内测瓦斯压力低于外侧同距离处瓦斯压力;随布孔间距的增加,相同位置处受抽采叠加影响逐渐减弱;以某矿M12煤层11122运输巷为考察地点,得出120 d的预抽期有效抽采半径为2.2 m,多孔抽采的布置间距为4.4～6 m,并验证了布孔间距与单钻孔抽采半径关系式的正确性,为现场瓦斯抽采治理提供一定的理论依据。     

基于孔-裂隙双重介质模型的有效抽采半径应用研究

为了合理布置瓦斯抽采钻孔,提高瓦斯抽采效率,以亭南煤矿为研究背景,基于孔-裂隙双重介质模型及瓦斯流动理论,建立了气固耦合流动瓦斯抽采模型;借助COMSOL软件,研究单一钻孔抽采半径及多钻孔布孔间距对瓦斯抽采效果的影响。研究表明：抽采120 d时,单一钻孔抽采瓦斯的有效抽采半径约为1.4 m。多钻孔抽采中,钻孔间距为2 m、3 m、4 m时,钻孔有效抽采区域在钻孔周围大致呈圆柱状分布;钻孔间距为5 m、6 m时,钻孔有效抽采区域虽有所扩大,但各钻孔所围成内部区域的瓦斯抽采效果减弱。抽采120 d时,不同钻孔间距下的有效抽采区域体积排序为V_d4>V_d3>V_d2>V_d5>V_d6,综合考虑不同钻孔间距下有效抽采瓦斯区域变化情况,得出适用于亭南煤矿的最优布孔间距为4 m。研究结果为井下瓦斯钻孔合理布孔间距的判定提供参考。     

顺层钻孔超高压水力割缝技术在强化瓦斯抽采中的应用

介绍了超高压水力割缝技术及装备、防突原理和工艺方法。现场试验结果表明:超高压水力割缝技术运用后,钻孔瓦斯抽采浓度提升1.75倍,钻孔瓦斯抽采量提高2.3倍,抽采有效半径较对比钻孔提高2.1倍,超高压水力割缝技术卸压增透效果显著。     

低透气煤层超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术

为了解决矿井瓦斯预抽中存在的问题,提高矿井瓦斯抽采利用效率,杜绝瓦斯灾害事故发生,以新集二矿瓦斯预抽工艺为研究背景,针对矿井采掘接替紧张、煤层透气性差、瓦斯抽采率低等技术难题,提出了超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术。基于岩石力学与流体力学理论,分析了超高压水力割缝与水力压裂联合增透机理。并采用数字模拟方法研究确定了沿槽缝延伸方向,缝槽至煤体深部依次形成破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区,被冲割煤体受高压水射流剪、割应力作用影响,原岩应力区向煤体深部转移,煤体渗透率增大。得出水力压裂钻孔布置在超高压水力割缝形成的塑性区范围内能够达到较好的增透效果,并设计了超高压水力割缝与水力压裂一体化联合增透技术工艺:割缝水压为95～100 MPa,旋转水尾转速为40 r/min,割缝间距为1.0～1.2 m,单刀冲割时间为12 min;水力压裂钻孔直径为95 mm,并采用100 mm的钻孔洗扩装置冲、扩钻孔。通过在新集二矿2201采区220108底板巷2号上钻场的应用结果显示:超高压水力割缝与水力压裂协同增透技术能够明显改善煤层透气性,瓦斯抽采30 d以后,协同超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的10.3倍;协同水力压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的6.4倍,且能够持续保证较高流量和浓度的瓦斯抽采效果。     

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。     

低渗透性高瓦斯煤层水力强化抽采技术研究

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害事故的主要方法,而煤层瓦斯渗透性是决定瓦斯抽采效果的重要影响因素。对于低渗透性高瓦斯煤层,采用水力强化抽采技术可以有效增加煤层瓦斯渗透性,从而提高瓦斯抽采效率。本文分析了水力割缝、水力压裂瓦斯强化抽采技术的原理及工艺。探讨了利用高压水流冲击煤体的水力割缝和水力压裂强化瓦斯抽采方法的可行性。     

立体交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯技术研究

针对王坡煤矿3212工作面瓦斯含量较高的实际情况,利用立体交叉钻孔进行了强化预抽煤层瓦斯现场试验,并对工作面抽采钻孔布孔均匀程度以及工作面首采0~770 m瓦斯抽采达标情况进行了评价分析。结果表明:立体交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯在3212工作面取得了良好的瓦斯抽采效果,是煤与瓦斯突出矿井有效的消突方法之一。     

赵庄矿松软煤层梳状钻孔瓦斯抽采应用研究

针对煤层松软破碎导致的瓦斯抽放钻孔成孔率低、钻孔深度浅的问题,利用梳状钻孔治理瓦斯的抽采工艺,将主孔布置于顶/底板稳定岩层中,控制分支孔进入煤层进行瓦斯抽采,可提高钻孔深度。结合赵庄矿应用条件,优化钻孔布孔形式、布孔层位和分支孔施工工艺,赵庄矿应用表明:该工艺在松软煤层中钻孔抽采深度可以达到300 m以上,分支孔间距可以缩短至24 m,优化出了双重分支孔布孔形式,有效提高了钻孔瓦斯抽采效果。     

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。     

基于煤层原始瓦斯含量和压力的割缝钻孔有效抽采半径测定

为了准确测定割缝钻孔的有效抽采半径,基于煤层原始瓦斯含量和压力,通过将预抽率30%与残余瓦斯含量8 m3/t这2个消突指标相结合,提出了新的割缝钻孔有效抽采半径判定指标:当煤层原始瓦斯含量11.3 m3/t时,将压降大于煤层原始瓦斯压力的50%作为确定有效抽采半径的指标;当煤层原始瓦斯含量11.3 m3/t时,将压降64/q2作为确定有效抽采半径的指标。在杨柳煤矿进行了现场试验,最终确定割缝钻孔的有效影响半径为5 m。通过对抽采指标及残余瓦斯含量的考察,验证了上述指标的有效性和可靠性。     

赵固二矿坚硬煤层超高压水力割缝增透技术应用

针对赵固二矿煤层坚硬、透气性低、钻孔瓦斯抽采效果差及钻孔工程量大等问题,提出采用超高压水力割缝技术提高瓦斯抽采效率。基于应力波原理,分析了高压水射流破煤机理,研制了适用于坚硬煤层条件且能够有效提高射流打击力的圆锥收敛型喷嘴和适用于坚硬煤层条件的定点冲击割缝方式。现场试验表明,针对坚硬煤层条件,割缝钻孔平均单刀出煤量约0.18t,等效割缝半径0.99～1.57m,割缝后瓦斯自然涌出量是普通钻孔的11.3倍,抽采纯量较普通钻孔提高3.8倍,钻孔抽采有效半径较普通钻孔增加了90%左右。超高压水力割缝技术能有效的解决低渗透性坚硬煤层的瓦斯抽采难题。     

云盖山煤矿瓦斯治理钻孔有效抽放半径研究

针对不具备保护层开采条件的煤层,钻孔预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出最有效的措施之一。钻孔有效影响半径是进行抽采方法选择、确定钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据,钻孔间距过大,抽采范围内容易形成抽采盲区,达不到消突的目的;钻孔间距过小,虽然一定程度上提高抽采率、增大抽采量,但增加了不必要的钻孔布置工程量,容易造成人力和物力的浪费。因此合理有效地施工抽采钻孔对突出煤层进行消突,已成为保安全、促生产过程中不可缺少的重要环节。为避免钻孔设计及施工的盲目性,提高抽采钻孔的利用率及施工速度,对抽采有效影响半径的测试和确定已成为当前的首要工作。     

基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用

针对我国高瓦斯煤层赋存特点及目前煤矿区域瓦斯治理过程中存在的问题,采用理论研究、数学建模和现场测试相结合的方式,研究了基于区域瓦斯治理的高瓦斯低透气性煤层卸压增透技术及改善瓦斯流动与解吸方式,建立了高压射流割缝卸压范围内瓦斯流动毛细管模型,并且通过对割缝主体影响区、边界影响区消突时间的对比分析,得出了割缝影响区内任一点消突的判据和割缝卸压范围内整体消突时间。最后,结合笔者多年从事瓦斯抽采的研究和科研成果,提出了基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术,开发了相应的配套设备和材料,在国内有关矿井进行了应用。应用结果表明,该技术可显著提高抽放钻孔的单孔有效影响范围,减少区域瓦斯治理需要的钻孔数量,缩短区域抽采时间,提高区域抽采效率。     

孟家窑煤业水力割缝卸压参数试验研究

针对煤矿开采过程中面临的瓦斯灾害的威胁,分析了煤体渗透性的影响因素及高压水射流割缝卸压技术的增透机理。在孟家窑煤业5#煤层进行了水力割缝增透强化瓦斯抽采的试验研究,针对切割压力、切割时间、孔内切割间距等割缝参数进行了试验研究。水力割缝后单孔瓦斯排气量从300 L提升到350 L,抽采前10 d的孔内平均瓦斯浓度由22.27%增加到26.66%。对比试验数据显示切割最优压力为70 MPa,切割最优时间为3 min,切割最优间距为1.0 m。最后从数学角度分析并得出水力割缝技术可以有效地释放煤层中的体积应力,提高煤层的透气性,从而提高钻孔内瓦斯浓度百分比,延长抽采时间,提高抽采总量。