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。     

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。     

超高压水力割缝精准控制技术应用及效果分析

为了解决由于水力割缝压力、喷嘴大小、割缝时间等参数的选取不当导致煤层割缝深度浅、割缝后煤体卸压增透效果不理想、割缝作业期间钻孔憋孔、堵孔等问题,提出了超高压水力割缝精准控制技术,分析了割缝缝槽宽度、深度控制,割缝落煤速度控制,以及割缝区域效果控制,集成开发了ZGF-100(A)型超高压水力割缝装置,并进行了精准控制割缝现场应用试验。结果表明:采用超高压水力割缝精准控制技术对煤层进行割缝后,缝槽等效半径约为1.02～1.58 m,割缝钻孔平均抽采瓦斯纯量较普通对比钻孔增大约2倍,割缝钻孔抽采半径较对比钻孔增大1倍左右。     

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。     

超高压水力割缝和CO2相变致裂联合增透技术研究与应用

针对鲁班山北矿14采区8~#煤层地质构造复杂、瓦斯抽采难的问题,提出了超高压水力割缝和CO_2相变致裂联合增透技术,并分析其泄压增透原理,同时进行了不同增透方案条件下的现场抽采效果对比试验。结果表明,该联合增透方案的平均单孔瓦斯体积分数分别是普通抽采和超高水力割缝的1.79倍和1.20倍;单孔瓦斯抽采平均纯量分别是普通抽采和超高压水力割缝的3.2倍和1.9倍,90d抽采时间瓦斯抽采影响半径分别是普通抽采和超高压水力割缝的4.58倍和1.38倍,在同等条件下施工钻孔时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短50.5%和40.6%,瓦斯达标抽采时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短了66.7%和50%。相较于常规治理技术方案,超高压水力割缝和CO_2相变致裂联合增透技术对瓦斯灾害治理的应用效果更为理想。     

王坡煤矿掘进工作面水力增透技术研究及应用

为有效解决王坡煤矿破碎煤层条件下预抽效率低、预抽达标时间长、巷道掘进速度慢等问题,在3310运输巷掘进工作面试验与应用超高压水力割缝卸压增透技术。通过钻孔屑量、瓦斯抽采效果及抽采半径考察分析得出了割缝半径1. 46～1. 61m,单孔抽采流量可提高1. 5～5. 5倍,预抽7d后孔底间距5m布置的预抽孔可抽采达标。结果表明:超高压水力割缝技术能够有效改善煤层预抽效果,大幅提高瓦斯抽采效率,缩短抽采达标时间,进而将煤巷掘进速度提高35%。此外水力割缝技术可增大钻孔有效影响半径,减少预抽钻孔工程量。     

超高压水力割缝技术在中等硬度低透气性煤层的应用

为提高高瓦斯低透气性中硬煤层瓦斯预抽效率,探讨了水力冲孔、水力压裂、水力割缝增透技术适用条件和优缺点。基于超高压水力割缝技术原理,研制了一种穿层钻孔超高压水力割缝装置,主要由金刚石水力割缝钻头、水力割缝浅螺旋钻杆、超高压旋转接头、超高压清水泵、高低压转换器、超高压橡胶管等组成,水压达到60～100 MPa,可实现钻进、切割一体化,使用简单方便。采用该装置在丁集煤矿1361(1)运输巷底板抽采巷11-2煤层穿层预抽钻孔中开展现场试验,煤层瓦斯压力1.43 MPa,瓦斯含量为8.05 m3/t,透气性系数为0.013 m2/(MPa2·d),煤层坚固性系数为0.79;1361(1)运输巷底板抽采巷11号～15号钻场区域单元长度227 m,采用高压水力割缝增透措施,1361(1)运输巷底板抽采巷6号～10号钻场区域单元长度213 m,采用矿井低压水冲孔增透措施。结果表明：超高压水力割缝钻孔平均单刀割缝时间为10.7 min,单刀出煤量为0.31 t,等效割缝半径达1.38 m,煤孔段割缝密度为1刀/m,平均每孔割缝2.6个;超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采浓度56.97%,是低压冲孔的2.37...     

水力割缝技术在提高瓦斯抽采效果中的应用

 为了解决我国矿井在低透气性煤层瓦斯抽采治理中遇到的瓶颈,基于近年来水力割缝技术在矿井石门揭煤、底板巷消除地应力方面取得的发展,探讨性的开展了水力割缝技术在本煤层强化瓦斯抽采方面的研究工作。提出了用水力割缝技术扩大钻孔的直接影响范围的思路,研究了水力割缝技术对扰动煤体的体积、表面积、单孔瓦斯抽采量、钻孔影响半径等参数,对比分析了水力割缝技术和普通钻孔抽采技术的数据,结果表明水力割缝技术扰动煤体体积可提高6~16倍,影响煤体表面积可提高5.3~8.8倍,单孔抽采流量可提高2.0~2.5倍。同时水力割缝技术可增大单孔有效影响半径,在一定程度上可减少施工工程量。     

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。     

高压水力割缝和压裂联合增透技术及应用

针对白皎煤矿突出煤层构造应力高、透气性系数低、瓦斯抽采效果差等问题,在238底板瓦斯抽采巷对B4煤层采用了水力割缝和压裂联合增透技术,应用结果表明该技术相比水力压裂技术和普通抽采技术提高了煤层透气性,瓦斯抽采纯量较水力压裂钻孔提高了1.33倍,瓦斯体积分数是普通抽采钻孔的2.76倍,联合增透钻孔汇总瓦斯体积分数保持在30%以上且无衰减,具有良好的抽采效果。     

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。     

基于水射流割缝煤层区域动态指标研究

基于水射流割缝煤层增透技术,分析了割缝后煤体应力分布状态,计算了割缝钻孔径向应力和切向应力。在理论分析水射流割缝钻孔影响半径的基础上,确定基于水射流割缝钻孔布置的技术工艺。根据现场实测数据,统计分析了动态指标,对水射流割缝后煤层瓦斯抽采增透效果进行了验证。中兴矿现场试验表明:与常规钻孔相比,采用水射流割缝钻孔瓦斯抽采浓度提高3.6倍、流量提高2.7倍、纯流量提高9.7倍;上覆三采西翼回风巷平均风排瓦斯涌出量最大减少0.68 m^3/min,降低26.98%;水射流割缝钻孔段瓦斯含量降低0.48 m^3/t;抽采半径为3.0 m时,水射流割缝钻孔段抽采时间41 d,相比常规钻孔抽采时间缩短43 d。     

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。     

高压脉冲水射流顶底板钻孔提高煤层瓦斯抽采率的应用研究

在分析松软煤层中钻孔塌孔、硬分层中成孔机理的基础上,提出利用高压脉冲水射流在硬分层或顶底板中钻孔,切至软分层提高瓦斯抽采率的新钻孔工艺。并基于高压脉冲射流破煤岩动力特性,分析计算了射流在松软煤层中切缝所需的射流压力及流量;研制出钻孔、切缝系统装置及工艺。在四川某煤矿的松软煤层进行了现场试验,应用结果表明钻孔深度是本煤层钻孔深度的2.7倍,平均单孔瓦斯的抽放纯量为0.19~0.26 m³/min,是采用原工艺钻孔的5.2倍以上。     

穿层钻孔水力化卸压增透技术

低透气性煤层瓦斯抽采是我国矿井瓦斯治理的瓶颈所在。近年来水力射流技术在矿井石门揭煤、底板巷消除地应力方面有了很大的发展,因此,开展水力射流技术在本煤层强化瓦斯抽采方面的研究具有重要意义。采用水力射流扩大钻孔的直接影响范围,通过对扰动煤体的体积、表面积、单孔瓦斯抽采量、钻孔影响半径的考察,对比分析了水力射流技术和钻孔抽采技术的数据,得出钻孔直径增大11.7～19.2倍,扰动煤体体积提高3 471～6 971倍;钻孔瓦斯衰减周期延长了7～10倍;单孔抽采效果提高6～8倍。     

水力割缝技术在松树镇煤矿的应用研究

低透气性煤层卸压增透技术严重制约煤层瓦斯抽放。针对松树镇煤矿煤层赋存条件,应用水力割缝技术对该矿回采工作面进行了卸压增透,并通过钻孔瓦斯浓度、抽采负压及钻孔瓦斯流量对水力割缝效果进行考察。结果表明,实施水力割缝技术后,钻孔瓦斯浓度明显上升,考察周期内,绝大部分钻孔瓦斯浓度高于10%;各钻孔的抽采负压数值稳定,钻孔瓦斯总平均流量达到0.034 m³/min,远高于普通钻孔的平均流量0.005 m³/min。     

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。     

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。