高瓦斯低渗透煤层切槽致裂增透机理及数值模拟研究

为实现高瓦斯低渗透煤层煤与瓦斯安全高效共采的目标,提出煤层切槽致裂增透新技术。理论分析了水力切槽与脉冲水力压裂联合作用于煤体时应力场-损伤场的重构和裂隙网构建效应,建立了煤层内预制切槽导向水压致裂的卸压增透模型,分析了煤层切槽与水压致裂的应力损伤联控机制,获得了切槽煤层水压致裂下的裂纹扩展及渗透率演化规律,实现了切槽卸压场与水压致裂场的有效结合,控制了水力压裂裂隙扩展方向,破除了孔槽周围应力集中圈的瓶颈效应,提高了煤层内整体增透效果。     

低透气性煤层水力压裂增透数值模拟研究

针对高瓦斯低透气性煤层抽采率低下、钻孔工程量大及抽采周期长的难题,提出水力压裂卸压增透技术。借助RFPA2D-Flow软件模拟分析了压裂时压裂孔附近煤体从发生破裂、裂隙裂纹的生成演化、扩展延伸到最终贯通的完整过程,得到钻孔附近煤体的裂隙裂纹演化规律。通过在斜沟煤矿18205材料巷实施水力压裂现场试验,发现当水压升高至16MPa时有效影响半径为7m,试验结果与模拟结果基本一致;水力压裂影响范围内煤层的透气性系数提升14倍,瓦斯抽采浓度提高了4.43倍,抽采纯量提升了9.62倍,抽采效果显著提高。     

煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究与应用

为了提高高瓦斯低透气性煤层瓦斯的抽采效率,提出了煤层脉动水力压裂卸压增透技术,进行了不同压力、频率条件下型煤试样的脉动水力压裂实验,分析了脉动水作用下煤体的疲劳损伤破坏特点及高压脉动水楔致裂机理。研究结果表明：煤体原生裂隙在强烈的脉动水压力作用下,会在缝隙末端产生交变应力,使煤体裂隙孔隙产生“压缩-膨胀-压缩”的反复作用,煤体将产生疲劳损伤破坏,煤体内部裂隙弱面扩展、延伸,形成相互交织的贯通裂隙网络。工业性试验结果表明脉动水力压裂比普通水力压裂卸压增透效果明显,钻孔瓦斯抽采浓度和流量均有较大幅度提高。     

水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用

为了提高低透气性突出煤层的瓦斯抽采量,达到抽采消突的目的,在李子垭南二井进行了水力压裂增透技术现场试验,对水力压裂技术在高瓦斯、低透气性突出煤层中的运用效果进行了试验考察,并分析了水力压裂煤体致裂增透机理.试验结果表明:对煤层进行钻孔水力压裂后可有效提高煤层的透气性和钻孔瓦斯抽采效果,压裂前后钻孔瓦斯自然流量提高127.6倍以上,水力压裂钻孔在煤层走向方向上的影响半径可达50m以上.     

导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明：利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。     

碎软低透煤层底板梳状长钻孔分段水力压裂增透技术研究

针对碎软低渗煤层成孔难、瓦斯抽采浓度及流量衰减速度快、抽采有效影响半径小、达标期长等问题。以千米定向长钻孔为基础,结合自主研发的分段水力压裂成套装备,提出了底板梳状长钻孔分段水力压裂强化增透技术并开展了碎软煤层典型矿区工程应用试验。研究结果表明:①实现了一次性裸眼分5段压裂增透施工,累计注水量达到2 865 m~3,最大注水压力达17.18MPa;②压裂增透后,煤层透气性系数增加至压裂前的16.63倍,钻孔瓦斯流量衰减系数降低至压裂前的7.6%,最大压裂影响半径达60m,与普通穿层压裂钻孔相比,采用底板梳状长钻孔分段水力压裂后钻孔抽采浓度提高了12.8倍,瓦斯日抽采纯量提高了2.53倍;③压裂增透过程可分为"高压注水通道打开—煤层起裂—周期性明显破裂"3个阶段。保压阶段孔内压力具有"快速下降—缓慢降低—平衡不变"的变化特征。④分析认为压裂增透过程可分为"高压注水通道打开—煤层起裂—周期性明显破裂"3个阶段变化。分段水力压裂增透过程中,通过高压注水作用下,周期性携带离散煤颗粒形成封堵带,压裂段循环增压,形成多点段三维立体裂隙网络。将压裂增透区域划分为紊流区、渗流区、过渡低渗及扩散区,通过卸压裂隙带的渗流及扩散和高压水的甲烷置换作用,加速瓦斯解吸和增大瓦斯裂隙运移通道,实现碎软煤层瓦斯增透高效抽采。     

煤层注液态CO_2压裂增透过程及裂隙扩展特征试验

针对我国煤层"高储低渗"的赋存特征,基于液态CO_2黏度低、阻力小、酸化解堵及相变增压的特点,采用液态CO_2进行煤层压裂增透现场试验,研究煤层压裂过程裂隙扩展规律。结果表明:压裂过程流量随着压力的增长呈现出"波动"特性,钻孔周围煤体受CO_2压力作用产生裂隙并向前延伸,压裂初期裂隙扩展速度较快,随后逐渐减小;压裂裂隙同时沿压裂孔轴向和径向扩展;压力及流量曲线在1.8,2.2 MPa处出现拐点,压裂过程分为3个阶段,各阶段煤体破坏形式依次为钻孔破碎区裂隙起裂—弱面扩展—微孔隙破坏。现场压裂试验结果表明压裂半径可达10~20 m,且与水力压裂相比在压裂安全性、时间和效果方面存在技术优势。     

低渗煤层“切槽-压裂”卸压增透技术研究

针对阳泉矿区煤层透气性低瓦斯难以抽采特点,研究提出了水力切槽及脉冲水力压裂相结合的新型煤层增透技术,该技术利用水力切割缝槽卸载钻孔周围应力并形成初始导向裂缝,采用定向脉动水力压裂致裂煤体,提高煤体渗透率和卸压增透范围,改变煤体应力场和瓦斯流动场。研究结果表明:切槽钻孔单孔瓦斯抽采累计混合量约是常规孔的10倍以上,单孔抽采混合量约是常规钻孔的20倍以上,钻孔瓦斯抽采最高浓度是常规组钻孔的2~3倍,有效提高阳泉矿区低渗煤层穿层钻孔瓦斯抽采能力,达到煤层整体卸压增透及瓦斯高效抽采的目的。     

煤矿井下穿层水力压裂钻孔布置优化分析及应用

为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采的难题,提出煤矿井下穿层水力压裂技术,分析得出其增透主要是高压水在煤体裂隙尖端产生拉应力增高区促使原始裂隙扩展、次生裂隙形成的过程,借助数值模拟对不同孔距的穿层水力压裂煤体塑性破坏区随注入高压水压力的变化规律进行研究,得到重庆逢春煤矿7号煤层起裂压力为33~35 MPa,而延伸压力略低于起裂压力,拟合出不同孔径下水力压裂有效范围与注入高压水压力的指数曲线,并将研究成果应用于该矿底板巷瓦斯抽采工程。结果表明:水力压裂后煤层在走向、倾向上单孔压裂有效范围分别达到60 m和50 m,煤层透气性系数提高195~370倍,瓦斯抽采纯量提高3.5倍,瓦斯抽采浓度提高5倍。     

低渗透性煤层均匀水力压裂增透技术研究

针对井下煤层裂缝数量少且分布不均匀问题,提出了均匀水力压裂增透技术,即预先对煤层进行深孔爆破作业,制造出大量预裂缝,再运用水力压裂技术进行增透。基于流体力学与岩石损伤力学,分析了预裂缝存在前提下水力压裂增透机理及均匀水力压裂原理。运用ABAQUS模拟软件首先模拟了传统水力压裂主裂缝随注水水压的发育情况,并对不同注水水压条件下水力压裂裂缝与深孔预裂裂缝相交程度进行模拟。同时在马堡煤矿15号煤层二采区15205工作面开展工业试验,并且选取现场煤样进行扫描电镜试验,在宏观和微观上对比均匀水力压裂与传统水力压裂增透效果。结果表明：水力压裂裂缝与预裂缝的相交程度受注水水压影响,在水压p=24MPa时充分相交;运用均匀水力压裂增透技术后,煤层透气性显著提高,试验组观测孔的初始瓦斯涌出量是对照组的3.19倍,瓦斯含量的衰减强度降低了71.6%;与传统水力压裂技术相比,煤体经过均匀水力压裂技术增透后,裂纹数量更多且分布均匀,煤体损伤程度大。模拟与工业试验的结果均证明：均匀水力压裂增透技术能极大地提高煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,与传统水力压裂相比增透效果更佳。     

基于RFPA的水力压裂增透影响半径数值模拟研究

为了解决低渗透煤层抽采效果差、钻孔工程量大及抽采周期长的难题,提出水力压裂卸压增透技术。借助RFPA~(2D)-Flow软件模拟了压裂过程中压裂孔附近煤层从发生破裂、裂隙裂纹的生成演化、扩展延伸到最终贯通的完整过程,得到钻孔附近煤体的裂隙裂纹演化规律:伴随注水压力的持续升高,裂隙裂纹范围及最大剪应力也在增加,且随着压裂孔附近裂隙裂纹的延伸扩展,最大剪应力升高的同时在不断靠近控制孔;通过在斜沟煤矿18205材料巷实施水力压裂现场试验,发现当水压升高至16 MPa时有效影响半径为7 m,试验结果与模拟结果基本一致;压裂影响区域钻孔抽采浓度提高3. 43倍,抽采纯量增大8. 65倍,煤层透气性系数升高13. 4倍,抽采效果得到明显改善。     

水力压裂影响范围数值模拟研究

为了对水力压裂措施压裂煤层裂缝的起裂效果在直观上有一个感性的认识,采用RF-PA2D-Flow软件对平煤集团十矿己15-31010工作面进行数值模拟。模拟软件清晰地展现了水力压裂时裂缝的起裂、扩展和延伸的过程,并且通过对抽采孔和压裂孔孔间距分别为5、6、7 m时进行数值模拟,模拟结果表明:煤体经水力压裂后,透气性发生了明显的变化,透气系数增大到4～6倍左右,最高能增大到近10倍,增透效果明显,另外还表明:在煤体硬度、水压、钻孔直径等因素一定的条件下,水力压裂的影响范围是一定的。     

煤层水力压裂增透技术研究与应用

为了解决坦家冲煤矿2264-1N-S采煤工作面回风巷瓦斯浓度频繁超限问题,提高本煤层钻孔瓦斯抽采率,降低煤与瓦斯突出危险性,提出采用水力压裂增透技术提高煤层透气性.通过对压裂孔周围煤体环向拉应力进行分析,结合环向最大拉应力理论,计算得到煤体裂纹起裂临界水压为15.7 MPa.采用研制出的水力压裂设备进行现场试验后表明:单孔瓦斯抽采流量及抽采浓度均有明显提高,且煤层瓦斯流量衰减系数较低.     

顶煤预制裂隙定向水力压裂数值模拟研究

为提高顶煤回采率和降低煤矿井下安全事故发生率,提出了顶煤定向水力压裂技术。利用RFPA2D-Flow渗流软件,对预制裂隙角度为15°时钻孔水力压裂失稳破裂过程进行数值模拟研究。模拟结果表明:定向裂隙尖端出现应力集中现象,随着压裂进行高应力区向煤体深部转移,且钻孔和定向裂隙周围出现卸压区;钻孔和定向裂隙周围煤体始终处于高水压区,且压裂初始阶段煤体只出现了少量剪切破坏,当水压为13MPa时,煤体出现大量拉伸破坏。在压裂后期,延伸裂隙端步开始转向扩展,但转向角度对定向压裂基本无影响,说明预制裂隙定向水力压裂能起到很好的定向作用。     

分段水压增透技术的分析与模拟

基于煤体裂隙特征及水力压裂破裂准则,对水力压裂裂缝起裂和扩展机理进行分析,并基于某矿煤层地质条件,对分段水力压裂增透技术在1306工作面应用进行模拟。通过理论分析和数值模拟,为分段水力压裂增透技术在煤矿进行工业试验提供技术参数。     

松软突出煤层采煤工作面水力压裂增透技术应用

为了解决淮南矿区突出煤层透气性差,原始煤层中钻孔抽采瓦斯流量小,预抽时间长的难题,开展了水力压裂增透技术研究,并在1351(3)工作面进行了试验,对水力压裂效果进行了考察。试验表明:水力压裂增透技术可以扩大煤层中的孔隙和裂隙,增加煤层的透气性,水力压裂影响半径不小于60 m,受水力压裂影响区域与原始煤体区域相比,单孔抽采量增加了260%,单位面积抽采纯量增加了45%,钻孔量减少40%。     

水力压裂增透技术在兴安煤矿的应用

为了解决煤层透气性较低的问题,提高本煤层钻孔瓦斯抽采率,降低煤与瓦斯突出危险性,在兴安煤矿井下进行水力压裂增透现场试验。为确定合理的注水压力,对煤层水力压裂进行了力学分析,并利用数值模拟的方法计算出该煤层裂纹起裂临界水压为12.4 MPa。水力压裂现场试验结果表明:煤层压裂后瓦斯抽采浓度和流量均有明显提高。     

马堡煤业高压水力压裂冲孔工业试验分析

为探究马堡煤业水力压裂冲孔增加煤层瓦斯渗透率的适用性,采用RFPA^2D-Flow数值模拟软件建立了高压水力压裂冲孔数值模型,分析了不同注水压力条件下裂纹的扩展规律,并以8205运输巷底抽巷为试验对象开展了穿层水力压裂增透工业试验。结果表明：在马堡煤业煤层条件下,注水压力为8 MPa可使煤层产生初始破坏,注水压力为13 MPa可使裂隙快速扩张,注水压力为18 MPa可使煤层裂隙充分达到破坏。工业试验中,采用18 MPa的注水压力可使水力压裂的裂隙影响范围达到1.10～4.45 m,满足煤层的增透性需求。水力压裂钻孔组平均抽采体积分数是无水力压裂钻孔组的3.8倍。     

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。     

顺层水力导向压裂增透技术在低透气性松软煤层的应用研究

针对低渗高瓦斯松软煤层面临的瓦斯抽采率低的难题,提出运用顺层钻孔水力导向压裂增透技术改造煤层原始瓦斯赋存状态以提高瓦斯抽采率。理论分析了煤层水力压裂增透机理,并推导得出了距离水力压裂钻孔R处的煤体渗透率方程,分析发现压裂钻孔周围煤体渗透变化规律以及渗透率与压裂时间的关系。数值模拟研究得出常规顺层钻孔水力压裂增透半径为3 m,而运用水力割缝后进行导向水力压裂增透半径达到了6 m。现场试验表明,运用水力导向压裂增透技术能够有效提高低渗高瓦斯松软煤层的渗透性,从而提高本煤层瓦斯抽采效果。