高瓦斯煤层大直径钻孔卸压增透瓦斯渗流时空演化机理

矿井瓦斯抽采面临抽采率低、有效抽采周期短、瓦斯预抽体积分数不达标等困境。为实现高瓦斯低透气性煤层的精准卸压增透,以顺和煤矿2404典型深井高瓦斯低透气性煤层工作面为研究对象,基于长时力学效应理论建模、COMSOL数值分析和现场试验等方法,构建了大直径钻孔卸压煤层瓦斯运移多场耦合模型,提出了大直径钻孔瓦斯有效抽采半径的判定指标——残余瓦斯压力不超过0.22 MPa,揭示了大直径煤层钻孔卸压增透机理及瓦斯运移规律:单一大直径钻孔煤层瓦斯压力呈以钻孔圆心为对称中心的椭圆分布,即由钻孔圆心向外瓦斯压力逐渐增加,随着抽采时间延长,抽采达标区域逐渐扩大。钻孔周边应力转移特征为:随着抽采时间增加,单一大直径钻孔周边点的垂直应力呈现先增后降趋势。进一步提出了高瓦斯低透气性煤层大直径钻孔卸压增透抽采技术。模拟确定了钻孔有效抽采半径,孔间距6.0 m、直径300 mm钻孔卸压增透效果最好,其两侧3.0 m内平均渗透率为1.58×10^(-15)m^(2),远大于初始值1.15×10^(-17)m^(2)。现场应用表明,大直径钻孔瓦斯抽采远优于普通钻孔,300 mm大直径钻孔瓦斯体积分数最大值为47.2%,75 mm原钻孔最大瓦斯体积分数最大值仅为10.6%,且大直径钻孔5.0%以上高瓦斯体积分数抽采天数提高了40.2%,有效解决了小直径瓦斯钻孔治理难题,为高瓦斯煤层高效精准卸压增透强化抽采提供了有效途径。

松软薄煤层条带消突下斜定向钻孔成孔护孔技术研究与应用

针对松软薄煤层煤巷条带消突长距离下斜钻孔,存在成孔难、易钻遇煤层顶底板、积水堵塞瓦斯抽采通道的难题,提出了氮气排渣下斜定向钻进成孔与护孔技术,采用高压氮气排渣、大功率气动螺杆钻具定向、“波浪式”轨迹控制和三层管护孔排水技术,在河南省平煤股份一矿开展现场试验,完成8个孔深超300 m下斜定向长钻孔,煤层钻遇率90%以上,全孔段下三层护排水管,平均下入深度302 m,支管平均抽采纯量1.66 m^(3)/min,平均瓦斯浓度17.5%。试验结果表明:该技术可有效解决松软薄煤层下斜钻孔长距离定向成孔、全孔段筛管护孔和排水的技术难题,提高了钻孔成孔深度和煤层钻遇率,实现了下斜孔全孔段护孔和排水,保障了瓦斯抽采效果,为松软薄煤层煤巷条带长距离消突提供技术保障,在类似地层条件具有广泛的应用推广价值。

顶板水平井分段分簇压裂治理掘进巷道瓦斯模式研究

为了解决淮南矿区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯抽采效率低的问题,提出了煤层顶板水平井分段分簇压裂瓦斯治理模式。运用数值模拟方法和物理相似模拟方法研究了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程;运用产能模拟的方法研究了分段分簇压裂的产气效果,对分簇压裂和不分簇压裂进行了剩余瓦斯含量对比分析。裂缝扩展数值模拟结果表明:煤层顶板水平井内的裂缝能够扩展至煤层,将煤层全部压开,且由于煤层的塑性大于顶板砂质泥岩,煤层形成比顶板更为宽泛的压裂缝。裂缝扩展物理相似模拟结果表明:在考虑了泥岩伪顶发育的条件下,水平钻孔布置在碎软煤层顶板的砂岩内,在合理的垂直距离和大排量压裂液施工的环境下,若煤层发育有较薄的泥岩伪顶,裂缝能沿着射孔孔眼穿过直接顶−伪顶界面(粉砂岩−泥岩界面)和伪顶−煤层界面(泥岩−煤层界面),扩展至下伏煤层内,裂缝延伸形成1条弯曲不规则的阶梯型裂缝,能实现对碎软煤层的压裂改造目标。但是,当煤层发育有较厚的泥岩伪顶时,泥岩对水力压裂产生了阻挡作用,导致裂缝难以压开下伏煤层。产能模拟结果表明:在相同的地层环境和施工条件下,经过3 a的抽采,单段不分簇压裂能够产生更大的瓦斯抽采影响范围,但不能均匀降低掘进巷道的瓦斯含量,压裂段之间出现了瓦斯抽采空白带,分簇压裂产生的瓦斯抽采影响范围小,却能够更均匀的降低掘进巷道的瓦斯含量。经过在淮南地区潘谢煤矿的工程验证,在10 m^(3)/min的施工排量下,裂缝长度最长可以达到193.8 m,最大缝高27.0 m,单井日产气量最高达到1490 m^(3)/d,2 a的瓦斯抽采量达到31×10^(4) m^(3),说明煤层顶板水平井分段分簇压裂技术是淮南地区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯高效抽采的有效模式。

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。

低透气煤层无泵式钻扩一体化增透技术与钻具研究

针对在低透气煤层常规机械掏穴、水力冲孔等增透施工中存在的施工效率低、掏穴装置稳定性差以及需要配备高压泵等问题,提出了无泵式钻扩一体化增透施工技术,研制了配套的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置,并进行了现场工业性试验。结果表明:钻扩一体化增透施工技术在煤矿井下静压水条件下,可实现一趟下钻完成先导孔和机械掏穴的同时作业,解决了常规掏穴装置刀翼开合不稳定、必须配套高压泵的问题,降低了该技术的使用成本;研发的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置工作灵活稳定且可靠性高,造穴段单孔直接扩大至原常规钻孔孔径的4.4倍,显著提升了瓦斯抽采效果,该技术的成功应用为煤矿井下低透气煤层瓦斯抽采钻孔施工提供了技术支撑。

SAP、铁氧体与硫酸铁对水泥早强性能的影响

目的为提高瓦斯抽采效果,解决传统封孔水泥早期强度发展缓慢的问题。方法选用高吸水树脂(SAP)、纳米铁氧体和硫酸铁来制备新型封孔材料。通过抗压强度试验、流动度测试、凝结时间测试、X射线衍射(XRD)、热重分析、扫描电子显微镜(SEM)等手段对水泥试样进行结构分析及性能测试,研究三元早强剂对水泥基封孔材料的影响。结果与空白组相比,三元早强剂缩短了水泥的凝结时间,提高了水泥早期强度。1d抗压强度为10.13MPa,与空白组相比提高了51.87%。结论SAP的自养护效应和纳米铁氧体的晶核效应,可以促进水泥水化产物的生成,同时硫酸铁和纳米铁氧体中的铁离子为高价阳离子,对C-S-H形成的双电子层具有压缩作用,可以进一步促进C-S-H凝胶的生成,加快水泥水化速率,生成更多水化产物,填充孔隙,增加水泥密实度,提高早强性能,为水泥早强剂的设计提供了新思路。

基于知识图谱、国标和评价通则的瓦斯抽采达标评判

在评价通则基础上,引入知识管理理论、知识图谱方法,更好地对标GB/T45001,是一个值得探索的领域。通过比较分析法与实例分析法发现:知识图谱、国标GB/T45001、评价通则三者,要素相似、流程相近、体系相通;对照国标GB/T45001,可以从要素角度增强安全评价指标体系的完整性;引入知识图谱,可以从流程角度增益安全管理的合理性;基于知识图谱,可以梳理瓦斯抽采达标评判指标体系中所涉及的流程,构建瓦斯抽采达标评判指标体系。该研究揭示了融合知识图谱、国标GB/T45001开展安全评价的基本原理,验证了根据此基本原理进行具体安全评价指标体系构建的可行性。研究成果有助于提高安全评价指标体系构建的科学性,同时为瓦斯抽采达标评判办法的修订完善提供理论依据。

高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实施应用

为解决山西安泽玉华煤矿采煤工作面风排瓦斯量大的问题,实施应用了本煤层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采以及高位定向长钻孔裂隙带瓦斯抽采等综合瓦斯抽采技术,大大提高了瓦斯抽采效果,彻底解决了采煤工作面回风流瓦斯浓度偏高的问题,为矿井安全生产提供了安全保障,为高瓦斯矿井瓦斯治理提供了有益借鉴。

下保护层开采扰动卸压效应及瓦斯与煤自燃协同治理技术

为提高深部高瓦斯易自燃煤层灾害治理水平,探索合理的下保护层开采条件下瓦斯与煤自燃协同治理方法,以平煤十二矿己18煤层为研究对象,分析开采扰动被保护层的移动破坏特征,阐明扰动效应对被保护层煤岩体及瓦斯渗流产生的影响规律,制订相应的瓦斯治理与煤自燃防治协同技术。结果表明:在己18煤层开采扰动影响下,被保护层卸压效应显著,煤层沿垂直方向膨胀变形量大于0.300%,煤层透气性增大,突出危险性降低;矿井采用的穿层仰孔、顺层长钻孔、高抽巷穿层钻孔、采空区埋管等下保护层工作面立体全覆盖瓦斯抽采技术能够有效解决矿井瓦斯问题;同时配合通风管理优化、预测预报、隔离降温的综合防灭火技术,可以有效控制煤层自然发火危险性。

基于瓦斯地质可视化的差异化协同抽采技术研究

为了解决突出煤层固定孔间距的抽采方式难以满足瓦斯灾害的高效、协同治理的需求,以林华煤矿2091工作面为工程背景,提出一种基于瓦斯地质可视化的差异化协同抽采技术,取代以往抽采钻孔的粗放设计模式。首先将瓦斯地质等相关信息录入瓦斯地质可视化系统,通过系统实现工作面瓦斯地质信息的动态展示和可视化;其次制定瓦斯含量界定准则,识别与划分工作面的低瓦斯区、中瓦斯区和高瓦斯区,在“应抽尽抽”的原则下,结合采掘进度差异化设计抽采钻孔;最后通过防突信息分析模块自动生成防突预测图,有效识别瓦斯治理空白带,进一步优化抽采钻孔设计。研究表明:2091工作面整体抽采时间控制在30~150 d,残余瓦斯含量为4.53~5.88 m^(3)/t,回风瓦斯浓度为0.22%~0.41%,上隅角瓦斯浓度为0.30%~0.47%,实现了对2091工作面瓦斯高效、协同治理。

超临界二氧化碳短时作用煤体裂隙演化CT/XRD实验研究

ECBM可以在提高煤层气开采效率的同时实现CO_(2)封存,推动“双碳”目标实现,在深部煤层气的开发中具有广泛的应用前景。煤层裂隙结构和分布规律决定了超临界二氧化碳(SC-CO_(2))的压裂效果,是提高煤层气开采效率的关键。长时作用下SC-CO_(2)与煤体接触产生的吸附膨胀和溶解萃取作用能够改变煤体裂隙形态,但压裂过程中SC-CO_(2)与煤体接触时间较短,短时作用下SC-CO_(2)的吸附膨胀及溶解萃取作用对煤体裂隙的影响尚未明确。因此开展了SC-CO_(2)短时作用下煤体的裂隙演化研究,通过CT扫描研究不同变质煤体裂隙随累计浸泡时间的变化规律;建立CT二维扫描图像的灰度分布函数并构建浸泡时间与裂隙演化规律的关系,定量表征煤体裂隙的变化。结合XRD实验研究浸泡时间对煤体物质成分变化的影响,明确SC-CO_(2)短时作用煤体裂隙演化规律的主要原因。结果表明:SC-CO_(2)短时作用下吸附膨胀作用会导致煤体裂隙收缩,溶解萃取作用使裂隙发生扩展;浸泡煤体过程中吸附膨胀和溶解萃取作用同时发生且强度随时间发生变化,在不同时间段内分别交替占据对煤体裂隙的主导作用;不同变质煤会影响吸附膨胀和溶解萃取作用的强度和主导时间。褐煤浸泡30 min时吸附膨胀占据主导作用,浸泡90~240 min溶解萃取作用增强并占据主导。烟煤浸泡30~90 min时吸附膨胀作用较强,浸泡90~240 min时溶解萃取占据主导。无烟煤浸泡30~150 min时吸附膨胀作用占据主导,浸泡150~240 min时溶解萃取占据主导。

大直径高位定向孔一次钻扩技术及瓦斯抽采效果分析

针对“U”型通风回采工作面采动卸压瓦斯常规治理方式存在的综合效率低、治理成本高等问题,以山西晋城矿区某煤矿生产工作面为研究对象,提出采用φ200 mm大直径高位定向钻孔进行采动卸压瓦斯治理;基于该煤矿顶板大直径高位定向钻孔成孔技术难点分析,选型了关键钻进装备,包括ZDY20000LD型定向钻机、BLY460型泥浆泵车和多动力扩孔钻具;开发了复合强排渣定向钻进技术与多动力一次扩孔技术,实现了复杂地层条件下φ120 mm高位孔定向钻进与φ200 mm一次钻扩成孔,综合成孔效率较常规多次分级扩孔方式提高50%以上。瓦斯抽采效果表明:距煤层顶板30~40 m、距回风巷道40 m区域范围是采动裂隙密集发育区,钻孔平均瓦斯抽采体积分数保持在40%以上、最大瓦斯抽采纯量10.94 m^(3)/min,效果显著。

软煤水力压裂孔周应力的时空演化研究

为揭示软煤压裂孔周致裂行为特征,依据时步均等划分方法将压裂过程分为6个阶段,对孔周应力的空间分布、随时间变化规律、水平应力差异系数的演化进行了PFC^(2D)离散元模拟研究。结果表明:水力压裂过程的1~4阶段,最大主应力方向孔周应力增幅较大;5、6阶段最小主应力方向的应力增幅迅速增大。孔周应力集中明显,接近孔周位置应力水平高。在应力集中影响范围内,x方向和y方向孔周应力路径趋势一致,水平应力差异系数相差较小,而在应力集中影响范围以外则恰恰相反。应力差异系数可反映裂隙发育的均匀程度,而应力集中程度影响着裂隙的发育和扩展范围,揭示了软煤水力压裂孔周扩孔致裂-应力外移的行为特征。

瓦斯抽采钻孔布置方案参数优化:以保德煤矿为例

针对高瓦斯中低渗透率厚煤层工作面常规预抽钻孔预抽浓度低、钻孔衰减系数大、瓦斯预抽时间长等难题,以保德煤矿8号煤层为研究对象。通过8号煤层渗透率各项异性实验分析和现场测试,对8号煤层钻孔布孔方位以及封孔工艺最优参数进行研究。结果表明:预抽钻孔与煤壁裂隙呈90°,钻孔倾角为-6°时钻孔抽采效果最好;采用新材料+囊袋作为封孔材料,封孔距离8~16 m时,增大压力和“两堵两注”的注浆方式,能有效地提供封孔的气密性。通过3种不同的测试方法,确定4个月时的钻孔抽采有效半径约为4 m,6个月有效抽采半径为4.5 m。以此为依据,得出工作面瓦斯抽采钻孔最佳布置参数。研究成果为高瓦斯低渗透率厚煤层工作面预抽钻孔设计提供了参考依据。

分段多簇密切割压裂技术在淮南矿区煤层气抽采中的应用

针对淮南矿区碎软低渗煤层瓦斯抽采技术难题,以13-1煤层为例,在分析煤层及其顶底板概况的基础上,采用煤层顶板分段压裂水平井技术,充分利用水平井水平段,单段分3簇射孔,簇间距25 m,实现分段多簇密切割体积压裂改造。微地震监测结果表明,单段裂缝长度102.5~211.4 m,缝高17.3~27 m,裂缝主体向下延伸,实现了井筒与煤层的沟通。排水采气效果表明,最高产气量1519 m^(3)/d,取得了良好的产气效果。研究成果为淮南矿区煤层气地面预抽和瓦斯区域治理提供了工程借鉴。

海孜煤矿深部勘查区中组煤层气储层物性特征分析

【目的】煤层气储层的物性特征是进行煤层气开发研究的关键因子。【方法】重点对海孜煤矿深部勘探区域中组煤储层的物性参数进行调查,以对井田内中组煤储层物性特征进行研究。【结果】研究表明,煤层的物性特征适宜开采,其中有机显微组分占优,无机显微组分次之。该煤层含气量多,虽然煤层渗透率相对较小,但符合煤层气开采条件。煤层开采时的吸附作用一般,但有利于煤层气储集和缩短煤层气的开发周期。【结论】研究结果可为该研究区煤层气抽采提供可靠的技术参考。

煤矿瓦斯抽采钻孔三维模拟及控制效果评价

针对瓦斯抽采钻孔施工完成后缺少钻孔三维可视化及控制效果评价的工具,难以精确识别钻孔空白带,留下安全隐患的问题,提出了一种抽采钻孔的三维模拟及评价技术。通过导入采掘工程平面图和钻孔施工数据,提取巷道、钻场、钻孔、测量点等基础数据,对巷道底板高程沿导线测量点的高程值进行插值处理,将巷道等图元的二维坐标转换为三维坐标,构建了可反映煤层、巷道和钻孔特征的三维模型。提出了基于体积法的钻孔控制效果评价方法,将煤层划分为若干个边长等于抽采有效半径的控制体,通过计算穿过控制体钻孔长度之和与抽采有效半径的比值来定量评价钻孔的控制效果,并将钻孔控制效果用不同的颜色进行三维展示,便于对钻孔的疏密及钻孔空白带的位置进行分析,为精确补充钻孔提供决策依据。基于该技术,开发了抽采钻孔三维模拟及控制效果评价系统,并在窑街煤电金河煤矿16215工作面进行了应用,处理了3786个钻孔数据,绘制了巷道、钻场、钻孔和煤层的三维模型,钻孔三维模拟情况与现场一致,通过控制效果分析对钻孔空白带施工了补充钻孔,有效消除了潜在安全隐患。

东曲矿8号煤CO_(2)和CH_(4)竞争吸附特性分子模拟研究

深入了解煤层中CO_(2)和CH_(4)竞争吸附的微观机制是实现CO_(2)驱替甲烷开采(CO_(2)-ECBM)的关键,基于东曲矿8号煤的大分子结构模型开展了CO_(2)和CH_(4)的单组分与双组分竞争吸附研究。结果表明:单组分吸附中CO_(2)的吸附量显著大于CH_(4)的吸附量,双组分竞争吸附中的总吸附量随着CO_(2)的摩尔分数的增大而增大;不同摩尔比条件下的双组分吸附中CO_(2)对CH_(4)的选择性吸附系数始终大于1,且CO_(2)摩尔分数越大,选择性吸附系数越小;相互作用能随着吸附量的增大而显著增大,CO_(2)吸附体系中较大的静电能促进了煤大分子对CO_(2)吸附,因此,不同摩尔比体系的相互作用能随着CO_(2)摩尔分数的增加而显著增加;单组分吸附中CO_(2)的吸附势大于CH_(4)的吸附势,双组分竞争吸附中CO_(2)的吸附势随着CO_(2)摩尔比的增加而增加,而CH_(4)的吸附势随着CO_(2)摩尔比的增加而降低,该结果与吸附选择性分析的结果一致。

基于采动裂隙特征规律下的高位钻孔优化研究

为了研究采空区上覆岩层裂隙发育和演化规律,确定最佳高位钻孔瓦斯抽采位置,采用3DEC数值模拟方法对贺西煤矿3#、4#煤层工作面推进过程采空区上覆岩层裂隙演化规律进行研究。结果表明,依据位移变化划分各测线的三带分布与公式计算三带范围一致,并确定最佳抽采区域为3#煤层上方21.48~28.6 m,最后通过选取2317工作面材料巷抽采钻场4个高位钻孔作为考察钻孔,经实际测量证明位于最佳抽采区域钻孔的抽采效果最好。

高位钻孔抽采对采空区自燃“三带”的影响研究

以甘肃某矿北1103工作面为背景,采用数值模拟、现场观测等方法研究高位钻孔抽采对采空区自燃“三带”的影响。结果表明:采空区内部漏风路径与钻孔至工作面的距离呈正相关关系,采空区氧化带、窒息带所处区域随漏风路径的增加向采空区深部扩大;随着钻孔抽采流量的增加,采空区氧化带范围随之增加,但钻孔与工作面的瓦斯浓度呈降低趋势;随着抽采负压的增大,氧化带、散热带的边界线在进风侧向采空区深部移动,在回风侧向工作面方向移动。