临兴-神府区块深部煤层气地球化学特征及其影响因素

查明深部煤层气成因和地球化学特征对其勘探开发具有重要意义,以鄂尔多斯盆地东缘临兴-神府区块深部煤层参数井解吸气为研究对象,系统测试了二叠系下统太原组8+9号煤层气体成分、含量和碳同位素等,结合热演化程度、含气性、煤层埋深、地质构造和水文地质条件等,分析深部煤层气地球化学特征及影响因素。结果表明,煤层气主要成分包括CH4、CO_(2)、N_(2)、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷,其中CH4含量最高,体积分数在75.98%~96.20%,平均86.49%;其他含量较高的为乙烷(平均5.97%)、CO_(2)(平均5.18%)及丙烷(平均1.24%),气体成分含量与浅部煤层气区块无明显差异。煤层气δ13C1(CH_(4))分布在-51.9‰~-38.2‰,平均-42.84‰;δ13CCO_(2)分布在-8.6‰~-0.63‰,平均-4.66‰;δ13C2分布在-27.36‰~-18.70‰,平均-25.27‰;δ13C3分布在-25.96‰~-14.69‰,平均-22.93‰,且煤层气主要为热成因气体;δ13C1(CH4)较浅部小,δ13CCO_(2)较浅部大。在平面上,从临兴地区东南向西北δ13C1呈增大趋势。从石炭纪起直到三叠纪末,研究区一直处于沉降状态;中侏罗世和早白垩世为主要生烃期,中侏罗世生烃持续时间较长,平均生烃速率较小,生烃产率一般;早白垩世生烃速率较大,生烃产率增加值较高,生气强度达到历史最大,是主要的生烃期。受气体分馏作用、储层孔裂隙发育特征、储层压力以及煤层顶底板密封性的控制,δ13C1随着镜质体最大反射率(Rmax)、含气量和埋深的增加而增加;在向斜核部区、断层应力集中区和褶皱两翼发育区的δ13C1值相对较大;在断层应力释放区和背斜核部δ13C1相对较大,这表明该区域的煤层气封存条件较差,不利于煤层气富集;受地下水溶解的影响,在水动力条件较强的地区δ13C1值较小;在弱流体动力学或滞流区δ13C1没有明显的变轻趋势。综合煤层气地球化学指标认为,临兴和神府地区东南部煤层气富集,且前者更有利,这对后期煤层气选区布井提供参考。

复合顶板煤层采空区自燃“三带”划分技术研究

针对泊江海子矿113107工作面侏罗系复合顶板易掉顶和暴露煤线,遗煤氧化可能导致煤层自燃的问题,综合运用实验室实验、现场监测和数值模拟等方法,对113107工作面采空区自燃“三带”及防灭火技术进行了研究。研究得到了煤自然发火标志气体及临界值,为煤层自然发火预测提供了预警指标;确定了113107工作面采空区自燃“三带”分布范围;为类似工程的防灭火安全技术研究提供了参考。

近距离煤层采空区下回采巷道快速掘进技术研究

针对上榆泉煤矿近距离煤层群赋存情况,考虑I031005回采巷道上覆9#煤层采空区的影响,采用现场调研、数值模拟以及理论分析相结合的方法,在保证回采巷道围岩稳定的情况下,提出了“锚杆支护参数优化+设备改进+工艺流程优化”的快速掘进综合技术体系。研究结果表明:基于层次分析法建立下煤层回采巷道快速掘进影响因素综合评价体系,明确影响巷道掘进速度的重要因素巷道地质条件和支护工艺;10^(#)煤层巷道基本不受9^(#)煤层遗留煤柱集中应力影响,且围岩完整性好,强度高,适当增加单根锚杆强度,减小锚杆间排距不影响回采巷道围岩稳定,锚杆合理间排距为1500 mm×1200 mm,锚杆长度为1800 mm;优化支护参数后支护时间显著降低,巷道单排支护时间由30 min降低至22 min,提高单次掘锚循环进尺提高至1.2 m;提出滑移架与截割装置相连的结构,优化循环作业方式,使掘锚同步作业,掘支平行作业率可增加42.7%;巷道月平均进尺可由750 m增至1080 m,增幅44%。研究结果可为类似条件矿井回采巷道快速掘进提供借鉴。

回采工作面煤层注水综合治理煤尘与瓦斯试验研究

为进一步降低回采工作面粉尘浓度和瓦斯涌出量,决定开展煤层注水防尘、防瓦斯试验,以确保回采工作面环境更加符合安全文明生产的要求。通过分析煤层注水的作用机理,开展注水有效压力p、注水时间T、有效半径R等考察研究,以煤层注水前后粉尘浓度变化量、瓦斯涌出量等指标作为评判指标开展试验。试验结果表明,本次注水试验使得工作面回采期间呼吸性粉尘和总粉尘浓度降幅分别达到93%和94%,S_(max)和Δh_(2)值由原来的4 kg/m和130 Pa分别降低到2.5 kg/m和100 Pa,有效解决了试验回采工作面工作环境的粉尘和瓦斯涌出量偏大的问题。

深、浅部煤层气地质条件差异性及其形成机制

深部煤层气资源丰富、开发前景广阔,但对其与浅部煤层气地质条件的内在联系研究尚不够深入。从煤层形成演化角度出发,以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例,总结了煤层深埋深藏型、深埋浅藏型及浅埋浅藏型3种埋深演化模式。系统分析了深部和浅部煤层在温压条件与含气性、地应力与渗透率特征、变质程度与含水性等方面的差异性及其形成机制。研究指出,受埋深与演化过程影响,深部和浅部煤储层温度最多相差100℃以上,储层压力最大相差40 MPa左右,导致由浅部向深部,气体赋存状态以吸附气为主转变为吸附气与游离气共存,地应力场由水平应力主导转化为垂向应力主导,煤储层孔隙率、渗透率及含水性逐渐降低。明确了深部煤层气的典型特点,即:在高温高压条件下,以吸附态和游离态共存于一定深度以下煤储层中的甲烷气体,该类煤储层在垂向应力为主导的作用下,孔裂隙空间极度压缩,含水极少且矿化度极高,内生微裂隙为主要渗流通道。基于含气性临界深度和地应力场转换深度的不一致性,指出浅部向深部煤层演化过程中存在过渡区,该区内呈现出非典型深部煤层气的特点,或深部煤层气和浅部煤层气地质条件共存的情况,在勘探开发过程中,应具体分析,制定针对性开发方案,以实现浅部与深部煤层气的高效协同开发。

榆家梁薄煤层超长运距刮板输送技术研究

为解决神东榆家梁煤矿1.4 m煤层、350 m宽工作面煤炭开采的运输问题,制定了薄煤层超长工作面成套设备总体配套方案,在对装机功率及链条安全系数进行验算的基础上,确定了刮板输送设备主要技术参数;开发了φ38/86×137宽带链及链传动系统、薄煤层极矮中部槽、下沉式可伸缩机尾、定距端卸一体式机头推移部,满足了薄煤层大功率设备对配套空间的需求;优化了伸缩机尾自动张紧控制流程,配置了刮板输送机智能控制系统,为工作面运输设备无人化管理提供了技术保障。经过井下工业性实践证明,设备使用良好,该工作面已成为薄煤层智能开采的示范工程。

浅埋厚煤层开采地表采动裂缝发育演化规律研究

基于串草圪旦煤矿典型生产工作面覆岩赋存情况及地表采动裂缝发育特征,采用现场实测、理论分析和数值计算相结合,研究了覆岩关键层失稳运动形式及其对地表采动裂缝发育形态的影响,以及基采比对地表采动裂缝演化规律的影响。结果表明:浅埋厚煤层开采过程中,关键层失稳运动对地表采动裂缝发育类型具有控制作用,关键层滑落失稳引起地表产生台阶型裂缝,关键层回转失稳引起地表产生张开型裂缝;覆岩关键层失稳运动过程导致地表采动裂缝尺度参数发生动态变化,随着基采比的增大,地表采动裂缝的垂直错动量呈减小趋势,水平张开量呈增大趋势,裂缝水平张开量与关键层回转角线性相关。

提升薄煤层采煤机工作效率关键措施研究

针对薄煤层工作面采煤机工作效率低的问题,提出了采煤机大功率化、合理确定滚筒大小、明确滚筒旋转方向、缩短检修维护时间的解决措施。研究表明,优选大功率薄煤层采煤机、合理选择滚筒直径,可显著提升采煤机工作效率;明确滚筒旋转方向为内旋,可降低采煤机运行阻力,有利于提升工作效率;开发基于自润滑技术的铰接轴套和轴承,可减少检修时间,提高采煤机开机率,提升工作效率。

煤层注水钻孔径向渗流演化规律数值模拟研究

为研究煤层注水钻孔径向渗流演化规律,基于渗流基础理论,采用Fluent软件模拟分析不同注水压力下钻孔径向煤体的润湿范围及渗流速度。结果表明:在同一钻孔条件下,随着注水压力的增大,煤层内平均水压与平均渗流速度衰减越来越明显,注水压力对钻孔周围煤层的压力分布和渗流速度的作用范围逐渐扩大,煤体内密度变化越来越快,煤体内注水越来越均匀,注水效果进一步增强。该研究成果对提高煤层注水抑尘效果具有重要的意义。

沁水盆地南部中深部煤层气储层特征及开发技术对策

为了实现沁水盆地南部中深部煤层气高效开发,以郑庄北-沁南西区块为研究对象,基于参数井取心分析测试、注入/压降测试、地应力循环测试结果和大量动静态数据,通过与浅部对比,阐述了中深部煤储层特征,分析了从浅部到中深部煤层直井压裂和水平井分段压裂两种开发技术的改进,进而提出了中深部煤层气主体开发技术。结果表明,郑庄北-沁南西区块3号煤平均埋深1200 m左右,为中深部煤层气储层。随着埋深增加,研究区含气量和吸附时间均先增加后降低,含气量和吸附时间峰值分别位于埋深1100~1200 m和800~1000 m;随着埋深增加,研究区地应力场类型发生了2次转换,埋深小于600 m时,为逆断层型地应力场类型,水力压裂易形成水平缝,利于造长缝;埋深大于1000 m时为走滑断层型地应力场类型,水力压裂易形成垂直缝,裂缝延伸较短;埋深为600~1000 m时,地应力场由逆断层型向走滑断层型转换阶段,水力压裂形成的裂缝系统较为复杂。与浅层相比,中深部储层含气量、解吸效率和应力场发生明显转变。随着埋深增加,无论是直井(定向井)还是水平井,均应采用更大的压裂规模才能获得较好的效果。对于直井,埋深大于800 m后,压裂液量达到1500 m^(3)以上、排量12~15 m^(3)/min以上、砂比10%~14%以上,单井日产气量可以达到1000 m^(3)以上;对于水平井,埋深大于800 m后,压裂段间距控制在70~90 m以下,单段液量、砂量分别达到2000、150 m^(3)以上,排量达到15 m^(3)/min以上开发效果较好,单井产量突破18000 m^(3)。随着埋深增加,水平井开发方式明显优于直井,以二开全通径水平井井型结构、优质层段识别技术和大规模、大排量缝网压裂为核心的水平井开发方式是适用于沁水盆地南部中深部煤层气高效开发的主体工艺技术。

鄂尔多斯盆地神木–佳县区块深部煤层气地质特征及勘探开发潜力

我国深部(以下均指埋深大于2000 m)煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大。与中浅部相比,深部煤层气在富集成藏规律与开发方式方面均具有显著的差异性,急需针对重点区块开展解剖性分析研究。神木–佳县区块位于鄂尔多斯盆地东北部,目前尚处于深部煤层气勘探的起步阶段,深部煤层气富集特征及开发潜力等尚不明确。基于研究区近期实施的地震资料、300余口井的测井资料和4口取心井的参数资料等,系统分析煤储层基础地质特征,总结煤层气富集主控因素与富集规律,类比剖析研究区深部煤层气勘探开发潜力。研究区深8号煤的镜质体反射率介于0.7%~1.8%,大部分区域煤层演化已处于热解生气高峰,区域上煤层净煤厚度高达7~8 m,煤层发育稳定,构造相对简单、水动力封闭性较强、顶底板封盖条件较好,为煤层气大面积连续成藏提供了优越条件,其中佳县南区的煤层气资源条件最好。与鄂尔多斯盆地东部其他区块深部煤层相比,研究区煤层中游离气占比明显更高(15.21%~46.47%),煤层中吸附气主要受吸附压力封存控制,而游离气受毛管力封闭与浮力重力分异双重控制,两种封存机制共同决定了深部煤层含气量的垂向分带与平面分区,以佳县南部为例总结了吸附气吸附压力主控、游离气毛管压力封闭与重力分异耦合控制的典型深部煤层气富集模式。与临兴区块和大宁–吉县区块类比分析结果表明,神木–佳县区块具有较好的煤层气资源基础、储层改造条件和高产潜力,预示了此区块深部煤层气规模化开发的美好前景。此外,大宁–吉县区块深部属典型的高煤阶煤,而神木–佳县深部为中煤阶煤,因此,该研究认识进一步丰富完善了深部煤层气富集理论,对于全国深部煤层气勘探开发实践有重要指示意义。

倾斜碎软煤层群煤层气协调开发关键技术-以艾维尔沟矿区为例

为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同“三孔四区五量”煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制。针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏。针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构。应用结果表明:时空协同的“三孔四区五量”模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采。上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式。

山西省沁水盆地南部4~#煤薄煤层试采获得煤层气工业气流

1研究目的(Objective)沁水盆地是中国重要的煤层气生产基地之一,位于山西省中南部。研究区位于沁水盆地南部寺头断层西侧,行政区域隶属于晋城市沁水县、阳城县。研究区煤系地层厚度63~145 m,平均92 m,其中煤层厚度4.1~17.4 m,平均7.9 m。

煤层群开采过程工作面漏风规律与封堵技术研究

为研究浅埋厚煤层复合采空区整体漏风规律,以白杨河矿区宽沟煤矿为研究对象,采用数值模拟、地表勘探及示踪气体测试的方法,基于宽沟煤矿复合采空区复杂漏风情况,研发针对煤层群开采矿井的漏风封堵技术,建立工作面漏风综合封堵技术体系。通过PFC 2D数值模拟分析发现,三层采空区间已相互沟通形成复合采空区,且复合采空区裂隙场沟通地表,可能导致B2煤层开采过程工作面漏风严重;利用SF6示踪气体进行工作面及采空区漏风规律测定,结果表明I010206工作面地表和工作面间的漏风量为6.5 m^(3)/min,采空区存在自然发火危险;最终结合宽沟煤矿的实际情况及工作面漏风特征,通过地表漏风封堵和注浆钻孔封堵,形成工作面漏风综合封堵技术体系。

煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

深部煤层气水赋存机制、环境及动态演化

准确认识深部条件下气体和水分的赋存状态、相对含量及分布特征,对煤层气高效勘探开发具有重要指导意义。基于理论模型、分子模拟和气水演变分析,明确了煤层中气、水的赋存状态,揭示了气、水动态运聚界限和动态演化过程。考虑煤-水界面作用、水的可动性及赋存状态,煤中水可分为可动水(重力水和毛细水)、束缚水(吸附水、沸石水、结晶水和层间水)、结构水,其中毛细水、重力水和吸附水由孔隙主导,沸石水、结构水、结晶水和层间水由矿物主导。分子模拟结果显示,水分子在0.7 nm孔隙中可以饱和充填,吸附和解吸路径一致,在更大孔隙中出现弱吸附层和自由态。水分子吸附过程表现为单分子含氧基团吸附、单层强吸附、多层弱吸附、水团簇形成和充填孔隙等阶段。甲烷分子在1.5 nm孔隙可存在3层稳定充填吸附,在较大孔隙中(>1.5 nm)即以单层吸附和游离态共存,游离态在介孔及更大孔隙中普遍存在。结合上述吸附-游离气存在界限,改进了游离气和吸附气理论计算公式,为含气量计算提供新思路。深部热成因煤层气是煤大规模生排烃之后的残余气,在排烃过程中发生气驱水和水分蒸发扩散,残余水分为束缚水和结构水,后期无法改变。假定静水压力20 MPa,在0、5、10、15和20 MPa储层压力下,外来水分可入侵最大孔径为7、9、13、27 nm和不侵入。受差异保存条件控制,煤成气除了形成超压和欠压等差异含气系统外,还可能在煤系形成多类型含气模式。上述研究明确了煤层气、水微观赋存机制及形成演化模式,对深部煤层气富集特征及高效开发设计具有指导意义。

深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大,窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系,以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景,开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究,结果表明:①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重,煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大,尽管埋深大,但已稳定采空区承担较大覆岩载荷,高应力已充分向深部岩体分流;②巷道变形非对称,实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大,巷帮以浅部变形为主,煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大;③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道,利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险;④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形,掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中;⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区,据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。

黔西比德-三塘盆地煤层群发育特征及其控气特殊性

基于17个钻孔和4个探槽的煤层数据及11个勘查区600多个煤芯解吸资料,以0.3 m作为单一煤层厚度的统计下限,采用煤层层数、煤层间距、煤层总厚度来表征黔西比德-三塘盆地煤层群的特征,探讨了各参数之间的相关关系,及煤层层数等值线、煤层间距等值线与煤层甲烷含量等值线之间的空间叠置特征。结果显示:煤层层数越多,煤层间距就越小,煤层厚度就越大,它们之间具有很好的乘幂关系。同时发现煤层层数等值线、煤层间距等值线与煤层甲烷含量等值线分布在空间上高度吻合;在煤层甲烷富集区,甲烷浓度高的区域煤层层数最多,煤层间距最小。由此进一步说明,在煤层群发育区,煤层间距小、砂泥比低、整体煤岩封闭性好导致的煤层之间"叠加"封闭,是煤层气保存的有利条件。

西班牙急倾斜煤层综采机组的性能及其应用

急倾斜煤层采煤机械化在我国基本上是一个空白.就目前来讲,几乎所有的急倾斜煤层的开采仍是炮采炮掘,采煤方法极其落后。北京矿务局大台矿从西班牙引进了一套急倾斜综采机组.目前该机组已开始进行试生产,运转正常. 一、H-1型采煤机的性能和适用条件 1.适用条件 H-1型采煤机适用于急倾斜薄煤层开采,采用急倾斜走向长壁式采煤方法.适用的煤层条件为:倾角45°～90°,煤层厚度0.75～1.7m(最佳煤层厚度1～1.5m),煤层赋存比较稳定,沿走向倾向无大变化。

准噶尔盆地深部与浅部煤层气储层物性特征对比分析

为了探讨深部与浅部煤层气赋存的差异,采集准噶尔盆地煤矿1500 m以浅煤样和煤矿钻孔1500 m以深煤样,通过资料搜集和室内测试分析了研究区深部与浅部煤储层物性特征的差异,最终得到以下结论:深部镜质组含量比浅部高,煤体结构更完整,储层改造性更强;深部比浅部含气量大,煤层气赋存状态由欠饱和状态逐步转变为超饱和状态,煤层气成因多样;浅部煤岩的渗流孔比深部发育,深部煤岩的吸附孔比浅部发育。浅部煤岩以外生裂隙为主,孔裂隙间连通性好;深部煤岩以内生裂隙为主,有矿物质充填裂隙,且深部孔隙度和裂隙密度比浅部小,渗透性较差。对比分析表明,准噶尔盆地深部煤层气比浅部富集性更优,具有较大开发潜力。但渗透性远不如浅部,且开发难度大,因此建议通过压裂改造与排水采气工艺技术相结合的方式促进深部煤层气开发。