煤矿井上下联合抽采瓦斯关键技术研究及应用

为解决煤矿井下压裂增透效果较差难以高效抽采瓦斯的问题,提出了煤矿井上下联合抽采瓦斯的模式,建立了基于地面井与井下钻孔抽采的方法;利用地面老井和井下钻孔通道,形成了一套长距离、多拐弯、大排量及可携砂的地面压裂井下对接技术。获得了水力压裂裂缝破裂扩展规律,给出了不同条件下煤层水力压裂裂缝形态,得到了压裂半径理论计算公式。提出了井上下联合地面井位置优选原则,给出了基于井上下联合的水力压裂设计方案。在寺河矿开展了井上下联合2个压裂孔的增透抽采试验,试验结果表明:1#压裂孔累积抽采量为50.31万m^(3),2#压裂孔的顺层考察孔2和顺层考察孔3抽采瓦斯纯量分别为238.35万m^(3)和129.29万m^(3),压裂孔及对比考察孔抽采效果分别提高6.34倍、43.8倍及31.37倍,压裂后平均抽采量比原始钻孔提高33.14倍,压裂后煤层具有较好的增透抽采效果。实现了井上下联合抽采瓦斯,对于同类型的矿井具有较好的指导价值。

山脚树煤矿矿井上下联合瓦斯治理技术研究

瓦斯对煤矿安全生产产生了巨大威胁,为了实现煤矿安全高效生产和资源的高效利用,结合贵州山脚树煤矿221015工作面的具体情况,采用井上下联合瓦斯治理技术,分析研究井上下联合瓦斯治理的效果。实践结果表明,地面钻井抽采瓦斯浓度可以稳定在90%以上,井下瓦斯抽采浓度平均可达30%,且地面钻井抽采可以提高井下抽采的效果,保障了山脚树煤矿的安全高效生产。

突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

我国煤层具有地应力大、渗透率低、瓦斯压力大、瓦斯含量高等特点,煤与瓦斯突出灾害严重。因此,需采取有效瓦斯治理措施,而单一井上瓦斯抽采技术容易出现抽采盲区,导致抽采效果不佳;单一井下瓦斯抽采技术工程量大、周期长,难以在短时间实现煤层消突。通过将井上与井下瓦斯抽采技术相互联合,实现井上下联合防突,是保障煤炭安全开采的关键技术之一。而在煤层群矿井中,需针对煤层间距离的远近采用不同的井上下联合防突模式,实现煤层群快速消突。对此,基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势,阐明了井上下联合防突“时空转换-优势互利”的内涵。井上地面井长时间、广覆盖抽采瓦斯实现煤层降突,换取井下作业空间,实现“时间换空间”;井下钻孔在井下作业空间内,精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突,缩短目标区域消突时间,实现“空间换时间”,提升煤层瓦斯治理效果。针对近距离煤层群层间采动影响大等特点,提出了近距离煤层群“孔群覆盖-协同抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群采动卸压范围小等特点,提出了远距离煤层群“强化增透-递进抽采”井上下联合防突典型模式,实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。自主研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术,并以沙曲一矿与朱集西矿作为近远距离煤层群矿井典型案例进行应用效果分析。应用效果表明:在近距离煤层群沙曲一矿中释放抽采达标煤量约80万t,高效抽采瓦斯量约420万m^(3)。远距离煤层群朱集西矿中井下钻孔工程量减少约60%,抽采达标时间缩短约40%。

井上下联合抽采技术在晋煤集团的应用

针对地面抽采很难实现抽采达标,井下抽采的抽采效率低、存在死角盲区等问题,提出井上下联合抽采的概念,在时间、空间上合理安排地面抽采和井下抽采,同时结合煤炭开采,采用L型井、U型井、径向井压裂揭煤和井上压裂井下长钻孔等已取得一定成效的井上下联合抽采技术,实现矿井安全生产、实现煤气共采。

近距离煤层群井上下联合防突模式及其效果动态评价

针对近距离煤层群缺乏系统有效井上下联合防突模式及动态评价方法的问题,以华晋焦煤沙曲一矿为工程背景,通过类似矿区突出信息统计分析得出其地应力-瓦斯潜能大、突出源分散、煤体强度及渗透性低的特点,采用理论分析,从多次采动应力叠加及高能卸压瓦斯运移两方面,揭示了煤层群叠加开采突出力能转移及启动机制,进而启发多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采的防突思路。采用系统分析及归纳演绎法优选集成了多煤层全时段的井上、下联合防突技术体系,即规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用地面井+被保护层定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大孔径钻孔抽采消突,松软低透煤层需增加可控冲击波、低压脉动水力致裂等疲劳损伤增透方法以强化消突效果,并通过现场试验确立其关键技术参数。同时,建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数,给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式,并确定各指标临界值。现场工程实践表明:①沙曲一矿井上下联合消突模式在规划时间内基本实现上部2号,3+4号煤层协同消突;②资源开采3阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%,整体动态转化率为70.5%,说明抽掘采衔接相对紧张,主要是准备区抽采防突效率低;③矿井优质煤炭产能释放量增加约80万t和煤层气产能提升420万m3。

补连塔煤矿井上下联合注浆防灭火技术

补连塔煤矿为神东煤炭集团所属现代化大型矿井,主要可采煤层均为厚煤层和易自燃煤层,以往受技术条件限制,采空区遗煤较多,特别是在近距离煤层群开采、浅埋深的条件下,矿井防灭火压力巨大。为防止采空区遗煤自燃,补连塔煤矿构建了一套以固定注浆站为主、移动注浆站为辅的井上下联合注浆体系;该体系适用于井田面积大、近距离煤层群开采的矿井,能很好的解决传统单一注浆模式下管路敷设距离长、管路易堵塞、浆液覆盖差的问题,同时极大的减少矿井防灭火成本。经过2012年至2017年的实践检验,该体系运行良好,累计完成32个采空区预防性注浆,防止了采空区遗煤自燃,取得了良好的效果,确保矿井安全生产。

中型断层导水通道的井上下联合注浆加固技术研究

通过对焦作矿区地质构造、充水水源和断层充水水害特征的分析,提出了中型断层导水通道井上下联合注浆加固的矿井水害防治技术,并实际应用于九里山矿和演马庄矿中型断层导水通道的防治水工作中.研究表明,井上下联合注浆加固技术对于减弱含水层的富水性并切断断层补给通道,增强巷道围岩及底板隔水层的强度,实现巷道不突水掘进,均具有十分重要的意义.

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中溶解性有机质变化特征

井上下联合处理工艺处理矿井水过程中,利用三维荧光光谱分析了矿井水中溶解性有机质的组成和变化特征。结果表明:不同处理工艺段对矿井水中DOM去除效果存在较大差异,采空区处理对矿井水中TOC和UV254的去除率分别达到67.453%和65.396%,深度处理可完全去除大分子有机物和芳香族化合物。三维荧光光谱显示,矿井水中表征出3类DOM,酪氨酸类芳香族蛋白质、色氨酸类芳香族蛋白质、溶解性微生物代谢产物。经过采空区处理后,3类有机质荧光强度都有较大降低,下降率分别为50.1%,54.4%和47.2%;深度处理使酪氨酸类有机质荧光峰消失,色氨酸类和溶解性微生物代谢产物荧光强度下降了75%左右。矿井水、采空区出水、常规处理出水中DOM主要为生物来源;膜过滤出水中残留的DOM主要源于陆生植物和土壤有机质;总体上,矿井水处理过程中来自生物或水生细菌的新近自生源组分比例逐渐增加。

井上下联合处理矿井水中污染物效果研究

为了去除矿井水中多种污染物,建立了“采空区＋常规处理＋深度处理”的井上下联合处理工艺组合.结果表明：受煤矿顶板含水层水岩作用,矿井水中Cl^-、SO4^2-和Fe 离子出现了超标现象,有的甚至达到Ⅴ类地下水标准;溶解性有机质含量较低,以大分子和芳香族化合物为主.采空区主要利用其顶板岩石破碎充填物吸附过滤矿井水中悬浮物,对Fe 离子和有机质也有一定的处理效果,Fe 离子去除率约20%,TOC 和UV254 的平均去除率分别为67.45%和65.40%.常规处理工艺对F-的去除率为11.90%-35.21%,铁锰离子则完全被去除;由于前端好氧沉淀池,硝酸盐和有机质含量略有升高,其中增加的有机质主要为溶解性微生物代谢产物.深度处理工艺对常规离子、硝酸盐、氟离子、有机质等有较好的去除效果,去除率均在95%以上.总体上,在采空区和常规处理工艺去除悬浮物和部分污染物的基础上,再利用深度处理工艺完成绝大部分污染物的去除,是-套比较有效的矿井水处理工艺组合.

晋城矿区井上下联合瓦斯抽采工艺及现场应用

为了实现寺河矿瓦斯的高效治理,本文提出了针对晋城矿区煤层瓦斯赋存特点的井上下联合抽采技术。开展了晋城矿区井上下联合瓦斯抽采技术的现状分析,并分析了煤层瓦斯的赋存特点,基于煤炭开发时空接替规律,将矿区划分为煤炭生产规划区、煤炭开拓准备区与煤炭生产区3个区间,在时间上体现为煤矿规划区实施地面井预抽、煤矿准备区实施井上下联合抽采、煤矿生产区实施井下瓦斯抽采。以寺河矿为背景开展现场实践,最终消除了煤与瓦斯突出危险性。

井上下联合抽采瓦斯技术浅析

井上下联合抽采瓦斯是一项煤矿瓦斯治理的新技术,具有减少煤矿瓦斯灾害和节约利用资源的优点。本文介绍了地面、煤矿井下以及井上下联合抽采瓦斯技术,对各种抽采瓦斯的方法进行了简要的论述。井上下联合抽采瓦斯的应用结果表明:采用地面压裂和井下联合抽采技术,克服了低渗煤层地面压裂效果差的缺陷,降低了抽采成本和瓦斯治理费用,为中小煤矿瓦斯抽采和区域治理提供了有效手段,同时释放了突出矿井产能。因此,具有一定的综合效益,是煤炭与煤层气开发的发展趋势。

井上下联合抽采瓦斯技术的研究及应用

井上下联合抽采瓦斯技术作为煤矿瓦斯治理中的一项新型技术,以其能够节约资源利用和减少煤矿瓦斯灾害等优点,近几年来被广泛应用于煤矿瓦斯治理中。应用结果表明,采用井上下联合抽采瓦斯技术,克服了以往低渗煤层中出现地面压裂效果差的缺陷,不仅为煤矿企业节省了瓦斯治理及抽采成本,同时也为中小型煤矿瓦斯抽采及治理提供了有效手段,因此井上下联合抽采瓦斯技术在煤矿瓦斯治理工作中具有一定的现实意义。

井上下联合压裂区域瓦斯治理模式及裂缝延展规律研究

为了优化适用于瓦斯区域治理的方式,提出了井上下联合压裂的瓦斯治理模式,应用应力-渗流-损伤耦合理论模型,通过数值模拟的方法模拟了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程,结果表明紧邻煤层顶板岩石的裂缝能够延展至煤层,且在顶板岩石的撕裂作用下,煤层内的裂缝能够快速延展,为下一步工程试验钻孔布置提供了理论依据。

成庄矿井上下立体递进式瓦斯抽采技术研究

为平衡高瓦斯矿井瓦斯抽采工程与煤矿采掘生产之间的关系,成庄矿形成了井上下立体递进式瓦斯抽采技术体系。在规划区,采用地面直井、U型井、定向井、卸压井等对煤体预抽5~15 a,降低煤层瓦斯含量至8~14 m^(3)/t;在准备区,在井下采用定向长钻孔区域递进式模块抽采+条带区域抽采+密集钻孔抽采技术,对煤层瓦斯进行递进式、持续性、大范围的预抽;在回采区及采空区,采用“高位定向长钻孔高体积分数小流量+低位采空区横川埋管低体积分数大流量”的抽采方法,改变采空区的风流方向及瓦斯分布状态,降低了上隅角的瓦斯体积分数。综合抽采治理后,成庄矿工作面风排瓦斯量降低到17.86 m^(3)/min,回风巷瓦斯体积分数保持在0.2%~0.4%,工作面上隅角瓦斯体积分数低于0.63%。

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。

低渗高突煤层体系化瓦斯治理关键技术研究

为了解决制约我国煤矿安全高效生产的低渗高突煤层瓦斯治理难题,针对低渗高突煤层瓦斯治理的特殊性和难点,提出低渗高突煤层体系化瓦斯治理概念及科学内涵,凝练出N2泡沫压裂储层改造、定向羽状多分支水平井开采、对接井水力运移卸压开采、条带式井上下联动卸压开采、区域递进式井上下联动抽采、井上下联动抽采系统优化、采掘活动卸压带瓦斯抽采、井下钻-割-压-冲-注一体化瓦斯治理8项关键技术。研究表明：体系化瓦斯治理是保障低渗高突煤层安全开采的一种有效模式,充分考虑和结合煤矿生产特点,根据规划区、准备区、生产区不同阶段任务安排,做好超前规划和有序衔接,是体系化瓦斯治理关键技术最终取得良好瓦斯治理效果的关键。

矿井综合物探技术在采煤工作面的研究与应用

为有效探明采面及上覆煤层的富水情况及地质异常,通过地面物探可从整体上控制区域不同煤层的小煤窑开采积水区和富水区域,井下物探可更有针对性地对比和探明富水异常区,提高构造探测的横、纵向分辨率,最终利用钻孔窥视进行验证,对工作面形成"闭合式"精细化物探,保证采面巷道的合理布置和工作面的安全回采。

瓦斯变废为宝——煤与瓦斯共采技术现状

瓦斯一直作为一种灾害存在于煤矿开采领域,随着能源结构的调整以及对瓦斯资源利用技术的发展,瓦斯已经从煤矿的一种灾害转变为重要资源,煤与瓦斯共采技术的出现是实现这一转变的重要支撑,同时也是煤矿开采领域重大的技术进步。煤与瓦斯共采的提出满足国家的重大需求,给出了煤与瓦斯共采技术的范畴,抛砖引玉的综述了目前较为先进的煤与瓦斯共采技术,促进煤与瓦斯共采技术的科学发展。

山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策

随着我国煤炭去产能政策的有力实施,一批资源枯竭及产能落后矿井将陆续关停废弃。废弃矿井仍赋存着大量的煤层气资源,其开发利用是实现煤炭产业清洁安全高效低碳发展、促进煤矿安全生产、优化能源结构、实现温室气体减排等方面的重要举措。基于山西省煤基重点科技攻关(煤层气产业链)项目相关研究,系统阐述了废弃矿井煤层气开发面临着资源量评价不准、钻进体系不健全、井上下联合缺失等关键问题。针对这些问题提出以下几点对策:废弃矿井精准地质探测是采空区地面钻井轨迹设计的重要依据,尤其是炮采等落后采煤工艺的废弃矿井,地球物理勘探精度应达到米级才能有效降低钻遇煤柱风险;优选废弃矿井煤层气地面“L”型钻井思路,即选采空区周边一定距离的保安煤柱作为L型井位,并配套特殊钻进工艺;煤矿企业应将废弃矿井资源开发利用纳入煤矿全生命周期规划,尤其是矿井废弃前应确保煤层气抽采通道畅通,以实现煤层气井“一井多用”的新型井上下联合开采模式,提高废弃矿井煤层气开发效率;采用防回火、各种传感器等装置,并对关键参数设置自动报警停机界限值,从而使废弃矿井煤层气地面开采工艺安全、高效;对不同浓度废弃矿井煤层气,需要采取相应的梯级利用模式,从而提高整体开发利用价值。以山西省废弃矿井为示范区,研究认识对推动全国煤矿区废弃矿井煤层气开发利用具有重要的指导和示范意义。