高瓦斯中硬煤层超高压水力割缝卸压增透技术及应用

为了提高高瓦斯中硬煤层卸压增透及瓦斯抽采效果,研究了顺层长钻孔超高压水力割缝技术,分析了其卸压增透机理,开展了超高压水力割缝现场试验,确定了等效割缝半径和有效瓦斯抽采半径,考察了超高压水力割缝技术的应用效果。研究结果表明:超高压水力割缝技术具有切割速度快、切割半径大等特点,相当于在钻孔周围煤体开采极薄保护层,平均单刀割缝时间9 min,单刀出煤量0.32~0.42 t,等效割缝半径为1.55~1.78 m;超高压水力割缝组单孔平均抽采浓度76.5%,单孔平均抽采纯量为0.089 m^(3)/min,分别是普通钻孔的4.58倍和4.05倍,是水力冲孔的1.2倍和1.43倍,可见该技术可以大幅度提高卸压增透及瓦斯抽采效果。

低透气性突出煤层群首采层水力割缝卸压抽采技术研究

针对中近距离松软低透气性突出煤层群抽采防突难题,以皖北矿区任楼煤矿突出煤层群瓦斯地质条件为工程背景,在对松软煤层水力割缝卸压增透机制、首采层割缝工艺参数等研究的基础上,提出了首采层煤巷条带水力割缝卸压增透、煤层群瓦斯联合抽采的综合治理技术,优化了钻孔布置方式,并进行了工程应用。结果表明:割缝实施后钻孔的瓦斯抽采浓度、单孔日均抽采纯量分别是常规钻孔的4.27倍、3.94倍,煤层透气性提高了22~31倍,首采层72号煤层割缝后的防突有效半径可提高至5 m以上,检验抽采半径5 m处的瓦斯含量指标为4.13 m 3/t,在有效解决首采层煤巷条带瓦斯灾害的同时,钻孔工程量降低了2/3以上。

基于钻冲压协调作业的煤层卸压增透技术

为了解决鹤壁矿区瓦斯抽采钻孔影响范围小、衰减速度快,瓦斯灾害治理难度大,治理周期长等问题,提出了冲压协调作业的工艺流程,形成了以自动钻机群打钻-临时封孔预抽-预抽后冲压联合作业的钻冲压协调作业技术模式,并在鹤煤六矿进行工业性试验。现场应用结果表明:该技术模式充分发挥了自动钻机连续打钻、快速作业、减员提效的优势,实现了瓦斯抽采钻孔施工作业、水力化冲压协调增透作业的专业化、连续化、规模化,使底板岩巷内施工穿层钻孔治理瓦斯的施工工效在同等地质条件下提高48%;同时,利用自动钻机施工抽采钻孔完成后,对其进行临时封孔抽采,使钻孔内的游离态瓦斯经过抽采后大幅减少,大大降低了水力化措施施工期间巷道瓦斯超限事故发生的频率,有效保障了施工的安全;试验钻孔平均瓦斯体积分数是常规水力冲压措施的1.31倍,试验单元钻孔平均日抽采纯量是常规水力冲压措施的1.79倍。

穿层钻孔水力冲孔增透与有效抽采半径综合测试方法研究

为确定长平煤业3#煤层穿层钻孔水力冲孔(以下简称“穿层冲孔”)有效抽采半径,采用压降法、示踪气体法及数值模拟法相结合的综合研究方法,基于相同的钻孔布置方式及测试环境,全面分析穿层钻孔有效抽采半径的科学性和合理性,并开展工程试验对不同间距穿层钻孔的抽采效果进行对比考察。结果表明:采用穿层冲孔措施,抽采时间180 d时其有效抽采半径达到3.5 m;钻孔间距7.0 m的抽采瓦斯总量分别是钻孔间距5.0、6.0、8.0 m的1.10、1.07、1.28倍,取得了较好的工程实践效果。该综合研究方法准确、可靠。

低渗煤层瓦斯抽采顺层钻孔水力造穴卸压增透效果研究

为了揭示水力造穴参数对钻孔瓦斯抽采效果的影响规律,指导煤层水力造穴增透技术施工参数的合理选择。建立了煤层损伤-应力-渗流耦合模型,分析了不同造穴参数下煤层卸压增透效果,展开了顺层钻孔水力造穴现场工程试验,考察了不同造穴参数下钻孔瓦斯抽采效果,结果表明:采用水力造穴技术形成的孔穴能够有效降低其周围煤体应力,提高煤层渗透率,增加瓦斯钻孔抽采效果;造穴半径越大煤层的卸压程度越大,进而煤层渗透率增幅就越大,但在实际工程中过大的造穴半径会使得孔穴稳定性差,钻孔塌孔堵塞瓦斯涌出通道会使得钻孔瓦斯抽采量有所降低,试验矿井最优造穴半径为0.6 m;造穴间距对它们之间的应力降低区范围有着较大的影响,在一定距离条件下孔穴卸压有着明显的叠加效应,造穴间距越近叠加效应越明显,煤层应力越小,卸压增透效果越好。试验钻孔穴间距由8 m减小到6 m时,单孔平均瓦斯抽采纯量增加389.16%。

超高压水射流割压联合技术试验分析

对比水力开缝与水力压裂卸压增透技术的优劣,提出水力割缝与水力压裂技术联合应用,以达到卸压增透煤层的方法。分析联合卸压增透技术的原理和方法,并实地进行测试。试验结果表明,穿层钻孔实施后采用割压联合卸压增透技术,透气性增透范围沿煤层走向可达55.4~57.1 m,沿煤层倾向可达52.3~58.6 m;煤层透气性系数比原有煤体高26倍,煤层透气性显著改善;穿层钻孔瓦斯平均抽采浓度34.9%,抽采平稳,明显高于一般抽采钻孔;瓦斯抽采纯量平均0.037 5 m^(3)/min,比一般钻孔高3.47倍;用同样的钻孔布置方式,可减少55%的抽采达标时间和31.8%的总时间投入,从而为割压联合卸压增透技术的应用提供理论依据。

鹤煤三矿41采区煤层增透与瓦斯抽采技术研究

针对鹤煤三矿穿层钻孔施工采用传统打钻技术存在的打钻工程量繁重、钻孔布置密集度较高、瓦斯抽采效率较低等缺点,深入分析煤层赋存条件,研究优化抽采工艺与全程筛管固孔的方法,确定穿层钻孔布置形式,通过底抽巷穿层钻孔实施水力冲孔的方式,实现瓦斯灾害的快速治理。实践表明,相同条件下实施穿层钻孔水力冲孔技术,能大幅度提高单孔瓦斯抽采浓度,煤层瓦斯能够得到充分释放,促使煤层裂隙数目与透气性显著增加,有效改变了初始瓦斯分布状况,消除了新建工作面煤层应力集中现象,达到防治瓦斯突出的目的。

桑树坪二号井3号煤层底板穿层钻孔水力扩孔技术应用

桑树坪二号井深部四采区3号煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大、地应力高、透气性差、煤体松软、突出危险性严重、常规穿层钻孔抽采煤层瓦斯难度大,效率低等技术痛点亟待解决。通过高压水射流钻扩一体化卸压增透工艺技术对比试验得出,扩出煤屑率分别为0.75%、2.35%时,钻孔直径扩大了3倍、8倍,百米钻孔瓦斯流量提高了1.3倍、3倍,瓦斯浓度提高了1.5倍、1.8倍,抽采效率提高了28%以上。排出大量煤屑后,煤层暴露面积和煤层卸压范围增加,可抽采性显著改善,瓦斯抽采效果明显提高,是实现矿井瓦斯高效抽采,纾缓采掘抽紧张关系的重要技术路径。

水力压裂增透工艺及瓦斯综合治理效果考察研究

针对某矿703综采工作面瓦斯涌出问题,在工作面回采前先对工作面进行顺层孔致裂卸压增透,再施工工作面顺层抽采钻孔治理本煤层瓦斯涌出。结果表明,未压裂区域煤层原始瓦斯含量为6.68 m^(3)/t,压裂区域煤层瓦斯含量约为3.59 m^(3)/t;未压裂区域煤层原始瓦斯压力为0.4 MPa,压裂区域煤层瓦斯压力约为0.14 MPa;未压裂区域煤层透气性系数为0.0073 m^(2)/(MPa^(2)·d^(-1)),压裂区域煤层透气性系数为0.0242 m^(2)/(MPa^(2)·d^(-1)),与未压裂区域相比,压裂区域的瓦斯抽采浓度和抽采纯量都有大幅度的提高;703工作面采取措施前,回采工作面相对瓦斯涌出量16.6 m^(3)/t,绝对瓦斯涌出量84.01 m^(3)/min;而703工作面采用综合瓦斯治理措施情况下,回采工作面相对瓦斯涌出量13.29 m^(3)/t,绝对瓦斯涌出量60.28 m^(3)/min,且上隅角瓦斯浓度回采期间基本下降到1%以下。

高压水力割缝抽采技术研究

平顶山矿区具有煤层开采难度大、煤体透气性低下、瓦斯压力大的特点。为实现矿井煤层增透、优化瓦斯抽采工艺、高效防治煤与瓦斯突出,使用COMSOL多物理学数值模拟和现场试验对高压水力割缝抽采参数进行研究。模拟结果表明,水力割缝后最佳抽采负压为-30 kPa,最佳钻孔布置间距在6~8 m。通过现场试验得出,7 m间距割裂孔抽采127 d瓦斯压力下降到0.74 MPa以下,抽采150 d瓦斯压力下降为0.61 MPa,抽采150 d残余瓦斯含量下降为5.43 m^(3)/t,达到最佳消突效果,7 m为割裂孔布置的最佳间距。

深部开采煤层水力割缝卸压增透与促抽瓦斯技术研究

为了提高深部开采高瓦斯煤层渗透性,实现储层冲击地压的有效防控和瓦斯高效抽采。根据高压水射流对煤体的切割破坏效应,提出深部开采煤层水力割缝卸压增透与促抽瓦斯技术,研发高压水射流水力割缝工艺技术及装备,并在陕西彬长矿业公司孟村煤矿4号煤层401102工作面回风巷开展现场工业试验。在验证工艺技术及装备可靠性的基础上,重点考察煤层卸压增透及促抽瓦斯工艺效果。结果表明:工业试验区域煤层在50 MPa高压水射流切割作用下,煤层渗透性提高30%,相应地降低冲击地压发生频次;与煤层瓦斯原始抽采区域相比,水力割缝后煤层瓦斯抽采量由最初水锁效应下的低效抽采阶段(为期5 d)转为高效抽采阶段(为期20 d),瓦斯抽采平均浓度和纯量提高2倍以上;试验区域煤层抽采3个月后,煤层吨煤瓦斯含量由原始的3.87 m^(3)/t降低至0.84 m^(3)/t,抽采达标时间明显缩短。

水力冲孔增透技术在提高煤层瓦斯抽采效率方面的应用

为解决突出煤层低透气性导致的瓦斯抽采达标时间长的问题,以山西某矿2号煤层煤巷掘进工作面的超前瓦斯预抽为工程背景,采用水力冲孔增透技术对前方煤体瓦斯进行强化抽采。结果表明,采取水力冲孔增透技术钻孔的瓦斯抽采浓度明显高于普通钻孔,平均单孔抽采纯量均保持在普通钻孔的3倍以上;煤巷掘进期间的钻孔瓦斯解吸指标K_1值明显小于未实施水力冲孔措施的指标,水力冲孔增透技术能有效提高煤层透气性,从而大大提高煤层瓦斯抽采效率。

基于物质点法的深部煤层气水力割缝卸压解吸增透规律数值模拟研究

深部煤层气储层具有渗透率低、储层压力大和地应力高等特点,导致煤层气解吸、运移困难,开采效率低。定向井+水力割缝是一种强化深部煤层气开采的新思路,但有必要对其卸压解吸增渗效果开展量化研究。数值仿真是研究该问题的主要手段,但传统有限元、离散元等数值方法无法有效解决煤岩割缝引起的大变形、大位移、内边界持续变化和接触的复杂问题。为克服上述难题,基于物质点法建立了弹塑性损伤数值模型,模拟了水力割缝缝槽对临兴深部煤层气卸压解吸和增透的影响,得到:(1)基于物质点法建立的弹塑性损伤数值模型能有效计算水力割缝缝槽引起煤层大变形、大位移和内边界接触问题;(2)垂直于割缝方向呈现大范围应力下降,应力骤降区的范围和塑性区域的范围重合,应力缓慢下降区则对应弹性小变形区域;(3)卸压解吸气和增渗区域分布特征与应力下降区分布特征一致,在弹性区和塑性区渗透率分别为原始渗透率的1~5倍和10~20倍,单个割缝促使煤层气解吸气量达数百至上千方;(4)割缝宽度、长度、角度和增透区域面积以及解吸气量基本呈线性相关,割缝宽度影响最大,其次是割缝长度,割缝角度影响最小。通过上述研究成果,在定向井+水力割缝基础之上提出了平行水平井错位多割缝卸压解吸增透技术,为深部煤层气的高效开发提供了新思路和研究手段。

水力冲孔物理模拟试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统和旋转高压水冲孔物理模拟试验装置,开展不同冲孔转速下的水力冲孔物理模拟试验,对水力冲孔过程中的冲出煤量,冲孔后的孔洞形态及抽采过程中气体压力、流量等参数的动态演化规律进行探讨。结果表明:水力冲孔后的孔洞尺寸较大,横截面仍近似呈圆形,表面出现大小不一的槽缝,同时随着冲孔转速的提高,冲出煤量和冲孔后的孔洞等效半径整体呈增加趋势;水力冲孔后的瓦斯抽采与冲孔前相比,相同位置测点的气体压力下降速度更快,气体流量更大,卸压增透效果明显。

隧道揭煤水力割缝卸压增透技术数值模拟研究及应用

隧道穿越突出煤层相较于煤矿井工开采,具有开挖断面大、施工作业人员密集、工期压力大等特点,发生煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧甚至爆炸的危害程度也更高。本文采用理论分析结合数值模拟的方法对隧道穿越突出煤层过程中应力-渗流演化规律进行了研究,同时对比采用水力割缝措施和未采用防突措施情况下煤体抽采效果,并在四川攀大高速宝鼎2号隧道开展现场试验。数值模拟和现场试验结果表明,采用水力割缝技术措施后,割缝钻孔的单孔有效抽采距离是普通钻孔的4.75倍,割缝钻孔瓦斯抽采纯流量是普通钻孔的4倍;煤层的瓦斯含量W值和钻屑解吸指标K1值均降低至临界值以下,有效地起到防治煤与瓦斯突出的作用。

低透气突出煤层水力割缝协同卸压增透技术

针对单一水力割缝对于低透气性厚煤层或存在夹矸煤层的增透卸压效果不理想的问题,以冀中能源有限公司东庞煤矿21212工作面为研究背景,提出了上下煤层水力割缝协同卸压增透技术:根据煤层具体构造,在上下煤层各自进行一次水力割缝施工,上下煤层的2个槽缝产生的裂缝继续起裂、扩展与延伸,致使水力割缝孔之间的煤体裂隙充分发育,形成互相贯通的立体裂隙网络,产生协同卸压增透作用,扩大有效抽采半径。为更加合理布置水力割缝试验孔间距,采用FLAC 3D软件建立了水力割缝协同卸压物理模型,确定了水力割缝水压为30 MPa、出煤量为4.5 m^(3)(缝宽为0.3 m,缝深为1.57 m,上下煤层双割缝)和出煤量为6 m^(3)(缝宽为0.3 m,缝深为1.78 m,上下煤层双割缝)的煤岩的理论有效抽采半径分别为4.5 m和4.8 m。为确定水力割缝的增透效果,对比了出煤量为4.5 m^(3)的试验孔S1和出煤量为6 m^(3)的试验孔S2与不割缝钻孔的抽采效果,结果表明:不割缝钻孔的平均瓦斯抽采体积分数为22.38%,平均瓦斯抽采纯量为0.206 m^(3)/min;割缝钻孔S1的平均瓦斯抽采体积分数为75.73%,平均瓦斯抽采纯量为0.382 m^(3)/min;割缝钻孔S2的平均瓦斯抽采体积分数为86.91%,平均瓦斯抽采纯量为0.4549 m^(3)/min。与不割缝钻孔相比,采用水力割缝增透措施后,煤层透气性得到很大提高,瓦斯抽采体积分数提高了约4倍,瓦斯抽采纯量提高了2倍左右,瓦斯抽采效果好。根据瓦斯压力降低法实测有效抽采半径,可得出煤量为4.5,6 m^(3)的水力割缝的有效抽采半径与抽采时间的关系,抽采时间为30,60,120,180 d时,出煤量为4.5 m^(3)的水力割缝的有效抽采半径为4.9,5.5,6.1,6.5 m,出煤量为6 m^(3)的水力割缝的有效抽采半径为5.1,5.6,6.3,6.7 m。综合考虑,最后得到了适合东庞煤矿的水力割缝技术施工参数:出煤量为4.5 m^(3),抽采时间为60 d,有效抽采半径为5.5 m,钻孔间距为7.7 m。

低透突出煤层深孔水力致裂增透与浅孔抽采联合消突技术应用

为提高低透突出煤层的瓦斯抽采效果,在薛湖煤矿2303风巷进行了深孔水力致裂与潜孔抽采联合消突技术的试验应用。首先结合现场实际情况,从注水压力、钻孔布置和现场施工等方面研究了施工技术工艺,然后从应力分布、瓦斯解吸速度、钻屑瓦斯解吸指标、瓦斯抽采浓度等方面考察了水力致裂增透效果和联合消突技术的消突效果。应用表明,深孔水力致裂增透与浅孔抽采联合消突技术,工作面前方支承压力、瓦斯解吸速度、钻屑瓦斯解吸指标均大幅降低,瓦斯抽采浓度明显提高,抽采效果明显,为同类矿井的防突工作提供了可借鉴的技术和经验。

电脉冲水力压裂煤体机理及裂缝效果评价

为了研究高压电脉冲水压致裂煤体的机理和作用,在高压电脉冲水压致裂理论的基础上进行了3 MPa静水压力、不同放电电压条件下煤样的压裂试验。通过压力传感器记录了煤样孔底脉冲水压力的变化情况,然后利用超声波探伤仪和CT扫描技术进行了试验前后煤样宏、微观裂纹的分布、发育情况的观测。结果显示:水中高压脉冲放电产生的峰值压力远大于3 MPa静水压力,最大峰值压力能达到27 MPa(9 k V电压);通过超声波检测发现在钻孔周围一定范围内有新生宏观裂纹产生,越靠近中心钻孔位置,首波声时差越大,新生裂纹数量越多、裂纹宽度越大;CT扫描结果也证明在钻孔周围存在着长短不一,宽度不等,形态各异的新生微观裂纹。试验结果表明,高压电脉冲水压压裂煤体技术可行,致裂效果良好。

穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究

为提高张集矿1煤层瓦斯抽采效果,解决低透气性厚煤层瓦斯抽采率低、瓦斯涌出量大的难题,矿井采用超高压水力割缝卸压增透技术在1415A底抽巷进行了试验应用。通过对割缝钻孔和未割缝钻孔的等效直径、钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、瓦斯含量下降率等分析表明,采用超高压水力割缝术后,钻孔内煤体的暴露面积大大增加,为瓦斯释放提供了有利空间,同时使煤体充分卸压,改善煤层透气性,大幅度提高瓦斯抽采率,减少了抽采达标时间,解决了厚煤层采掘工作面瓦斯治理的难题。研究为矿区类似条件厚煤层的瓦斯高效治理提供了技术指导。

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。