低透煤层瓦斯超前排放钻孔布置方式优化研究

目的为有效解决低透气性煤层瓦斯突出问题,有效消除阵列布孔方式带来的瓦斯排放盲区以及对角圆相切布孔方式造成的钻孔数量增加、重复排放等问题。方法通过理论分析,在超前排放钻孔有效排放半径一定的情况下提出阵列菱形法优化超前排放孔的布置方式(R为有效排放半径,煤层走向排放孔的间距为√3R),其钻孔数量约为对角圆相切法的3/4,重复排放面积减少至11%,减少了对角圆相切布孔方式的重复排放面积,减少了钻孔的数量。结果运用COMSOL Multiphysics对阵列菱形法布孔方式进行数值模拟运算,结果表明,阵列菱形法布孔方式排放20 d后,钻孔有效排放半径内整体瓦斯压力低于0.5 MPa,排放100 d后瓦斯压力低于0.30 MPa,卸压效果优于对角圆相切布孔方式的。将阵列法和对角圆相切法两种布孔方式排放100 d时钻孔周围的瓦斯压力分布情况与阵列菱形法布孔方式排放20 d时的分布情况交叉对比,发现阵列菱形法布孔方式卸压速率更快,卸压范围更广。结论提出阵列菱形法设计钻孔布孔方式,并运用COMSOL Multiphysics对3种钻孔布孔方式的卸压情况进行数值模拟运算,对比发现,阵列菱形法钻孔布孔方式比阵列法和对角圆相切法布孔方式更具优势,且在相同时间内卸压速率更快、卸压范围更广,对低透煤层预防瓦斯突出具有重要的意义。

松软低透煤层穿层钻孔诱突技术探索及工程实践

郑州矿区开采的二1煤层为松软、低透煤层,瓦斯治理难题一直未得到突破。为了探索此类问题,分析了煤层卸压增透机理和适用条件,提出钻孔内诱导煤与瓦斯突出卸压增透的技术构想,并实践了大孔径水力冲孔诱突技术措施。实践研究发现,采用水力冲孔诱突技术措施后,其平均单孔瓦斯抽采量是普通措施孔的3.4倍;工作面预测指标q和s值平均下降了47%和11%;钻孔诱突技术措施适用于煤层瓦斯含量大于9 m^(3)/t的区域,反之则不适用。

松软低透煤层卸压增透后封孔技术研究

为解决白坪煤矿二1煤层瓦斯抽放钻孔封孔难度大、瓦斯抽采浓度较低、衰减快、含有CO等问题,保证抽采质量,对矿井地质条件进行分析,计算底板穿层治理和本煤层巷道掘进对巷道煤体产生的破坏范围,结合生产时间和现场试验确定封孔位置和封孔长度;为解决注浆孔堵孔的问题,提出反压注浆法。现场实践证明,通过对注浆工艺的优化和反压注浆法的实施,单孔瓦斯初始浓度达到80%、主抽放管路瓦斯浓度达到30%。

多级破煤水力冲孔强化松软低透煤层瓦斯抽采技术研究

在松软低透煤层中应用水力冲孔强化瓦斯抽采时,经常出现堵孔、卡钻等现象。针对这一问题,提出多级破煤水力冲孔技术。在分析堵孔发生原因的基础上,研制了多级破煤系统装置：一级破煤装置对原始煤体进行初始破碎;二级破煤装置对包裹在钻头及钻杆周边的煤渣、煤泥进行破碎、清除;三级破煤装置对小块煤体再次研磨。基于淹没射流速度场分布特征,分析了二级破煤装置射流轴向流速衰减规律,确定了二级破煤装置与一级破煤装置的最佳距离。在此基础上研发了多级破煤水力冲孔工艺,并应用于鹤煤八矿-655轨道石门揭煤瓦斯预抽,应用结果表明采用多级破煤水力冲孔工艺能够实现排渣顺畅,避免堵孔等现象的发生,单孔出煤量为3-8吨,冲孔后瓦斯抽采浓度及抽采流量均提高了3~15倍,石门预抽达标时间缩短至三个月以内,为安全快速揭煤提供了良好基础。

基于高压射流割缝技术的单一低透煤层瓦斯治理

为解决单一低透煤层瓦斯治理技术难题，构建了基于高压射流割缝的单一低透煤层瓦斯治理技术体系，分析了不同高压射流割缝方式的增透机制和适用条件，确定了割缝的合理高度、深度和出煤量，提出了可破除“孤岛效应”的网络化布孔方式。现场应用了割缝预抽煤巷条带煤层瓦斯技术、割缝预抽回采区域煤层瓦斯技术和割缝预抽石门揭煤区域煤层瓦斯技术，单孔瓦斯抽采影响半径增大2．0～4．3倍，预抽钻孔数量减少36％一44％，取得了显著的瓦斯治理效果。

钻割抽一体化技术在高瓦斯松软低透煤层区消突中的应用

针对王行庄矿煤层高瓦斯松软低透气性的现状,选择了钻割抽一体化增透措施,介绍了钻割抽一体化增透机理,研究了钻割抽一体化技术在高瓦斯松软低透煤层区域抽放消突措施中的应用效果,研究表明,实施水射流钻割抽一体化技术,割缝钻孔平均每孔出煤量7t,平均扩孔倍数为8.51倍;抽采一个月之后,割缝钻孔的平均瓦斯抽采纯量约为未割缝钻孔的8倍,割缝钻孔瓦斯抽采浓度约为未割缝钻孔的3.7倍,有效地提高了单个钻孔的影响范围。

低透煤层水力压裂增透技术应用

为了提高低透高突煤层瓦斯抽采效率,达到快速消突的目的,提出了水力压裂优化技术,主要包括采用了大流量、高压力的水力压裂成套设备;优化了压裂钻孔的封孔技术;改进了水力压裂的施工工艺,将压裂过程中注水压力设计成逐渐升高过程,并对改进后的压裂技术进行增透效果考察。试验结果表明:通过对水力压裂进行优化后,压裂的影响半径可达60m;相同抽采条件下,瓦斯抽采纯量与增透前相比平均提高了2.2倍,与采用普通水力压裂相比平均提高了1.3倍;煤层透气性系数提高了6.0倍,达到了提高瓦斯抽采效率和快速消突的目的。

淮南矿区松软低透煤层煤层气开发利用技术与思考

为解决淮南矿区松软低透气性突出煤层群条件下煤层构造复杂、多源瓦斯涌出、抽采流量衰减快、岩巷与钻孔成本高、低(超低)浓度煤层气利用率低等制约煤层气资源高效开发难题,通过分析煤层群条件下保护层卸压井上下立体抽采煤层气开发模式,提出较为适用的、与淮南矿区煤层群开采条件下煤与煤层气协调开发模式配套的六大关键技术,即:地面水平分段压裂井煤层气抽采技术,煤层气抽采巷道盾构快速施工技术,井下松软煤层煤层气强化抽采技术,地面采动区井卸压煤层气抽采技术,“以孔代巷”施工技术,低浓度煤层气梯级利用技术。配套关键技术应用表明:形成的碎软煤层顶板水平井分段压裂工艺及精细化排采技术,有效提高煤层气预抽产量;煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机大幅提高巷道掘进效率,实现硬岩掘进自动化、少人化;井下水力压裂加砂、超高压水力割缝实现井下大区域卸压增透;Ⅲ、Ⅳ型地面采动区井在煤层群采动卸压瓦斯治理方面可以取代顶板高抽巷,且减少其他措施工程量,减小投入成本和工期;“以孔代巷”技术显著提升了复杂顶板中高位定向钻孔成功质量;低浓度煤层气梯级利用技术大幅减少了煤层气排放量;六大关键技术保障了淮南矿区安全生产,提高了煤、煤层气产量与煤层气利用水平。最后,针对地面水平井水力压裂煤储层改造技术作业成本高、产量低、范围小与采动井存在破断风险、超低浓度煤层气梯级利用规模小等问题,提出了深部煤层气精准地质导向、超大规模高效储层体积改造、抽采效果评价技术、采动区地面井稳定持续抽采技术、井下大面积智能水力化增透技术、“一井多用”协同抽采煤层气技术、全浓度煤层气综合利用技术的发展方向。

高瓦斯低透煤层综采面瓦斯治理技术

针对新元煤炭公司综采面生产过程中存在上隅角、回风巷和尾巷瓦斯浓度超限的问题,文章在对试验区域综采面瓦斯涌出特征进行分析的基础上,提出了采空区密闭横贯(超大径管路传输)抽放、尾巷倾斜大直径钻孔抽放和本煤层大直径顺层平行钻孔预抽的瓦斯综合治理技术。现场实践表明,该综合治理技术有效解决了瓦斯浓度超限难题,满足安全生产要求,并为其它矿井瓦斯治理提供新的技术手段。

构造应力对中硬低透煤层瓦斯渗流的影响

为了解构造应力作用下中硬低透煤层瓦斯渗流规律,根据云盖山煤矿煤层地质构造、围岩及煤层数据,利用三轴渗透仪模拟煤样在稳定围压下渗流速度与轴压的关系曲线,建立分段模拟方程。结果表明:云盖山煤矿构造煤赋存条件不利于瓦斯释放,但煤层顶部构造应力使煤体由弹性形变转变为塑性形变,提高了瓦斯渗流速度,有利于瓦斯散逸。滑动构造应力形成的煤层厚度变化,导致瓦斯渗流速度降低,煤层致密,不利于瓦斯释放。矿井主采煤层地质探测孔的煤层厚度、瓦斯量和压力数据验证了数学模型的准确性。该研究为矿井瓦斯涌出量预测提供了依据。

松软低透煤层超高压水力割缝技术应用及效果分析

鄂尔多斯盆地西缘煤层松软破碎,煤层透气性差,瓦斯含量高,该类煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。针对现有割缝钻具在现场施工中需要进行2次下钻作业、施工效率低等问题,研制出1套不需退钻超高压钻割一体化工艺,并在鄂尔多斯西缘突出煤层开展现场试验。现场试验得出,割缝钻孔平均单刀出煤量0.289 t,等效割缝半径达1.605 m;超高压水力割缝后,平均瓦斯抽采混合量1.456 m^(3)/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采混合量0.764 m^(3)/min的1.91倍;瓦斯抽采平均日纯量226.43 m^(3)/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m^(3)/min的4.4倍;抽采时间为40 d钻孔的抽采总量为83462.57 m^(3),抽采率达到35.71%,割缝后抽采效果显著。

松软低透煤层底板岩巷水力冲孔治理瓦斯技术研究

针对大多数开采单一松软低透煤层时瓦斯治理面临的困难,提出了松软低透煤层底板岩巷水力冲孔技术,阐述了该技术的原理,在偃龙煤田的二1煤层进行了现场应用,结果表明,从12041工作面上巷的实际抽放情况来看,瓦斯抽放浓度在15%～20%之间,工作面回风流的瓦斯平均浓度从0.6%降到0.3%左右,并消除了工作面在放顶煤过程中出现的瞬间瓦斯超限现象。

低透煤层液态CO_(2)压裂增透理论与成套技术

低透煤层液态CO_(2)压裂兼具裂隙改造和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是一项易于与其他技术联合使用,具有规模化应用潜力的增透技术。提出了低透煤层液态CO_(2)压裂增透理论体系及成套技术框架;依据应力叠加原理和最大拉应力准则,考虑压注过程液态CO_(2)相态变化和低黏强渗透性,建立了液态CO_(2)压裂起裂压力确定模型;以I型断裂准则为裂缝扩展判别条件,建立了恒定注液流量下压裂孔口压力与裂缝扩展距离之间的量化表征关系,阐明了注液压力、压裂液黏度、裂缝产状对裂缝扩展的影响规律。依此为基础,提出了决定液态CO_(2)压裂增透煤层成套装备性能的4个关键参数及其计算方法,研制了国内首套井下压裂增透成套装备,研发了压裂增透施工工艺,分别在淮南矿区、彬长矿区等进行了推广应用。

低透煤层水力压裂促进瓦斯抽采模拟与试验研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大、工作量大、效率低等问题,采用水力压裂技术促进煤层瓦斯抽采。在多场耦合和弹性损伤理论基础上,建立煤层损伤-应力-渗流耦合模型,数值模拟马堡煤矿15108工作面水力压裂及瓦斯抽采过程,分析煤层弹性模量、渗透率和瓦斯压力的变化规律,确定压裂和抽采关键参数,并据此开展工程试验,对模拟结果进行验证。结果表明:高能压裂液能使煤层破裂,渗透率急剧升高,加快瓦斯向抽采钻孔运移;随着压裂时间增加,压裂损伤范围逐渐扩大;模拟得出水力压裂10 000 s时,2个压裂孔间的损伤区在抽采孔处贯通,压裂损伤范围达14 m;现场压裂试验后,瓦斯抽采平均和最高纯量分别达到63.79和126.57 m3/d,是未压裂的9.65倍和7.23倍,透气性升高了67倍。

低透煤层采空区覆岩高位瓦斯富集区微震探测及应用

为了提高低透气性煤层采空区覆岩卸压瓦斯的抽采效果,采用微震监测技术,对工作面推进过程中采空区覆岩微震事件的演化过程进行了监测,进而分析了采空区覆岩的空间破裂特征,并依据微震监测分析得到的采动裂隙带位置及周期来压步距,设计了高位钻孔瓦斯抽采参数,检验了瓦斯抽采效果。结果表明:工作面回采期间周期来压步距在16 m左右,形成的采动裂隙带高度在50 m左右,据此设计的高位瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采量和抽采体积分数分别提升了100%和150%,表明微震监测技术可准确探测采空区覆岩高位瓦斯富集区的空间位置,为瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。

单一低透煤层水力冲孔卸压增透技术研究与应用

为提高复杂瓦斯地质条件下煤巷掘进速度,鹤煤六矿在2141底抽巷采取普通穿层钻孔与水力冲孔钻孔协同交替布置的网格化高效抽采技术,优化钻孔设计,确定最佳冲孔压力和煤量,并采取"两堵一注"封孔工艺,提高了瓦斯抽采效果,煤巷月均单进水平由18.6 m提高到67.0 m。结果表明,水力冲孔改变了煤体结构,煤层透气性明显增加,钻孔周围煤体充分卸压,真正消除了强突出煤层的突出危险性。

液态CO_2相变致裂增透技术在高瓦斯低透煤层的应用

针对平煤十三矿煤层的高瓦斯低透气性现状,为了提高矿井的瓦斯抽采量,采用了液态CO_2相变致裂技术进行强化抽采,试验研究了液态CO_2相变致裂技术在高瓦斯低透气性煤层中的增透机理和消突增透效果。通过对己15.17-11111运输巷底抽巷采取液态CO_2相变致裂技术,利用专门的液态CO_2相变致裂装置,在穿层钻孔中致裂爆破,可以使周围煤体产生裂隙,煤层透气性系数增大,试验结果表明:单孔瓦斯平均抽采体积分数是试验前的1.42倍,单孔瓦斯日平均抽采纯量是试验前的2.17倍,抽采衰减周期至少延长2倍以上,可有效提高煤层瓦斯预抽效果。

赵庄煤矿低透煤层水力冲孔瓦斯治理研究

针对山西晋煤集团赵庄煤矿煤层透气性低、底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采效率偏低难以满足预抽要求的情况,选择进行水力冲孔瓦斯增透试验研究。试验结果表明:水力冲孔后,钻孔最大出煤量16 t,平均每米段出煤量2.6 t,扩孔半径778 mm;最小的出煤量5.4 t,平均每米段出煤量为1.1 t,扩孔半径490 mm;经过64 d的瓦斯抽采后,冲孔钻孔较普通钻孔瓦斯抽采量提升了5~22倍,达到了卸压增透的目的。

大兴煤矿低透煤层水力压裂瓦斯抽采技术应用

为解决大兴煤矿煤层透气性差、瓦斯抽采效率不高难题,以大兴煤矿9号煤层为例,开展低透气性煤层水力压裂瓦斯抽采技术应用,分析煤层瓦斯赋存特点和水力压裂原理,进行了水力压裂工艺探索,完成了水力压裂包含的钻孔工艺、封孔工艺和压裂参数的设计,进行了现场应用并实现了瞬变电磁和出水点分析等技术实时监测,实施了压裂效果考察。结果显示,实施压裂的区域,压裂影响半径显著超过30m,抽采瓦斯浓度、流量均大幅提高。

低透煤层井下长钻孔水力压裂增透技术

针对我国低透气性煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的现状,提出了利用大直径长钻孔水力压裂对煤层进行增透的技术措施,探讨了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了煤矿井下煤层水力压裂瓦斯抽采试验。在成功施工顺层长钻孔的基础上,研发了一套适合井下水力压裂施工的快速封孔工具组合,分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了考察和评价。研究表明:该技术克服了传统井下水力压裂存在的封孔质量差、压裂影响范围小等问题,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了58 m,压裂后连续抽采130 d累计抽采纯瓦斯量为31.39万m^3,日最高抽采量2 668 m^3,瓦斯体积分数平均70.05%,百米钻孔瓦斯抽采纯量达到0.55 m^3/min。