井下高压水射流切割煤层增透效果数值模拟

针对井下高压水射流切割煤层增透技术,利用FLAC^(3D)数值模拟软件,建立三维有限元模型,对不同煤体结构(软煤、硬煤)、切割深度和切割环数等因素的卸压增透效果进行数值模拟分析。模拟结果表明:在水力切割相同半径下,软煤的卸压范围约为硬煤的1.8倍,变形量约为硬煤的2.6倍;水力切割半径由0.5 m增至1 m时,煤体中应力降低为90%的区域和煤体变形量分别提高到1.56倍和1.66倍;相邻切割缝槽之间出现了交互影响,钻孔的卸压范围和煤体变形量显著增大,水力切割区域煤体呈现整体卸压状态。将数值模拟的卸压范围与理论公式计算结果进行了对比,二者之间的误差为0.46%~9.84%,表明采用数值模拟技术研究水力切割增透效果是可靠的。

煤层水力冲孔增透效果影响因素的研究

基于渗流机理,建立了球型径向渗流模型,采用COMSOL软件模拟了冲孔半径、初始瓦斯压力、抽放时间、布孔方式等因素对水力冲孔瓦斯卸压效果的影响。在土城矿进行了现场试验,取得了与模拟结果的一致性。

注水压力对低透气性煤层水力压裂增透效果影响研究

对于低透气性煤层瓦斯瓦斯抽采难度加大问题,采用了水力压裂对煤层进行增透,与此同时,水力压裂中注水压力是一个控制压裂效果的关键参数之一。采用数值模拟方研究平煤十二矿己15-31040工作面煤巷条带区域注水压力煤层水力压裂效果的影响。从模拟结果可以看出,随着注水压力的增加,压裂影响半径亦随之增大。当注水压力增大到一定范围,注水压力的增大对压裂增透效果的影响意义不大。将数值模拟结果应用于现场实际工程中,在压裂施工中,未发生压裂事故,而且巷道顶板保持完好。压裂后本煤层瓦斯衰减系数原始区域减小了13.3倍,透气性系数比原始区域增大了21.2倍,而且与之同时,煤层进行水力压裂后,瓦斯抽采浓度和纯量大幅度提升,单孔抽采浓度和纯量为未压裂区域的2.94倍及13.5倍,压裂增透效果明显。

水力压裂增透效果综合物探检验技术研究

为检验煤矿瓦斯治理工程中水力压裂增透影响范围,采用电磁波CT法、矿井瞬变电磁法及矿井高密度电法等3种物探方法,分别在水力压裂前后对工作面穿层钻孔压裂区进行探测试验,研究了各物探方法对水力压裂的地球物理响应特征,并验证其有效性。研究结果表明:压裂钻孔周围煤岩层的电性参数在注水压裂后发生了明显变化,电磁波CT法表现为在压裂钻孔位置5～15 m内的围岩场强衰减增大,瞬变电磁法表现为在压裂钻孔附近约20 m范围的视电阻率降低约1. 5～2. 0倍,矿井高密度电法表现为相对低阻区由压裂钻孔侧向探测巷道方向延展的特征。瓦斯抽采及回采揭露情况与试验结果基本相符。

不同埋深条件下二氧化碳致裂爆破技术增透效果试验研究

根据断裂力学理论,分析了爆破压力、地应力对液态二氧化碳致裂爆破裂纹扩展和增透效果的影响。基于理论分析结果,在黑龙江兴山煤矿17#煤层开展试验研究。试验结果表明,17#煤层在埋藏深度为330m条件下,在泄放压力为150MPa或200MPa、爆破口间距为1180mm或2180mm时,增透效果相近,爆破口间距为3180 mm时,无论二氧化碳致裂爆破泄放压力为150MPa或200 MPa,增透效果均较差;埋藏深度为792m条件下,二氧化碳致裂爆破泄放压力200MPa、爆破口间距1180mm时的增透效果最好。

弱透气性煤层受岩石下保护层开采影响卸压增透效果研究

针对平煤股份十矿大埋深弱透气性煤层下保护层开采工程,采用岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,研究了被保护层变形规律、应力演化过程、卸压保护范围及瓦斯抽采效果。结果表明,随着保护层工作面的推进,其上覆煤岩体同时发生拉伸应力和剪应力破坏,被保护层大量的裂隙扩展发育,孔隙率大幅提高;随着保护层的开采,被保护层呈现出压缩和膨胀的变化规律,位于保护层采空区中部上方的被保护层变形最大,变形膨胀率最大,因此有利于煤层的卸压增透和瓦斯的抽放;岩石下保护层开采后对被保护煤层沿倾斜方向预计保护范围卸压角为78°。工业试验显示:在己_(15-16)-24130岩石下保护层开采后,上覆己_(15-16)煤层变形膨胀率在0.62%～1.54%,己_(17)煤层变形膨胀率在1.71%～3.67%;在预计保护范围线位置测定的煤层最大综合残余瓦斯压力为0.42 MPa,最大残余瓦斯含量为4.210 7 m^3/t。证明预计保护范围是可靠的,为平煤十矿下保护层开采区域瓦斯治理技术的推广应用提供了可靠的依据。

煤岩水力压裂后裂缝形态及增透效果实验研究

以圆柱型原煤试件为研究对象开展水力压裂以及渗流实验研究,研究结果表明:原煤水力压裂过程中裂缝扩展方向由层理方向以及应力差共同决定,并且压裂后煤样的渗透率与有效应力之间依然存在着负指数函数关系.此外,在没有形成贯穿裂缝的前提下,原煤水力压裂前后渗透率的增幅与水压裂缝和煤体层理面间的夹角直接相关.

矿用导爆索深孔预裂爆破增透效果应用研究

阳煤集团高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井主要分布在沁水煤田。目前所采各煤层瓦斯含量在14.75~21.73 m^3/t之间,煤层透气性系数为0.000375 md,属本煤层难抽放煤体。阳煤集团新景公司试验用导爆索深孔爆破技术增加煤体透气性后再进行抽采瓦斯,效果明显,为煤体增透提供了新的技术途径。

气相压裂技术在低渗煤层中的增透效果

石油、煤炭、天然气是当今世界上最主要的三大化石燃料,它们对人类的发展有着至关重要的作用。2011年,中国燃煤的开采占了世界煤炭产量的将近一半,成为世界上煤炭产量最大的国家。本文介绍了针对低渗煤层的增透强抽新型二氧化碳气相压裂技术,通过分析表明,气相压裂技术能提高煤层透气性,降低煤层瓦斯压力和含量,提高低渗透煤层瓦斯抽采效率。

顺层钻孔机械扩孔增透效果研究

为研究掘进工作面顺层钻孔机械扩孔的卸压增透效果,以扩孔后的抽采有效影响半径为考察指标,借助COMSOL模拟软件,动态分析机械扩孔后的瓦斯流场,拟合得出扩孔有效影响半径与抽采时间的关系曲线;通过理论分析和多次循环试验,类比同等工况条件下水力造穴钻孔的预抽效果,定量探讨两种施工工艺条件下消突效率的差异。研究得出:机械扩孔钻孔平均抽采浓度为水力造穴钻孔的0.75倍,抽采纯量为后者的1.35倍,循环累计抽采量为水力造穴工艺的1.64倍,增透效果极为显著。

极远距离下保护层增透效果研究与应用

本文通过对保安煤矿极远距离下保护层15号煤层开采后被保护层3号煤层的变形规律的相似模拟,对保护范围进行分析,结合现场实际测定3号煤层3101风巷、机巷的底板下沉量与3101尾巷的瓦斯涌出量,经过系统的数据分析对比,综合研究与分析保护及增透效果,为加强抽采的进行提供可靠依据。

气相压裂在21301工作面顺层预抽孔的增透效果分析

利用气相压裂工艺对阳煤集团二矿21301回采工作面的预抽煤层进行增透作业.通过对比分析,压裂前后单组平均纯瓦斯流量增加了2.38倍,单孔平均纯瓦斯流量提高了2.6倍,且煤层透气性系数提高了10倍左右.气相压裂工艺技术强化增透作用明显,提高瓦斯抽采效率,保证了21301工作面实现安全、高效回采,并对类似条件工作面瓦斯治理工作有借鉴作用.

水力冲孔注水压力对煤层增透效果的影响研究

针对低透气性煤层瓦斯抽采难度大及效率低等问题,采用了水力冲孔技术对瓦斯进行抽采。在多物理场及损伤力学的基础上,建立了煤层损伤-渗流耦合方程,利用COMSOL Multiphysics软件数值模拟了平煤十二矿己15号煤层17220工作面水力冲孔对煤层增透效果的影响,得出了当单孔冲孔煤量一定时,瓦斯抽采有效半径随着注水压力的增加而逐渐增大,但是当注水压力增大到一定程度时,抽采有效半径增加幅度值随着注水压力增大而减小,同时确定了该煤层的注水压力及钻孔方式,并开展了工程试验,结果表明:煤层经过水力冲孔后,瓦斯平均抽采浓度和抽采纯量分别为60%和0.087m3·min-1,分别是未进行冲孔的2.07倍和2.9倍,透气性提高了13.5倍,而且残存瓦斯含量下降到防突标准以下,消突效果明显。

可控冲击波煤层增透与注气驱替瓦斯治理

针对杜儿坪矿北三8号煤层透气性及煤层瓦斯的渗流速度低的问题,在杜儿坪煤矿北一胶带机大巷后部实施可控冲击波技术与注气驱替联合抽采技术。该技术主要利用气体的驱动作用和置换作用,促进瓦斯的解吸扩散,提高瓦斯采收速率。通过可控冲击波对煤层增透以后,可显著改善煤层渗透性能,注入高压气体提高了煤层能量,加快了煤层瓦斯的渗流速度,进一步促进瓦斯的解吸扩散,缩短了瓦斯采收时间,有利于矿山瓦斯治理。提前完成对目标区域的瓦斯抽采,能保证矿井抽采达标及正常生产接续,进一步降低生产成本,保障矿井生产安全,为杜儿坪煤矿的瓦斯治理探寻新的技术途径。

煤层复合射孔增透技术研究

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出复合射孔爆破增透技术。基于弹性力学和断裂力学理论,分别建立复合射孔爆燃气体压裂裂纹的起裂强度因子和裂纹二次扩展半径方程,研究复合射孔爆破增透技术的煤岩裂隙增扩机制;采用FLAC3D有限差分模拟软件分析煤层爆破钻孔内不同长度的裂缝对爆破致裂增透效果的影响,并开展工业试验对比井下复合射孔爆破和常规深孔预裂爆破效果,运用SF6示踪气体研究煤层透气性的变化特征,确定预裂后煤层瓦斯抽采半径。结果表明:复合射孔爆破后煤层透气性与常规深孔预裂爆破相比有显著提高,有效半径可达5m;数值模拟和现场试验结果均证明,采用复合射孔爆破增透煤层能够有效增加煤层透气性,提高抽采率。

预掘底板岩巷卸压增透方法

针对难抽采煤层,提出了预掘底板岩巷卸压增透方法,理论分析了底板岩巷卸压影响范围一般为巷道半径r的2~6倍。现场考察了曲江煤矿702底板岩巷围岩位移量最大为38 mm,钻孔瓦斯流量、煤层透气性系数分别为原始煤层的11.1倍、43.2倍,实践表明曲江煤矿702底板岩巷布置在待掘煤巷正下方8~10 m处增透效果显著。

较硬厚煤层穿层钻孔机械扩冲一体化卸压增透技术实践

为解决鹤煤公司北部煤田煤体较硬、单一水力冲孔卸压增透效果差的问题,应用机械扩孔技术原理,以鹤煤九矿3103工作面底抽巷为工程背景,进行了现场试验、技术改进。通过机械扩冲一体化卸压增透技术的应用,抽采钻孔在单孔冲孔煤量、初始浓度、钻孔浓度衰减等主要技术指标上取得理想数值,达到了卸压增透预期目标。

采煤工作面顺层钻孔分段水力压裂增渗试验

低透气性突出煤层顺层钻孔预抽回采工作面瓦斯具有工程量大,抽采效率低等特点,为此,采用顺煤层分段水力压裂实现煤储层增透。寺家庄矿15#煤层属于低透气性突出煤层,在15301工作面开展了顺煤层分段水力压裂强化抽采试验,利用自主研发的拖动式双封隔器分段封孔装备及工艺,满足压裂孔稳定、快速封隔,可实现全孔段分三段及以上逐级开展压裂。对比压裂区和非压裂顺层钻孔瓦斯抽采效果,压裂区平均浓度为35.1%,非压裂区为6.0%,压裂区浓度是非压裂区的5.9倍;压裂区百孔纯量为3.6 m3/min,非压裂区为0.3 m3/min,压裂区百孔纯量是非压裂区的11.2倍。

变流量缝网压裂技术在松软煤层中的研究与应用

水力压裂是提高煤层瓦斯抽采效率的常用增透措施之一,在常规水力压裂的基础上,根据松软煤层缝网压裂的机理及力学原理,推导出了含天然裂隙的松软煤层产生缝网,需施工裂缝内的净压力大于煤储层水平应力之间的差值,同时对裂缝进行模拟,得出变流量注入可以提高裂缝内净压力,形成缝网结构,并在平煤十二矿己15-31040采面进行水力压裂现场试验。试验结果表明:采用变流量缝网压裂水力压裂保压压力、累计注水量等相关参数以及单孔瓦斯抽采浓度、纯量均高于原始煤层及稳定流量常规压裂,说明变流量缝网压裂增透效果明显较好,该方法可以作为水力压裂增透技术借鉴的一种方法。

液态CO_(2)压裂煤岩增透及裂缝形成机制研究

我国煤层渗透率低、瓦斯压力高、含量大,原始煤层瓦斯抽采困难。为提高煤层瓦斯抽采率、缩短预抽时间,必须实施人工增透。而众多压裂增透技术中,液态CO2压裂具有压裂增透和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是当前低渗透煤层压裂改造方法的一个研究热点。由于压裂增透的效果与煤层孔裂隙发育程度密切相关,而煤层复杂多变的地质赋存条件和钻孔压注参数均对煤层裂缝的形成和扩展产生显著影响。因此掌握液态CO2压裂过程中裂缝形成和扩展规律,研究复杂裂缝形成机制,分析影响裂缝扩展的主要因素,对于液态CO2压裂增透技术的有效实施,提高瓦斯抽采效率具有重要的科学意义和工程应用价值。本文综合运用理论分析、实验研究、数值模拟和现场试验等手段,围绕煤岩体液态CO2压裂过程中裂缝的起裂和扩展机制及其影响因素、压裂后煤层中气体运移、压裂增透效果等方面的内容进行了系统地研究。取得的主要研究成果如下:(1)系统地分析了煤层中水力压裂和液态CO2压裂裂缝起裂差异。相比水力压裂,液态CO2由于其低黏和强渗透性,其在煤层钻孔周围产生的孔隙压力和周向应力显著降低了煤层的起裂压力;对于增压速率对起裂压力的影响,通过引入特征长度理论,建立了考虑增压速率基于点应力破裂准则的起裂压力模型,对其进行归一化运算确定了起裂压力的上下限。(2)以Ⅰ型裂缝断裂准则为裂缝扩展判别条件,将牛顿流体本构方程、压裂流体运移控制方程联立,建立了恒定压注流量下的扁椭圆体裂缝扩展模型,获得了沿裂缝长度的压力分布;推导了液态CO2压裂与水力压裂裂缝扩展距离的定量表征关系,为压裂钻孔的布置提供了理论依据。该模型揭示了煤岩体内裂隙的扩展受其断裂韧性(XIC)、地层压力(σ1,σ2)、注液压力(p0)、压裂液黏度(μ)、裂缝产状(b)等的综合影响;且裂缝扩展距离随着压裂流体黏性的增大而减小,随着压裂裂缝宽度的增加而增大;裂缝宽度对裂缝扩展距离的影响比压裂液黏性的影响更显著。(3)开展了真三轴应力条件下清水和液态CO2垂直钻孔压裂,探讨了压裂液类型、水平应力差、注液流量等对煤岩起裂压力和裂缝扩展的影响规律,验证了起裂压力模型。发现相比清水压裂,液态CO2压裂产生较多的次生裂缝,激活更多的原生裂隙,形成更为复杂的裂缝网络,液态CO2压裂裂缝扩展受水平主应力影响较小,而受原生裂隙的影响较大。(4)构建了液态CO2压裂前后煤层双组分气体运移数值模型,采用相变点热源耦合实际状态方程动态计算物性参数模拟松散煤体内液态CO2相变,通过与室内实验和现场试验的对比,验证了所采用模型和模拟方法的有效性。模拟结果表明:在距离液态CO2压裂钻孔1.0~1.25 m的半径范围为低温圈,此范围内煤层由于冷冲击作用,抗拉强度下降,有利于煤层起裂;CO2的扩散范围和煤层CH4置换半径随时间的变化符合指数函数y=Aeβt+y0。(5)基于煤层液态CO2起裂压力模型和相似模拟实验,综合考虑淮南矿区煤层赋存,确定了液态CO2压裂增透工艺关键参数,研发了国内首套井下高压(30 MPa)液态CO2压裂增透煤岩成套装备;基于裂缝扩展模型,优化了压注孔与考察孔的布置间距,进行了井下上向穿层钻孔的液态CO2压裂增透煤层现场试验,对理论计算模型和压裂增透效果进行了工程验证。