导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用

针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题,提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布,分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展,揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制,研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用,结果表明:利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔,使得煤中产生形似圆柱孔洞,穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比,钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法,裂隙扩展明显,瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备,主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头,结合井下水力化作业远程监测和控制,现场监测结果表明,通过增透作业钻孔的方法,平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2.75倍和1.81倍,说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。

察哈素煤矿导向槽定向水力压裂增透技术研究

针对察哈素煤矿煤层透气性低、瓦斯抽采难度大的问题,提出应用预置导向槽的定向水力压裂技术提高煤层抽采效率的技术方法。利用COMSOL Mutiphysics模拟软件建立煤岩应力损伤渗透的水力压裂抽采耦合模型,分析导向槽作用下煤层弹性损伤模量的变化以及有效抽采半径,并在24130工作面进行了现场试验。数值模拟和现场试验效果表明,导向槽作用煤层所受的水平主压力大于垂直方向的主应力,率先在水平方向上发生岩层拉伸破裂,现场定向水力压裂作业后抽采钻孔的平均瓦斯浓度为42.4%,平均瓦斯纯量为0.0098 m^(3)/min,有效抽采半径为3.6 m,与数值模拟结果大致吻合。

深埋厚硬顶板工作面长水平孔定向水力压裂区域卸压技术

针对深埋厚硬顶板工作面回采过程中周期来压持续距离长、超前支承压力集中系数高、动压显现强烈等问题,以羊场湾煤矿130208工作面为研究对象,依据关键层理论确定了目标压裂层位,基于Hubbert-Willsi非渗透性地层破裂压力计算公式得到理论起裂压力,选用了1.2 m^(3)/h大流量高压泵和能实现远距定向的千米定向钻机作为压裂装备,采用长水平孔定向水力压裂技术手段进行了区域卸压。结果表明,该技术卸压范围大,工作面进入压裂区域后周期来压步距明显减小、超前支承压力影响范围减小、应力集中系数降低、动载系数明显减小,来压期间支架增阻明显减小,指数函数增阻曲线比例明显减少,验证了长水平孔定向水力压裂技术效果良好,具有推广应用价值。

深埋坚硬复合顶板定向水力压裂卸压技术研究

针对赵庄煤矿深埋坚硬复合顶板难垮落的问题,以1311工作面为研究对象,通过对围岩应力影响因素进行综合分析研究,提出了定向水力压裂卸压技术弱化围岩,并进行现场应用。现场应用结果显示,定向水力压裂卸压技术能有效弱化坚硬复合顶板,降低了巷道围岩应力集中程度,卸压效果良好。

坚硬顶板定向水力压裂技术合理参数研究

为了解决坚硬顶板难垮问题,利用Comsol数值模拟软件对定向水力压裂不同参数对压裂效果的影响进行了分析研究。研究发现定向钻孔压裂裂缝扩展大致呈现S型对称的趋势,最大应力峰值为11.5 MPa。同时随着压裂液黏度的不断增加,裂缝的张开度及裂缝内部流速呈现逐步增大的趋势,但增大的趋势逐步减弱,研究可为后续水力压裂施工参数的设定提供一定的参考。

平朔井工一矿定向水力压裂顶板减小煤柱应力技术研究

随着开采深度增加,平朔井工一矿19110工作面,矿压显现逐步加剧。采用定向水力压裂顶板技术开展井工一矿减小煤柱应力技术研究。结果表明:最大起裂压力达28MPa,采用水力压裂技术治理砂岩坚硬顶板有效;压裂区域不同深度的应力曲线均表现出应力稳定的趋势,未压裂区域不同深度的应力曲线受到邻面回采扰动的影响,应力出现缓慢上升趋势,水力压裂后,有效的提高了临空煤柱的稳定性,对巷道矿压显现有较好的改善效果。

定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用

为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区,扩大压裂影响范围,提高卸压增透效果,在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上,提出定向水力压裂技术,分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律,并利用RFPA2D-Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程,对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己15-31010工作面进行了现场应用,得出在27 MPa的水压下,单孔压裂有效影响半径达6 m;单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%,平均流量上升了382%,取得了显著的效果,具有良好的推广应用价值。

波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术

介绍了波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术现场生产工艺、技术原理及技术经济效果；该技术在我国具有良好的推广应用前景。

含瓦斯煤体定向水力压裂裂隙导控的数值分析

根据裂隙产生及扩展机理,总结出轴向楔形槽导控、环形楔形槽导控及控制孔导控3种裂隙导控方法.为对比分析3种导控方法的效果,以真实煤层为研究对象,运用数值试验方法,对常规(非定向)压裂、轴向楔形槽导控压裂、环形楔形槽导控压裂及控制孔导控压裂进行了数值模拟;通过声发射及剪应力分布,研究了4种压裂方式下压裂过程中裂隙扩展动态特征,分析了4种压裂方式的微裂压力及破裂压力.结果表明,3种导控方法均可起到控制裂隙发展方向的作用,且有效降低了水力压裂的微裂压力和破裂压力,3种导控方法中以轴向楔形槽导控为最优.研究结果为指导煤(岩)体定向水力压裂提供了参考.

煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验

针对煤柱留巷支护问题,提出一种控制坚硬厚顶板煤柱留巷变形的新方法——定向水力压裂留巷卸压技术,旨在转移护巷煤柱上的高采动应力,改善留巷的应力状态,并提出定向水力压裂煤柱留巷卸压机理。以余吾煤业公司S1206煤柱留巷瓦排巷为研究对象,确定了定向水力压裂钻孔方案、钻孔布置参数及施工工艺。压裂结果显示,横向切槽机械钻头可以在预定位置预制开槽;21~28 m分段压裂时间占总压裂时间48%,是整个钻孔的压裂关键位置;采用间接方法判断裂隙的扩展范围20 m左右。对压裂段和非压裂段进行了表面位移、煤柱垂直应力、工作面超前支承压力、压裂段煤柱上方三向应力等监测。监测结果表明:压裂段两帮收缩量降低30.5%,顶底板移近量降低50.2%;超前压力的影响距离不超过50 m,距离工作面超过15 m左右时,出现应力峰值;超前工作面10 m左右范围内出现塑性破坏;采动影响最显著的作用来自垂直应力;采空区造成应力扰动方向与最大相对主应力方向一致。监测与评估表明卸压效果明显。压裂及卸压结果表明,采用定向水力压裂留巷卸压技术可以消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应,达到留巷的目的。

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明:(1)KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2)采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3)随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4)在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5)岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。

架间定向水力压裂提高含夹矸巨厚煤层冒放性研究

为改善含厚硬夹矸难冒顶煤的冒放性,以芦子沟煤矿合层开采的巨厚煤层作为工程研究背景,基于弹性力学理论研究硬厚夹矸层的力学结构,得出了厚硬夹矸层"短悬臂梁"结构发生拉断失稳和剪切破断失稳条件下的判据公式,作为确定架间定向水力压裂致裂夹矸层分段切槽的依据。同时结合KZ54型开槽钻钻头特征,将夹矸层分段致裂长度定为0.8 m。研究结果表明:水力压裂水压曲线波动变化不大,表明裂缝持续向前扩展;致裂后煤矸块度减小,顶煤体顺利放出;3107工作面上端头顶煤致裂后支架工作阻力增加;架间定向水力压裂技术有利于改善顶煤冒放性。

凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究

针对超前深孔预裂爆破弱化方式处理煤矿坚硬难垮顶板存在的问题，采用定向水力压裂技术在风凰山煤矿XV4306和XV5302两个工作面进行井下试验。根据现场围岩地质力学特征，确定工作面两次压裂方案；通过现场施工，优化施工工艺；工作面回采后通过监测支架受力，得出预压裂工作面顶板初次来压步距在26～27m之间，水力压裂控制顶板效果良好，为该技术的推广应用提供了依据。

低透气性煤层定向水力压裂增透技术

针对常规压裂易造成煤体卸压盲区、煤层整体卸压增透效果不理想等存在的问题,采用理论分析、数值模拟与现场实验相结合的方法,分析定向水力压裂作用机理,探讨了定向孔布置、压裂孔密封、煤体最小起裂压力等工艺技术与参数,对比分析定向与非定向压裂的裂隙扩展与贯通规律,验证了定向孔的导向、控制和卸压作用.现场对比试验发现,定向压裂后煤层瓦斯平均抽采浓度和平均抽采纯量分别是普通压裂孔的2.2倍和2.12倍.研究结果表明:定向水力压裂增透效果明显,具有良好的推广应用价值.

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。

定向水力压裂技术在晋城矿区坚硬顶板中的应用

针对晋城矿区15#煤顶板致密坚硬、强度高,不能随工作面回采及时垮落的问题,以15#煤坚硬K2石灰岩顶板为研究对象,运用定向水力压裂技术致裂顶板,通过理论分析、数值模拟与现场实践,结果表明:水力压裂裂纹扩展方向趋向于垂直最小主应力方向;定向水力压裂后,工作面顶板初次垮落步距与周期来压步距有所减小,且来压强度低,与爆破法相比,有明显改善;工作面巷道两帮移近量与顶底板移近量控制在安全使用范围之内,与爆破法相比,变形量有较大幅度减小;工作面上隅角顶板悬顶面积大大减小,解决了瓦斯积聚带来的安全隐患。

定向水力压裂弱化坚硬顶板技术研究

晋煤集团寺河矿二号井15#煤层坚硬K2灰岩顶板难以垮落,易造成回风巷上隅角悬顶面积过大引起瓦斯超限安全隐患。为解决上述问题,以151305工作面为试验对象,通过地质围岩测试等技术手段确定了定向水力压裂试验方案。

煤矿砂岩横向切槽真三轴定向水力压裂试验

为揭示煤矿基本顶细砂岩定向水力压裂裂缝起裂、扩展规律,在煤矿井下原位获取并加工成300 mm×300 mm×300 mm大尺寸细砂岩,在试样正中布置直径26 mm的压裂孔,采用专用切槽钻头垂直钻孔轴向预制长12 mm的三维楔形横槽,开展大型真三轴定向水力压裂试验与高能工业CT扫描,研究了原生层理方向与水平应力差大小对水力裂缝起裂压力、扩展形态、水压-时间曲线、压裂体积的影响规律,并引入定向偏转距概念(预制切槽处裂缝沿其方向定向扩展不发生偏转的距离)来表征定向压裂效果。试验结果表明:预制横向切槽可驱使其附近裂缝沿着切槽定向起裂、扩展,裂缝形态分为单一横切型和复杂“H”型;水压-时间曲线根据裂纹扩展阶段的不同,分为平缓式波动型和断崖式跌落型。水平应力差对切槽处的裂缝定向偏转距影响程度大于层理方向。高水平应力差作用下切槽尖端应力集中程度更高,穿越层理面能力更强,裂缝从切槽尖端起裂后与层理交汇后不发生偏转,切槽定向效果较好;而低水平应力差作用下裂缝扩展时遇到层理易发生转向,切槽定向效果差。高水平应力差作用下裂缝定向偏转距为低水平应力差作用下的10倍,前者切槽可定向裂缝扩展至试样边界,后者切槽仅可控制其附近裂缝扩展方向,之后逐渐偏转至与最大水平主应力方向平行。层理平行切槽时,裂缝平均起裂压力、压裂体积是垂直切槽时的1.7倍;高水平应力差作用下裂缝平均起裂压力、压裂体积是低水平应力差作用下的1.3倍。层理效应在低水平应力差作用下明显,当切槽与层理方向一致时,切槽附近层理最易被激活并沿切槽定向扩展,裂缝宽度与形态复杂多样,反之,较难被激活,裂缝形态单一;而高水平应力差作用下不同方向的层理均能被激活,裂缝扩展充分,形成形态复杂多样的缝网。

岩石定向水力压裂导控的数值分析

水力压裂是改变岩体结构的一种人为手段,为控制压裂裂隙的扩展方向,需要研究定向水力压裂导控技术。根据裂隙产生及扩展机理,通过水力压裂力学分析,总结出轴向楔形槽导控、环形楔形槽导控及控制孔导控3种定向水力压裂导控方法。为对比分析3种导控方法的效果,运用数值模拟试验方法,对常规(非定向)压裂、轴向楔形槽导控压裂、环形楔形槽导控压裂及控制孔导控压裂进行了数值模拟,通过声发射及剪应力分布研究了4种压裂方式下压裂过程中裂隙扩展动态特征,对比分析了4种压裂方式的微裂压力及破裂压力。结果表明:3种导控方法均可起到控制裂隙发展方向的作用,且有效降低了水力压裂的微裂压力和破裂压力,3种导控方法中以轴向楔形槽导控为最优。

煤矿难垮顶板定向水力压裂导控的数值试验

针对煤矿难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,结合某一难垮顶板的工作面,采用RFPA2D-Flow数值软件,模拟了楔形槽导控压裂方式下难垮顶板的动态损伤破坏发展过程,揭示了楔形槽导控压裂导控机理,分析了顶板岩体的应力分布、变形破坏特征。