水力化防治煤与瓦斯突出技术研究现状

我国是容易发生煤与瓦斯突出事故的国家之一。近年来,一些学者尝试利用物理模型模拟煤与瓦斯突出现象,研究其发生机理。但由于煤与瓦斯突出灾害具有复杂性、不可再现性等特征,煤与瓦斯突出机理研究仍处于假说阶段。为了有效降低煤与瓦斯突出事故的危险性,煤与瓦斯突出防治技术应运而生,并且取得显著成果,煤与瓦斯突出事故发生概率大大降低。在煤与瓦斯突出防治技术中,水力化防治技术被广泛应用。本文旨在简要阐述煤与瓦斯突出的主流假说,分析水力化防治技术的作用原理,探讨水力化防治技术研究现状,并提出目前技术存在的问题以及未来发展趋势。

煤岩水力化技术研究进展

自工业革命以来,煤层气作为非常规油气资源,已经成为我国战略性接替能源备受关注。煤层水力化技术不断趋于成熟,其中包括传统水力压裂技术、水力吞吐技术、喷射压裂技术、水力压冲技术等。本文综述水力化技术,以期为不同矿区选择效果最优的煤层水力化技术提供理论支撑。

水力化煤层增透技术研究进展及发展趋势

增加煤层透气性是解决低透气性煤层瓦斯抽采难题的关键。煤岩体结构改造是煤层增透的核心问题,水力化煤层增透技术是煤岩体结构改造的有效途径。基于前期研究及文献调研,回顾了水射流和水力压裂技术的发展历程,综述了国内水力化煤层增透技术的研究进展。分析了理论研究和工程应用中存在的问题,指出增透机理尚未客观揭示、单项增透技术存在局限性、配套装备(特别是安全保障系统)不完善、效果考察体系不健全等因素制约了技术的推广。对总体发展趋势进行了展望,认为水力化煤层增透技术正朝着集成化、多元化和智能化的方向发展,加强理论研究、尽快完善装备、发展定向压裂等综合增透新技术、建立增透效果考察体系等方面是未来主要研究方向。

煤体水力化措施综合消突作用研究

为了研究水力化措施的综合消突作用,在综合分析水力化措施作用效应的基础上,将水力化措施归结为致裂类和掏槽类,结合煤与瓦斯突出综合作用假说,分别从水力化措施对煤体卸压效应、瓦斯内能以及煤的物理力学性质3个方面的影响进行了分析。结果表明:水力化措施能够降低一定范围内煤体的载荷应力;煤体吸附瓦斯受到环境气体压力的变化和水分的竞争吸附影响,发生了降压解吸和置换解吸,水分置换了59.14%的吸附瓦斯,降低了瓦斯内能;采取水力措施后煤体水分增加,弹性模量能够降低58.69%,塑性指数增大4.3倍以上,降低了煤体弹性能。水力化措施能够降低煤体承载应力、瓦斯内能和煤体弹性能,对煤层消突具有综合作用。为进一步提高水力化措施综合消突效果,提出执行水力化措施时,应考虑在注入的水中加入活性剂,增强煤体的湿润效果,致裂类措施还应采取卸压孔来消除裂缝尖端应力集中效应。

新型钻扩一体水力化防突集成技术

为了有效预防煤与瓦斯突出，根据掘进工作面主要防突措施的优缺点、防治煤与瓦斯突出的技术原理及水力化局部防突措施的机理，提出了新型钻扩一体水力化集成技术，研究了该集成技术的基本原理、成套设备和集成工艺，采用该技术进行扩孔后：孔洞直径变为扩孔前的4～8倍；单孔瓦斯浓度是扩孔前的6～500倍；最大百米钻孔瓦斯流量为扩孔前的7倍多。结果表明：新型钻扩一体水力化集成技术可有效增加煤体的可塑性，降低煤体内部的应力集中，提高煤体的透气性，促进瓦斯的释放，增强防止煤和瓦斯突出的能力。

水力化高效防突集成技术研究与应用

针对我国高瓦斯矿区煤层低透气性、可压密性和易流变性,以及深部矿井煤与瓦斯突出应力主导作用加强的特征,为了快速地消除煤层突出危险性,提出了水力化高效防突集成技术;以淮南矿区石门揭煤消突为例,介绍了该集成技术的技术原理、组成、工艺及装备,指出了其适用条件和效果评价体系和应用前景。

高地压强突煤层高中低压水力化增透技术试验研究

穿层钻孔条带预抽煤层瓦斯抽采效果差,消突时间长,预抽效率低,严重制约了矿井采掘接替,为提高穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突效果,淮南矿业集团丁集矿先后进行了高压、中压、低压水力化煤层增透抽采瓦斯技术试验研究,通过不断摸索总结,取得了显著效果,实现了抽采最大化,并积累了丰富的水力化煤层增透经验。水力化煤层增透技术对高地压强突煤层预抽瓦斯效果显著,为提高瓦斯预抽消突工作提供了行之有效的方法。

复合水力化措施在霍尔辛赫煤业的应用

针对霍尔辛赫煤业瓦斯含量高、煤层透气性低、不具备保护层开采条件等问题,选择在西回风大巷和8～#联络巷试验复合水力化卸压增透措施,阐述了复合水力化措施的工艺流程及泄压增透机理。研究表明,采取复合水力化卸压措施后,抽采浓度、日抽采纯量及纯瓦斯抽采流量得到有效提高,同时,在采取复合水力化卸压增透措施后,在巷道掘进过程中,效检指标钻屑瓦斯解析指标K,和钻屑量S的超标率明显降低,提高了巷道的掘进速度,有效缓解了工作面接替紧张的局面。

顺层钻孔分段复合水力化增透技术应用研究

水力化增透技术是低渗煤层瓦斯强化抽采的重要手段,在分析水力割缝技术高压水喷射作用及水力压裂技术高压水压入作用特点的基础上,以增大钻孔卸压范围、联通孔周裂隙网络、提高瓦斯抽采效果为目的,提出顺层钻孔分段复合水力化增透技术,并在霍尔辛赫煤矿进行了现场试验。结果表明:在实施顺层钻孔分段复合水力化增透技术后,钻孔孔径提高3~4倍,卸压范围显著增大;单孔日抽采瓦斯纯量较对比钻孔提升幅度明显,抽采初期提高3~4倍;单孔抽采出现大幅度衰减迹象由10 d提高到20 d,抽采30 d单孔累积抽量提高4~6倍;抽采30 d单孔瓦斯抽采率提高3~5倍,增大了钻孔抽采有效控制范围。

复合水力化增透技术在低渗突出煤层瓦斯抽采中的应用

为增加低渗突出煤层的透气性,提高煤层瓦斯抽采率,提出"钻扩一体化+水力压裂"复合水力化增透技术。介绍了该技术的原理及工艺系统组成等,并在重庆南川宏能煤矿进行了工程试验。试验结果表明,与采用单一"水力压裂"和单一"钻扩一体化"水力化技术的钻孔相比,采用复合水力化增透技术的钻孔,其瓦斯抽采纯量较前二者分别提高了3.37倍和2.80倍,瓦斯抽采体积分数分别提高了3.35倍和2.64倍。

水力化增透技术在碎软煤层瓦斯抽采中的应用研究

为了解决新疆地区碎软突出煤层透气性差、瓦斯抽采难度大的问题,将多种水力化增透措施应用于碎软突出煤层瓦斯抽采中。通过在新疆艾维尔沟矿区4号煤层开展了高压水力割缝和水力压裂试验,并从抽采浓度、纯流量、衰减及工期等方面做了比较分析。研究表明:水力割缝和水力压裂后抽采浓度和抽采纯流量均呈现出先升高、后衰减、最后平稳的形态;单孔平均浓度与普通密集抽采孔相比分别提高了7.7和5.7倍,单孔平均纯流量分别提高了3.4和2.1倍;返排期后,抽采纯流量呈指数函数规律快速衰减,且前者明显比后者衰减快。采取水力化增透措施后,钻孔工程量大幅减少、总工期大幅缩短。

水力化技术防治煤与瓦斯突出研究现状及展望

煤层卸压增透是防治煤与瓦斯突出的有效手段,煤岩体结构改造是煤层卸压增透的核心问题,水力化技术是防治煤与瓦斯突出的有效手段。基于煤与瓦斯突出综合假说分析了水力化防突措施的技术原理,简要介绍了我国应用广泛的单项水力化卸压增透技术,指出复合水力化防治煤与瓦斯突出防治措施是水力化防突技术措施发展方向,重点介绍了"钻-冲-割"耦合卸压防突措施、压-钻-冲一体化综合防突措施、基于水力压裂的超声波增透防突等综合措施,为水力化技术防治煤与瓦斯突出指出了新思路;对总体发展趋势进行了展望,认为深部煤岩体复合动力灾害一体化防治、智能化水力卸压增透技术及装备研发等方面是未来主要研究方向。

综合水力化增透措施在豫西“三软”煤层的工程应用探讨

针对豫西"三软"煤层水力冲孔增透后瓦斯抽放浓度及流量衰减快的问题,采用水力压裂、水力扩孔综合增透措施,通过瓦斯涌出量、作用半径、抽采量对比,研究了综合水力化措施的应用效果。结果表明,综合水力化措施能有效解决防突、增加煤层透气性及煤层瓦斯涌出量,水力压裂半径达到20.0～25.0m,水力扩孔影响半径达到6m以上;水力扩孔后钻孔抽采浓度较普通钻孔增加4～7倍,流量衰减延长3～5倍。

水力化消突技术措施分析

本文根据作用机理,将水力化措施分为掏槽类和致裂类,分析水力化措施对瓦斯的解析作用,包括置换解吸和降压解吸,综合探讨消突作用。

地面高压酸化水力压裂消除坚硬覆岩悬顶结构的技术

为解决常村煤矿21采区煤柱工作面受厚层坚硬顶板、煤柱两侧大面积采空、不规则煤柱等因素影响,冲击危险性较大的问题。采用地面高压酸化水力压裂技术,人为降低坚硬顶板结构的完整性,确保采空区顶板充分冒落,缩小顶板悬臂长度,消除上覆巨厚砾岩岩层蓄能积聚,减小应力传递,降低顶板突然断裂造成的严重冲击地压风险,确保采区下山煤柱安全回收。

基于OpenFOAM的高温熔融锡液水力碎化数值模拟研究

为揭示高温熔融锡液与水相互作用过程中的碎化机理,基于开源软件包OpenFOAM®-v1806下的求解器icoReactingMultiphaseInterFoam模拟熔融锡液入水后的水力碎化过程,分析瑞利–泰勒不稳定性、开尔文–亥姆霍兹不稳定性及界面剪切力对熔融锡液柱碎化过程作用过程,探究水力碎化对液柱直径及液柱入水初速度对碎化剧烈程度的影响。研究表明液柱碎化剧烈程度、液柱单位时间内入水深度与液柱直径成反比,液柱入水后碎化剧烈程度、锡凝固速度与液柱入水时初速度成正比。

雄安新区深部地热储层水力喷射酸化压裂技术

地热作为清洁低碳的可再生能源,对促进实现“双碳”目标具有重要意义.我国深部碳酸盐岩地热资源丰富,但是由于岩体基质渗透率极低,亟需采取高效的储层改造技术建立导流通道才能有效开发.水力喷射酸化压裂工艺是一种集喷砂射孔、水力封隔、酸液刻蚀、多段多簇为一体的增产改造技术,可实现定点沟通地质甜点、一趟管柱体积造缝,对碳酸盐岩热储层具有良好的适用性.首次开展了雄安新区容城地热田水力喷射酸化压裂碳酸盐岩深部地热储层现场试验,通过优化喷嘴结构、优选耐腐蚀管柱材料、针对性设计泵注程序、模拟裂缝扩展形态,研发了能够满足深部碳酸盐岩热储的水力喷射酸压工具和配套工艺,采用“交替泵注交联段塞-胶凝酸”的方式,进一步促进酸液刻蚀远端裂缝,充分沟通天然缝洞,促进水力裂缝与天然裂缝沟通、相交、融汇,从而达到扩大造缝总体积、提高裂缝导流能力的储层高效改造目的.本次现场酸压试验入井总液量为492.65 m^(3),其中压裂液为396.76 m^(3),胶凝酸为95.89 m^(3).试验结果表明:酸压后较酸压前单位涌水量从0.024 m^(3)/(h·m)提高到0.288 m^(3)/(h·m),增产12倍,井口水温增加了10℃,增产效果明显;水力喷射酸压工具耐高温、耐高压、耐磨损、耐腐蚀,节约成本,降低作业风险.研究成果可为深部地热储层增产改造提供技术借鉴与思路.

下向穿层钻孔综合水力化防突技术研究

针对近距离、低透气性、极松软突出煤层群区域防突难题,提出了下向穿层钻孔综合水力化防突技术。理论分析了下向穿层钻孔综合水力化防突技术防突机理。模拟了注水润湿前后不同孔径钻孔周围煤体应力分布规律。结果表明:水力冲煤孔径增加,钻孔卸压范围增加;相同孔径,注水软化同时增加卸压范围;增加水力冲煤孔径的卸压效果优于注水软化的卸压效果;卸压影响范围与水力冲煤半径负倒数存在指数函数关系。根据技术原理,研发了下向穿层钻孔综合水力化技术工艺,建立了技术防突效果指标考核体系。该技术在青东煤矿得到成功应用,为该条件下区域防突提供新的技术途径。

基于水力化措施的“钻-割-压-卸-注”瓦斯治理工艺

在系统分析各种水力化措施作用机理及应用效果的基础上,按照"水"对煤层瓦斯作用机理和效果的不同,将水力化措施分为2大类("封堵"瓦斯;"排放"瓦斯);围绕这一分类,以煤层注水、水力割缝、水力压裂为代表,深入研究了3种水力化措施在煤层瓦斯治理中的作用机理及应用效果,分析了各种措施的优点及存在的问题。提出了基于区域瓦斯治理的以"前期长钻孔径向导控,深割缝侧向引导,大流量压裂增透,游离瓦斯快速高效抽采;后期中低压注水,煤体整体均匀湿润,抑制残余瓦斯"为核心的"钻-割-压-卸-注"水力化集成技术工艺。

汽膜对熔滴水力学碎化影响的数值模拟

在熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中,熔滴的水力学碎化对于后续是否产生蒸汽爆炸以及爆炸的强弱程度有着重要影响。传统的熔滴水力学碎化数值研究通常只考虑液液直接接触的两相系统;而堆芯熔化后,熔融物温度在2 500K以上,熔融物周围会迅速产生汽膜,导致熔滴和冷却剂之间的传热和阻力特性发生改变。本文基于PLIC-VOF(piecewise linear interface construction-volume of fluid)界面跟踪方法对有汽膜存在的三相系统中的熔滴水力学碎化过程进行了数值研究,通过分析熔滴在有无汽膜和不同边界速度触发情况下碎化过程中的界面特性,发现熔滴碎化程度随Weber数的增加而加剧,汽膜对熔滴的水力学碎化存在一定的抑制作用。