CO_(2)致裂技术在贵州大运煤矿、宏发煤矿低渗煤层瓦斯治理应用研究

CO_(2)致裂技术是一种操作简便、使用环保的煤层增透技术,具有安全、高效以及可以重复使用的优点。为了探究CO_(2)致裂技术在贵州高瓦斯低渗透煤矿的应用效果,选取了贵州两处高瓦斯、低渗透煤矿进行现场实验并观测实验结果。通过检测CO_(2)致裂前后煤层瓦斯宏观参数变化,并进行对比分析,结果表明:CO_(2)致裂技术对煤层增透效果明显,相较于未作用煤层,透气性系数提高了3倍,结合瓦斯自然流量衰减系数,原煤层由较难抽采变为可抽采;瓦斯抽采体积分数、瓦斯抽采纯量均有明显提升,并且致裂后瓦斯抽采纯量在30 d范围内有先增加再降低的趋势,应该是致裂后CO_(2)驱替瓦斯导致;致裂后残余瓦斯含量低于5.5 m^(3)/t,小于原始煤层瓦斯含量,并低于《防治煤与瓦斯突出规定》规定的残余吨煤瓦斯含量临界值8 m^(3)/t。表明CO_(2)致裂技术在增透低渗煤层上具有良好的运用效果。

顶板高位定向钻孔瓦斯(CO_(2))治理技术研究与应用

海石湾煤矿是罕见的煤与瓦斯(CO_(2))突出矿井,为进一步降低工作面回风流和上隅角瓦斯(CO_(2))浓度,设计在62241工作面回风巷施工顶板高位大直径定向钻孔抽采采空区瓦斯(CO_(2)),以孔代巷,解决回采工作面采空区瓦斯(CO_(2))涌出问题;结合“竖三带”理论,对大直径高位定向钻孔最佳布孔范围进行了分析和确定,通过定向钻进技术使钻孔分布在煤层顶板回采断裂带(“O”型圈)内,保障工作面回采过程中的瓦斯抽采通道。顶板高位大直径定向钻孔在平面上的布置距离回风巷10~70 m(控制工作面倾斜长度1/3);高程布置距离煤层顶板16~28 m,有效降低了工作面回采时上隅角和回风流中的瓦斯(CO_(2))浓度。工程应用表明,大直径顶板高位定向钻孔在瓦斯(CO_(2))治理的效果、成本、施工效率等方面均优于传统高位普通拦截钻孔。

煤与瓦斯(CO_(2))突出急倾斜煤层灾害综合治理模式研究

针对窑街煤电集团三矿急倾斜特厚煤层和煤与瓦斯(CO_(2))突出的特征,阐述了该矿经过多年探索、实践、调整、总结形成的特有的煤与瓦斯(CO_(2))治理模式——“三矿模式”:区域治理采用“底板岩石大巷抽采+上区段保护层泄压开采+顶板爆破卸压+穿层钻孔抽采+井下定向钻孔抽采+地面‘L’型压裂抽采区域瓦斯与CO_(2)治理技术”;局部治理采用“顺层钻孔抽采+石门揭煤抽采技术”的综合治理模式,有效解除了工作面煤与瓦斯(CO_(2))突出危险,取得较好的技术经济效益,此模式可为类似条件下煤层开采提供一定参考。

突出煤层CO_(2)气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO_(2)气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K1值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO_(2)气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。

基于氮吸附、压汞联合试验的CO_(2)致裂对煤岩孔隙的影响

煤岩中的孔隙结构特征对瓦斯运移和富集有着至关重要的影响。为了研究CO_(2)致裂对煤岩孔隙的影响,利用低温氮吸附试验与压汞试验相结合的方法对致裂前后的煤岩孔隙变化进行定量表征,并使用扫描电镜、现场致裂后煤岩瓦斯抽采分别从定性和宏观上反映CO_(2)致裂对煤岩孔径分布和孔隙结构特征的影响。结果表明,CO_(2)致裂会迫使煤岩中微孔、小孔孔隙结构改变,从墨水瓶形孔转变为开放型孔隙,各孔径段孔容有所增长扩张,致裂主要迫使孔径在10 000~100 000 nm的孔隙有较为明显的发育扩张。煤岩中存在渗流孔隙和扩散孔隙,致裂后渗流孔体积和百分比呈现先增长后逐步降低的现象,扩散孔体积变化趋势与渗流孔一致,但其百分比先降低后逐步回升。通过扫描电镜、现场测定及计算等辅助手段从宏观方面反映出CO_(2)致裂对孔隙有明显作用,对消除煤与瓦斯突出有积极效果。

CO_2深孔控制预裂加快工作面巷道掘进试验研究

为了缓解煤矿生产过程中的采掘接替紧张的问题及应对新的《煤矿安全规程》中工作面巷道掘进安全距离更为严格的要求,通过分析CO_2深孔控制预裂技术提高工作面巷道掘进速度的原理,并在余吾煤业N1101工作面的巷道进行工程实验,从CO_2预裂对静态下的煤体参数的影响和采动态变化的巷道掘进过程中煤体参数的变化两方面进行试验,并对预裂前后的日进尺量及回风巷的瓦斯浓度进行了统计。研究结果表明,预裂之后煤体K_1值和S值变化明显,日进尺量提高幅度为30%~100%,回风巷瓦斯浓度降低幅度为16.7%。证明了此技术在降低掘进工作面煤与瓦斯突出风险的前提下,加快了煤体瓦斯解吸速率,提高了工作面巷道掘进速度,缓解了采掘接替紧张的难题。

E0103工作面CO_(2)预裂技术数值模拟研究

本文研究矿井为煤与瓦斯突出煤矿,E0103工作面存在煤与瓦斯突出危险性。为提高该工作面煤与瓦斯抽采效率,该煤矿在巷道掘进过程中运用CO_(2)预裂技术进行增透,然后进行抽采工作。本文对CO_(2)释放过程中煤岩渗透率分布情况进行数值模拟研究,建立含瓦斯煤流-固耦合模型及CO_(2)与瓦斯解析置换方程,运用软件COMSOL并结合MATLAB对预裂技术实施过程进行数值模拟,得出工作面使用预裂技术过程中不同时间段煤岩渗透率分布云图。结果表明:模拟结果同现场深孔快速取样的样本分析结果基本一致。

CO_(2)相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应

为探讨不同CO_(2)相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响,开展120,150,185 MPa作用下的CO_(2)相变致裂煤体实验,综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO_(2)吸附孔隙结构参数测试方法,分析CO_(2)相变致裂后煤的大孔(>50 nm)-介孔(2~50 nm)-微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明:CO_(2)相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应;致裂后,大孔平均孔径与孔容大幅度增大,孔表面积降低;介孔平均孔径增大,孔表面积明显降低;孔隙连通性明显增强。CO_(2)相变致裂过程时间极短,高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展,延伸至微孔时,衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO_(2)相变致裂在大孔-介孔尺度的扩孔效应,随致裂压力的增大而增强;不同变质、变形程度煤的大孔-介孔-微孔发育存在差异;因此,研发“高致裂压力-长作用时效-大能量”的CO_(2)相变致裂器,有助于进一步增强CO_(2)相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为CO_(2)相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。