软碎矿岩倒台阶分次落矿和光面爆破控顶技术

通过工业试验研究软碎矿岩条件下矿体的倒台阶分次落矿和光面控顶技术。根据矿岩参数确定爆破参数,提出斜眼掏槽分台阶爆破方案。试验结果:爆破最大抛掷距离为5.5～6.9 m;爆堆松散系数:1.55～1.62;炮孔利用率:89%～93%;炸药单耗:1.49～1.55 kg/m3。爆破后顶板基本平整,平均凹凸量<0.1 m,出现了少许微裂隙;孔痕较少,约30%且分布不均匀、不连续。确定合理的光爆层参数为:爆破间距0.45～0.5 m,抵抗线0.5～0.6 m。与原方案相比,新方案每循环炮孔数减少12%,炸药单耗降低了18.4%～32.3%,炮孔利用率提至90%以上。光面爆破后,人工排险工作量和支护作业量明显减少,新爆破方法在技术、经济、安全上优势明显。

软碎厚泥岩顶板巷道短锚索强力支护技术

针对平定裕泰煤业15101综放工作面回风巷道围岩大变形、反复破坏的控制难题,在总结类似矿区相关巷道支护经验基础上,分析得出回采巷道具有大埋深、大断面、强烈动压影响等特征,并结合现场地质生产条件,提出采用21.6mm,L=5.25m的高强度大直径高预应力短锚索进行顶板全锚索支护的控制方案,并在现场应用。实践表明:采用该支护方案后26d左右,回风巷道变形趋于平稳,顶板下沉量不超过176mm,底鼓量不超过110mm,左帮最大移近量87mm,右帮最大移近量为95mm,巷道围岩变形得到有效控制,且巷道服务期间未扩刷整修,技术经济效益显著,可为类似巷道围岩控制提供技术支撑。

原状软碎岩体室内被动三轴变形特性研究

岩体变形特征是水利水电工程建设中最重要的参数之一,其可以合理地评价岩体的工程特性,并且科学地获取岩体的变形参数,是岩体稳定性分析、水工支护设计和工程地质定量评价的核心内容。岩石三轴压缩强度是岩石物理力学性质之一,系指岩石试件在三向压应力作用下所能抵抗的最大轴向应力。本次研究依托固增水电站引水隧洞工程,采集典型软碎岩体试样,通过室内试验对岩体的被动三轴变形特性展开研究,对变形参数进行分析,获得了岩体分级加载应力和变形参数之间的关系,进而对其工程特性进行了系统的评价,为地下工程支护设计提供了相对可靠的设计参数。

碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈。在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展。归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术。间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段。水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好。基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考。

倾斜碎软煤层群煤层气协调开发关键技术-以艾维尔沟矿区为例

为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同“三孔四区五量”煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制。针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏。针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构。应用结果表明:时空协同的“三孔四区五量”模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采。上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式。

离心不耦合条件下寒区碎软岩体预裂爆破参数优化方法

一般来说,预裂爆破采用同心不耦合装药结构,但由于药柱自身重力原因,药柱和炮孔壁贴合在一起,这种情况可能增强了对预裂爆破保留岩体的损伤。基于传统预裂爆破技术,结合理论分析,提出了离心不耦合装药条件下任意一点的不耦合系数计算公式,推导出其与同心不耦合系数的关系,并比较了2种装药条件下预裂爆破对保留岩体的损伤情况。以白云鄂博西矿为例,在现有2种规格预裂药柱基础上,依据理论分析得出:在不改变预裂孔直径的前提下,当预裂药柱直径为60 mm时,需要对预裂孔孔距和预裂孔装药结构进行优化。通过开展现场试验,对预裂孔孔距和预裂孔装药结构进行了优化,得出了最佳孔网参数。通过三维倾斜摄影技术建立三维模型,对孔网参数优化前后的爆破效果进行了评价,孔网参数优化后半壁孔率提升了27.09%。研究表明:孔网参数优化后,对于保护采场边坡、维护边坡安全稳定具有积极作用,对于类似工程也有借鉴意义。

煤矿井下碎软煤层气动定向钻进技术与装备研究

【目的】我国煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层分布广泛,高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井众多,目前采用钻孔瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效措施。碎软煤层常规回转钻进存在轨迹不可控、成孔深度浅、抽采盲区大,常规定向钻进卡埋钻事故多、成孔困难、钻进效率低等问题。【方法】系统阐述了煤矿井下碎软煤层钻进技术的发展历程与应用现状,研制了气动螺杆钻具、定向钻机、随钻测量系统、除尘泵车、空压机或制氮机、油雾润滑装置等组成的煤矿井下气动定向钻进装备,并配套开发了气动定向钻进工艺和筛管完孔技术等关键技术,解决碎软煤层定向钻进成孔难题,保障瓦斯抽采效果。利用该成套技术与装备在两淮、山西、贵州等地区煤矿进行的碎软煤层定向钻孔试验。【结果和结论】研究表明:(1)气动定向钻进技术是碎软煤层钻孔瓦斯治理的有效技术手段,其钻进深度普遍达到200 m以上,最大钻孔深度达607 m,且可有效控制钻孔轨迹在目标煤层中延伸,煤层钻遇率达90%以上。(2)现场试验表明,气动定向钻进成孔效果好、施工效率高,最大效率达到3 594 m/(台·月),有力推动气动定向钻进技术从小规模试验到大规模的工业化推广应用。结合此成套技术与装备的应用现状和煤矿安全高效生产对钻探技术装备的发展需求,提出煤矿井下气动定向钻进技术与装备的拓展应用方向以及向自动化、智能化和集约化方向发展的现实需求和必然趋势。

碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律模拟研究

针对碎软突出煤层瓦斯抽采效率低的问题,提出采用大直径钻孔抽采瓦斯以降低煤层瓦斯含量、预防瓦斯突出灾害。以瓦斯吸附运移、煤体变形和损伤的控制方程为基础,建立碎软含瓦斯煤层应力损伤—渗流耦合模型,反映瓦斯与煤层的耦合响应。利用COMSOL Multiphysics软件模拟研究碎软煤层大直径钻孔围岩损伤演化及瓦斯运移规律,分析钻孔附近损伤区域内瓦斯含量变化及不同钻孔间距的抽采达标情况,对大直径钻孔间距进行优化。研究结果表明:大直径钻孔周围煤体中出现了较大范围的损伤破坏区,其渗透率大幅度增高,使瓦斯能够快速从损伤区域的煤体内运移至抽采钻孔中,为碎软煤层瓦斯高效抽采创造了条件。确定钻孔间距6 m、孔径300 mm的大直径钻孔进行瓦斯预抽,煤层瓦斯含量小于6.2 m^(3)/t,满足抽采达标条件,同时可降低施工费用。

碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术

针对碎软煤层定向钻孔套铣打捞,孔壁失稳塌孔造成瓦斯异常涌出的技术难题,提出了碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术。在现有套铣打捞技术基础上,分析了碎软煤层套铣打捞孔内瓦斯异常涌出原因、涌出通道和涌出量,优化了套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,将套铣打捞过程中打捞钻具内积聚瓦斯进行抽采并卸压;开发了套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置,实现套铣打捞全程负压抽采、密闭排渣和密封加杆。利用该技术成功处理1起孔深362 m的碎软煤层定向钻孔卡钻事故,事故处理中通过打捞钻具内抽采瓦斯管路系统,实现了打捞钻具内积聚瓦斯的抽采和卸压,通过孔口密闭抽瓦斯系统和加杆防瓦斯装置,实现了孔口和打捞钻杆末端口涌出瓦斯的密闭抽采,整个打捞过程中未发生瓦斯超限事故。

阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求,提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上,开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术,优化了气动定向钻进装备配套方案,并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明:(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路,有效解决了气动螺杆钻具的异常制动,实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具,保障了钻孔轨迹的精确调控,提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用,有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术,配套设计的专用可退式打捞筒,满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要,并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔,成孔深度均达到450 m以上,最大钻孔深度达到607 m,最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果,单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m^(3),实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径,具有显著的应用和推广价值。

碎软煤层中自动化钻机关键技术研究与应用

为解决碎软煤层中瓦斯抽采钻孔作业常出现的喷孔、塌孔、堵孔及埋钻等情况,研发出一款适用于碎软煤层的ZDY4500LFK型自动化钻机;围绕碎软煤层自动化施工难点,介绍了该钻机的机械结构及控制原理,研究分析了钻机在碎软煤层中运用自适应钻进、钻杆自动定位修正、协同式钻杆加卸路径规划等技术原理。现场试验验证结果表明:该钻机高成孔率、高人均效率、高安全性、高携杆量等作业优势,为碎软煤层安全高效生产提供了技术保障。

碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化

针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害,提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“射孔-增透-控粉”为一体的压裂改造理念,具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比,选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂,并对工艺和关键工具进行优化。首先,优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴,能实现排量2.0~2.5 m3/min时,射流压力为16.5~25.8 MPa。其次,优化喷射器本体,能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U型水平井压裂和补射孔施工各8段,每段射孔时间15 min以上,并充分顶替返排煤粉,投产3年后产气量仍达到3500 m3/d以上,表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比,油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28.5%。

宿州矿区碎软煤渗透性特征研究

采集宿州矿区碎软煤与原生结构煤,利用PDP-200渗透率测试仪,结合扫描电子显微镜和孔隙度测试仪(QKX-II),研究了宿州矿区碎软煤的渗透性特征。研究表明:宿州矿区碎软煤构造裂隙较为发育,渗透率较大,其中碎斑煤的初始渗透率最大;在煤体变形序列中,随着煤体构造变形强度的增大,孔隙度和渗透率大体呈增大趋势;碎软煤的有效应力与渗透率呈负指数关系(R2 = 0.92~0.99),随着有效应力的增大,碎软煤的渗透率呈减小趋势;不同变形程度的碎软煤,其渗透率损害系数和无因次渗透率都随着有效应力的增大而减小,其中碎斑煤的损害系数和碎裂煤的无因次渗透率变化随有效应力的增大,变化最大,表明强脆性变形煤(碎斑煤)压力敏感性大,弱脆性变形煤(碎裂煤)压力敏感性小;煤样降压之后,煤体渗透率呈增长趋势,其中碎斑煤降压前后渗透率变化最大,碎裂煤次之,片状煤最小。

高阶碎软煤层氮气/空气复合定向钻进技术研究

针对晋城矿区无烟煤碎软区域瓦斯抽采钻孔施工难度大、成孔率低、CO超限和孔内着火的问题,提出了氮气/空气复合定向钻进技术。从技术原理、工艺方法入手,分析了风压和供风量等工艺参数对复合定向钻孔施工的影响。在长平煤矿4326工作面进行现场试验,共完成42个主孔,累计进尺6454.5 m,300 m及以上的钻孔成孔率为79.5%,200 m及以上的钻孔成孔率为85.7%,150 m及以上的钻孔成孔率为94.5%,效果显著。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

丁集矿碎软煤层气动定向钻孔瓦斯治理技术研究与试验

为了解决丁集煤矿采用底板穿层钻孔进行碎软煤层瓦斯治理存在底板岩巷工程量大、成本高,常规回转穿层钻孔轨迹不可控,补孔多、钻孔工程量大的问题,提出利用气动定向钻进技术进行顺层瓦斯治理的新模式。针对丁集煤矿1212(1)工作面煤层瓦斯及地质特点,开展了构造挤压破碎带钻进技术、气动定向钻进技术、筛管完孔技术和封孔技术研究,利用ZDY6000LDB定向钻机及其成套装备在丁集煤矿1212(1)工作面运顺进行了I期现场试验,成功施工了48个孔深166 m以上的顺层气动定向钻孔,监测期间,瓦斯平均抽采浓度35.2%,累计瓦斯抽采纯流量达到734 382 m3,达到了试验预期。试验表明,该技术与装备能够满足丁集煤矿碎软煤层顺层瓦斯治理需求,为丁集煤矿安全高效生成、矿井降本增效提供了可靠的技术支撑,也为煤层条件类似矿井提供了新的技术借鉴。

碎软煤层气动定向钻进影响因素研究与应用

针对碎软煤层中存在的钻进困难、事故频发、成孔深度浅、难以满足瓦斯治理要求等问题,开展了气动定向钻进在碎软煤层中的影响机制及应用效果研究。借助气固两相流、达西定律等相关理论,划分了气动定向钻进煤渣运移过程中的压力损失类型,建立了碎软煤层气动定向钻进风压、风量的计算公式。分析了风压、风量的影响因素及其作用,编绘了地质参数、钻孔设计参数和钻进工艺参数在典型条件下的风压、风量关系图版。山西某矿气动定向钻进技术现场应用表明,利用本文方法计算的风压、风量结果与实际吻合程度高;采用图表法分析了理论风压、风量与实测风压及风量的误差,获得了各因素对风压和风量的影响权重,发现粒径和倾角是风压和风量的主要影响因素,密度和孔深对风压和风量影响较小。

碎软煤层双管定向钻具自动加卸系统关键技术与应用

为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2~3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明:双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。

孤岛工作面碎软煤层跟管护孔钻进工艺研究

针对孤岛工作面高应力碎软煤层钻孔易卡钻、塌孔导致钻孔成孔难度大、瓦斯抽采效果差的问题,开展跟管护孔钻进工艺研究。选取王坡煤矿3206孤岛工作面作为试验地点,分析得出该工作面需要采用大转矩、高转速钻机,以增强钻具排渣效果及孔内事故处理能力,同时需要考虑高应力区段钻孔护壁工艺及孔内高效排渣工艺。提出采用跟管护孔钻进工艺过高应力区,以达到护壁效果;采用螺旋钻进氮气辅助排渣工艺,以增强排渣能力,降低钻进过程中煤炭自燃的风险;钻孔穿过高应力区后,通过优化钻具组合,进一步提高钻孔在碎软煤层中的成孔深度。现场试验结果表明:相比于直接采用回转钻进施工钻孔,采用二级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高149%,采用三级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高114%,说明跟管护孔钻进工艺比回转钻进工艺更适合3206孤岛工作面碎软煤层钻孔施工;插接式螺旋钻杆施工钻孔成孔率高于丝扣连接式螺旋钻杆,螺旋钻进氮气辅助排渣工艺的成孔深度明显大于干式螺旋排渣工艺;?100/63.5-28 mm插接密封式螺旋钻杆及氮气辅助排渣工艺最适合3206孤岛工作面瓦斯预抽钻孔施工,平均孔深为100.6 m,成孔率为80%,瓦斯抽采效果优于其他钻具及钻进排渣工艺。

碎软煤层条带定向长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术研究

为解决艾维尔沟矿区碎软突出煤层瓦斯抽采难的问题,阐述了定向长钻孔水力压裂消突机理,建立数值模型研究了水力压裂渗流场和应力场耦合规律及水力压裂效果的影响因素。研究表明:煤层注水压裂过程中,渗流引起煤炭内部有效应力场改变、煤体骨架发生变形,改变了煤体的物理力学性质,又进一步影响了水的渗流过程,渗流场和应力场相互作用、相互影响;注水压裂时间、注水压力、地应力和渗透率对水力压裂效果都有明显影响;煤的浸润过程靠压裂孔中的高压水来支撑,注水压力越高,压裂初期孔隙压力增长速度越快,较长的压裂时间和较高的注水压力有助于提高煤体孔隙压力、降低有效应力;地应力的增大会导致煤体颗粒受到压迫、颗粒间隙变小、煤体渗透率降低,需要提高注水压力才能取得较好增透效果。现场应用过程中,4号煤层采取水力压裂措施抽采109 d后,预抽率达14.4%,残余瓦斯含量下降了5.2%~34.6%,水力压裂影响半径为20~25 m,有效影响半径为18~19 m。