利用CO_(2)气相压裂技术提高煤层透气性:以吉宁煤矿为例

为破解复杂低渗高瓦斯煤层瓦斯治理技术难题,本文以山西华晋吉宁煤矿2号煤层2203工作面为研究对象,通过采取CO_(2)气相压裂增透技术,对4组(共12个)抽采钻孔的瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量进行分析,得出有效致裂影响范围,进一步评价瓦斯抽采效果和防突效果。结果表明:该地质单元的有效致裂裂缝影响范围为6~7 m;常规抽采孔的瓦斯抽采纯量为0.018 m^(3)/min,与其相比,4组抽采钻孔百米瓦斯抽采纯量平均值为0.179 m^(3)/min,提升了8.9倍;在衰减区域,瓦斯抽采浓度均值64.7%、纯量均值0.150 m^(3)/min,在稳定区浓度,瓦斯抽采均值为73.2%、纯量均值0.188 m^(3)/min,相比稳定区域瓦斯抽采参数更高。该技术有效增大了2号煤层的透气性,提高了瓦斯抽采效率和煤巷掘进速度,减少了钻孔施工投入,缓解了采掘接替紧张的局面。

造穴-CO_(2)气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重,目前增透主要采用静力型技术和动力型技术,不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果,开发出造穴-气相压裂复合技术,综合采用185 MPa高压力CO_(2)冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段,研究造穴-气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明:①煤样在CO_(2)气相压裂应力波作用下,在煤基质表面新形成损伤坑(DM)和三翼型裂隙(TRW)典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开,形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝,该裂缝能够充分均化应力集中区,并使得煤层产生不可逆的破坏,其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂-造穴复合技术影响范围内,造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率,避免能量耗散在无效的震动区,充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝,使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。

基于防突指标下降视角的CO_(2)气相压裂增透技术应用分析

在煤矿开采过程中,因掘进面煤层透气性差导致无法抽采效果不佳。为解决这一问题,实际作业中,要以降低防突指标为基准,运用CO_(2)气相压裂增透技术处理工作面。文章以某试验为例,详细阐释钻孔布置和压裂工艺应用情况,并就试验效果予以分析。经分析,应用CO_(2)气相压裂增透技术能够显著提高抽采效果,快速降低防突指标,大幅缩减抽采达标时间。提出具体应用实践,证明技术能够在开采中发挥防突作用。

液态CO_(2)煤层增透技术及应用研究

为增加煤层透气性,强化瓦斯抽采效果,提高瓦斯的利用率,提出低渗透煤层液态CO_(2)气爆致裂增透技术。基于煤矿瓦斯相关基础数据和液态CO_(2)爆破致裂增透机理,阐述液态CO_(2)爆破的原理、过程和能量的转化,分析液态CO_(2)气爆能量释放的TNT当量转化;根据监测爆破过程中致裂器内CO_(2)压力变化过程曲线的变化情况,分析爆破过程中在致裂器内液态CO_(2)压力在4个不同阶段的变化。采用ANSYS/LS-DYNA模拟软件建立不同爆破参数下的爆破模型,模拟出单孔和双孔液态CO_(2)爆破演化过程,从Mises应力云图、煤岩损伤云图对比分析液态CO_(2)爆破效果。利用LS-DYNA有限元分析模拟软件对致裂器不同布置方式下煤岩损伤扩展规律进行模拟。根据数值模拟结果进行CO_(2)相变爆破工业试验,综合评价液态CO_(2)气爆致裂增透效果。结果表明:利用相对压力指标法测得单孔爆破半径约2.5 m,与数值模拟结果接近。经CO_(2)相变爆破后,煤层透气性系数比增透前提高了50多倍;瓦斯抽采体积分数比增透前提高了73.7%;抽采流量是普通抽采孔的5.1倍。数值模拟和现场井下工业试验结果均证明,采用液态CO_(2)爆破能够提高煤体吸附瓦斯的解吸率,增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,促进煤岩体内原生缝隙的发育,使煤层瓦斯抽采效果明显提高。研究成果可为液态CO_(2)气爆工艺的实际施工提供理论依据,为我国低透气性煤层瓦斯抽采难题提供解决办法。

液态CO_(2)相变致裂对抽采有效半径影响的试验研究

针对轿子山煤矿M9煤层渗透率低、瓦斯含量高、压力大等特点,将液态CO_(2)相变致裂技术应用于本煤层增透工程试验。从多角度探究了CO_(2)相变致裂增透原理,通过分组对比试验,重点考察致裂孔不同施工顺序、不同装液量对有效抽采半径的影响。结果表明:预抽时间相同时,先施工辅助钻孔致裂时会提供更多的裂隙通道,应力波传播时阻力降低更多,从而使瓦斯抽采有效半径更大;预抽时间90d内致裂孔瓦斯抽采有效半径与装液量呈正相关,预抽时间在90~150d时,在构造应力作用下,钻孔变形大,装液量越多的致裂孔瓦斯抽采有效半径越小;致裂后钻孔瓦斯抽采有效半径是普通孔的3.6~4.2倍,单孔抽采瓦斯纯流量平均增加2.9~5.8倍,瓦斯抽采浓度增加2.3~3.1倍,瓦斯有效预抽时间缩短65%以上。研究结果可为瓦斯抽采钻孔的合理布置提供参考依据。

煤层液态CO_(2)相变致裂增透技术试验研究

液态CO_(2)相变致裂煤层增透技术可以有效解决煤层渗透性差、瓦斯抽采率低等难题。以长治矿区3号煤层为工程背景,通过理论分析导向裂隙、初始裂隙和裂隙扩展3个阶段的裂隙区半径,利用数值模拟研究单孔、多孔以及不同钻孔间距下的液态CO_(2)相变致裂低透气煤层裂隙扩展规律,并进行了现场工业性试验。研究结果表明:单孔液态CO_(2)相变致裂爆破煤层的最大破坏范围为6 m,爆破孔中间设置空孔可以扩大相变爆破致裂的破坏范围;实施液态CO_(2)相变致裂技术后,3号煤层平均瓦斯抽采率由0.57%增加到0.92%,单孔瓦斯抽采率提高了1.25~2.91倍,瓦斯抽采率明显提升。该研究为液态CO_(2)相变致裂煤层增透技术提供了理论依据和现场指导。

气相压裂技术在掘进巷道中的应用与研究

为解决掘进工作面掘进期间煤层突出性问题,新景矿在掘进工作面采用“5个造穴孔+2个CO_(2)气相压裂孔”,选用间替造穴,经过气相压裂后,预抽钻孔瓦斯抽采流量提高1.27~2.91倍;瓦斯抽采量是压裂前的1.56倍。采用循环造穴增透与气相压裂增透后,掘进过程中回风巷瓦斯在1%以下,保证了掘进工作面的工作安全。