定向长钻孔区域压裂技术在深埋煤层顶板卸压的应用

为了对深部工作面顶板有效卸压,避免回采时顶板来压产生巨大的冲击载荷,降低冲击危险性,针对浅孔水力压裂卸压因深度和钻孔角度限制,压裂区域难以有效作用到整个回采工作面的上覆岩层区域的问题,以雅店煤矿ZF1407工作面为背景,采用定向长钻孔水力区域压裂技术对顶板进行预裂,改变围岩深部应力状态和能量积聚程度,以达到控制巷道围岩变形和高效卸压的效果。研究结果表明:压裂前后压裂层位内部裂隙分布发生了较大的变化,压裂岩层中产生了大量裂隙。微震事件分布向工作面聚拢,工作面超前分布距离降低80%,微震事件单日总能量平均值降低63.3%,微震事件单日总频次平均值降低72.5%。长钻孔区域压裂技术对厚硬岩层进行压裂控制,能够降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,有利于减弱厚硬岩层破断失稳对下伏回采空间的冲击作用,卸压效果明显。

近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

特厚煤层定向长钻孔水力压裂瓦斯抽采技术及应用

为解决大佛寺煤矿特厚煤层透气性和瓦斯赋存差异性较大而导致的矿井抽掘采接替问题,提出“分段压裂延展裂隙+整体压裂沟通网络”的定向长钻孔水力压裂技术,通过增加煤层渗透性来提高矿井瓦斯抽采效率,并在40103工作面进行工程应用试验。共完成4个定向长钻孔分段水力压裂施工,累计压裂工程量2190 m,最大泵注压力17.83 MPa,累计压裂注水量4535 m 3,总压裂时间10853 min。相比于未压裂的预抽钻孔,压裂后瓦斯抽采浓度提高了2.20~4.22倍,百米抽采流量提高了4.93~11.03倍。试验结果表明,通过水力压裂后煤层渗透特性增加,瓦斯抽采效果显著提升,初步证实了长钻孔水力压裂强化瓦斯抽采技术的适用性,为彬长矿区的矿井瓦斯高效抽采提供了技术支撑。

深部采区准备巷道定向长距离水力压裂控制技术研究

受深部高应力和大范围空间采动影响,采区上下山等准备巷道存在变形破坏严重、反复维修等问题,以新集一矿3608(6)采区地质和开采为工程背景,提出利用定向长距离水力压裂技术控制石门变形破坏的力学机理,即切断高位主关键层,阻断采空区上部动静载荷向工作面前方的传递,改善石门围岩应力环境,设计360801工作面水力压裂切顶卸压方案与施工工艺,压裂钻孔靠煤柱侧顶板,距离煤帮约1 m,钻孔直径75 mm,倾角为72°和77°,孔深为27.8 m和28.5 m,钻孔间距为10 m。现场试验结果表明,压裂区岩层出现了较多裂缝,弱化明显,-706m轨道石门两帮和顶底板围岩变形量均得到有效控制,围岩完整性良好。

沁城煤业20107工作面沿空留巷工程实践

沁城煤业20107工作面拟定采用沿空留巷工艺;设计巷道沿空留巷的总体方案,重点探讨水平长钻孔区域压裂顶板弱化卸压与巷道补强支护、巷旁支护、充填体基底加固等技术参数;通过井下试验,验证了方案可行性,应用取得了较好的经济利益,具有较大的推广价值。

厚煤层坚硬顶板工作面定向长钻孔区域压裂技术及应用

煤矿开采中常用全部垮落法管理工作面采空区顶板,当工作面上覆岩层存在坚硬顶板时,一旦顶板悬顶重量达到自身承载极限时,极易发生大面积冒顶事故,造成设备损毁和人员伤亡。针对雅店煤矿工作面回采时上覆坚硬顶板难垮落,长距离悬顶问题,采用定向长钻孔区域压裂技术,打破坚硬顶板在垮落时出现的整体性、瞬时性问题。结果表明,压裂后微震能量同比下降约15%,压裂中期、后期各自30 d内高能事件数量分别下降67%和11%;采动影响范围缩小,压裂区域整体来压步距明显降低,压裂区域的来压强度减小。保障工作面的安全高效生产,形成适合雅店煤矿地质条件下的区域卸压技术体系。

定向长钻孔水力压裂增透技术的应用研究

为提高高瓦斯低透气性矿井煤层的渗透率、抽采量等,提出一种定向长钻孔水力压裂增透技术,设计三孔压裂工艺,分别为一次三段式、整体式、一次两段式压裂。压裂结束1个月后,三孔的瓦斯浓度均超过90%,且与压裂前相比,三孔的瓦斯含量分别提高10%、30%、60%。与压裂刚结束时相比,分别提高75%、75%、90%。与抽采负压为15 kPa时相比,负压为20 kPa时的瓦斯流量提升约20倍,瓦斯治理效果好。

“定向长钻孔+分支孔”瓦斯抽采钻孔分段水力压裂技术研究与应用

为了解决部分煤矿在高瓦斯、主采煤层煤质碎软的情况下,常规水力压裂煤层增透技术存在压裂不均衡、覆盖范围小、定向长钻孔难以在煤层内成孔的问题,研究了“定向长钻孔+分支孔”瓦斯抽采钻孔分段水力压裂技术。利用RFPA2D-Flow软件对分段压裂关键参数进行了计算,并在山西某煤矿回风巷道施工定向长钻孔402 m,开分支孔9个,进行了4次分段水力压裂,合计压裂注水37.2 m 3,分析了分段水力压裂技术的适用情况。研究结果表明,瓦斯抽采钻孔压裂效果明显,为提高瓦斯抽采效果创造了条件。

顶板钻孔割缝导向水压裂缝扩展的现场试验

在坚硬顶板定向水力致裂原理性试验成功的基础上,在综采工作面端头超前支护段内进行了坚硬顶板钻孔预割缝定向水力致裂的半工业性试验,分析钻孔割缝对引导水压裂缝扩展的作用。大同塔山煤矿8102工作面试验结果表明,钻孔孔壁水压裂缝沿预割缝槽优先起裂,预开槽对坚硬顶板水力致裂的起裂起到了定向作用。水压裂缝定向起裂后,受地应力场等综合影响,水压裂缝会出现空间转向。采动影响会改变致裂钻孔周围的应力分布,进而影响裂缝的定向扩展效果;因此,坚硬顶板定向水力致裂应考虑采动应力影响,注意与采动的协调配合。定向水压裂缝可穿岩层间层面扩展。钻孔预割缝定向水力致裂的实质是通过预割缝来控制裂缝的定向起裂,引导裂缝的扩展方向;并配合地应力、采动应力、致裂工艺等使导向裂缝尽量满足工程要求。

我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

煤炭是我国能源安全的“压舱石”,具有重要的兜底保障作用。随着我国煤炭开采逐步向深部进军,深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重,以煤与瓦斯突出为代表的灾害防治难度逐渐增大,严重制约着我国煤炭安全高效开采。大范围提高煤层透气性是消除突出危险性并提高煤层气抽采效率的关键。传统煤层增透技术如密集钻孔等单孔增透范围偏小、抽采效率较低;常规压裂技术受制于地应力作用常存在水力裂缝形态单一、易损伤顶底板等不足,且裂缝两侧增透“空白带”内遗留瓦斯在后续开采过程中易诱发灾害。近几十年来,以提高煤层透气性、瓦斯抽采效率,减少煤与瓦斯突出风险为导向,诸多水射流技术因其效果显著、清洁等特点,逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要方法。梳理了我国水射流技术增透煤层强化瓦斯开发的研究历程及最新进展,系统性归纳了水力冲孔、水射流割缝卸压、割缝导向压裂、树状钻孔均衡增透强化瓦斯开发理论及技术研究现状。我国对能源安全战略布局不断深化,然而面对深部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性,目前煤矿水射流卸压增透措施仍存在技术协同性不够等亟待攻克的难题。基于新形势下保障国家能源安全的极端重要性,针对性分析了水射流强化瓦斯开发技术在运用中所存在的不足与局限,提出了未来重点发展趋势及展望。

深圳抽水蓄能电站水压致裂法三维地应力测量和分析

由于水压致裂法地应力测量的突出优点已在国内外得到广泛应用,但以往只能测量钻孔横截面上的二维应力状态。近期兴起的水压致裂法三维地应力测量,已在多个工程中得到应用。深圳抽水蓄能电站采用了3个不同方向钻孔测量法和单钻孔测量法进行了三维地应力测量,得到了很好的测量成果。其中单钻孔三维地应力测量,在近水平向和铅垂向两个钻孔中应用。三维地应力测量成果不仅得到了相应钻孔横截面上和原生裂隙面上二维应力实测值的检验,而且得到了同一位置两种不同三维地应力测量方法的相互印证,和同一个钻孔(铅垂向)中套芯应力解除法三维地应力实测值的印证。两种水压致裂法三维地应力测量成果(单钻孑L测量法包含了非铅垂向和铅垂向钻孔的两种测量法)非常一致,能够代表该测量区的地应力状态。

煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔水力压裂矿震防治技术研究

针对东滩矿工作面采掘期间易造成煤层巨厚砂岩顶板应力失稳等问题,以63_(上)03工作面巷道及上覆岩层为施工区域,通过岩性分析、关键层判断及现场实际综合比较,确定关键层位施工顶板定向长钻孔,并进行水力压裂,为东滩矿煤层巨厚砂岩顶板定向长钻孔分段水力压裂矿震防治提供技术支撑。结果表明:选定二叠系山西组上段中砂岩层、侏罗系三台组下段细砂岩层为钻孔施工关键层位;完成4个顶板定向长钻孔钻探施工,形成顶板连续滑动钻进工艺,单孔孔深为519~800 m,总进尺2517 m;通过4个钻孔的分段压裂工程施工形成了东滩矿煤层顶板双封单卡后退式分段压裂工艺,分段压裂施工累计25段,总注水量为1286 m^(3),施工压力为17.1~32.8 MPa,压力曲线明显反映了破裂点,最大压力降低幅度超过10 MPa;水力压裂施工大幅度降低了震级大于2级和1~2级微震事件的发生频次,同时压裂后的工作面支架循环末阻力平均值降低了1.2 MPa,周期来压步距降低了7.3 m,治理矿震的效果较为有效。

采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术研究与工程实践

为解决“U”形通风工作面上隅角及回风流瓦斯治理难题,在分析采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术原理与优势的基础上,根据工作面上覆岩层垮落规律确定了采动卸压瓦斯富集区,在平煤股份八矿己_(15)-15050工作面里段520 m施工顶板高位定向长钻孔代替高抽巷,进行采动卸压瓦斯抽采。试验结果表明:定向钻孔在3个月抽采期内,工作面上隅角及回风流瓦斯浓度均保持在0.4%~0.6%,工作面顶板裂隙带高浓度瓦斯区在垂向距煤层顶板25 m以上,瓦斯治理成本比高抽巷节约67.9%,治理工期可节省2/3,实现了矿井安全生产和降本增效的目标。

大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析

为进一步提高采空区裂隙带瓦斯抽采效果以保障工作面回采期间安全,提出了一种大直径顶板定向长钻孔(?203 mm)进行采动区裂隙带瓦斯定向抽采技术,并对其施工工艺、钻孔布置合理层位及抽采效果进行了研究。结果表明,钻孔布置的合理垂直高度45~50 m,钻孔与工作面回风侧的水平间距40 m。与高抽岩巷、普通顶板高位钻孔等常规采动区瓦斯治理方法相比,大直径顶板定向长钻孔的抽采量与高抽岩巷相当,是普通顶板高位孔抽采量的2.04倍;工程量大幅度降低,大直径顶板定向长钻孔既能实现高效率抽采,又达到节约工程量、降低施工成本等效果。大直径顶板定向长钻孔的成功应用为以孔代巷及传统顶板高位孔工艺的改进提供了实践基础和发展方向。

水力喷射定向深穿透压裂技术研究与应用

与常规射孔方式不同,水力喷射钻孔可针对储层有利部位实现定向喷射,以高压水射流钻孔的方式在油层与井筒间形成长度为100m微井眼。利用水力喷射钻孔孔眼的导向作用,继续实施水力压裂改造工艺,在压裂目的层中形成深穿透人工裂缝,以达到储层高效改造的目的。介绍了该技术的工艺原理及实施步骤,结合辽河油区的储层特点,优化了工艺关键参数,提出了火山岩改造的针对性措施,在辽河东部凹陷的探井中成功实施了"水力喷射定向深穿透压裂技术",获得高产工业油流。水力喷射定向深穿透压裂技术在国内应用尚属首次,为火山岩以及其他难动用储层改造开拓了一条新的思路。

水压致裂法三维地应力测量在工程中的应用

综合论述了3个不同方向钻孔水压致裂法和单钻孔水压致裂法的三维地应力测量原理和方法,并严格推导了这两种测量方法资料整理的计算公式,在实际工作中可操作性很强。通过水布垭水利枢纽工程和宣恩洞坪水利枢纽工程中所进行的地应力测量实例可见,三维地应力的实测成果与二维实测成果比较,结果相当一致。从而弥补了以往传统的水压致裂法地应力测量只能测量钻孔横截面上的二维地应力状态的缺陷,扩大了这种测量方法的应用范围。

穿层钻孔水力压裂增透技术试验研究

张集煤矿13-1煤为深埋高地应力松软低透煤层,瓦斯预抽时间长且残余瓦斯含量超标,为提高煤层透气性,提高瓦斯抽采效率,采用理论分析、现场试验的方法对低透气性煤层水力压裂增透理论及技术进行了研究。研究结果表明:试验区域经水力压裂后,煤体瓦斯压力由原始煤体瓦斯压力1.05MPa降低至0.5MPa,煤层透气性系数提高了6.17倍,水力压裂影响半径沿倾向35m、沿走向50m,且目标区域煤层瓦斯预抽达标时间相比未压裂时缩短了35.8%,穿层钻孔水力压裂起到很好的增透增流效应。

乌达矿区近距离煤层开采瓦斯综合防治技术

针对乌达矿区煤层层间距小、瓦斯含量大、瓦斯治理难度大等问题,分析了近距离煤层开采过程中工作面应力分布、底板破裂规律与瓦斯涌出的关系以及邻近层卸压机理等,通过多年的摸索和实践形成了以9~#煤采前定向长钻孔区域预抽、10~#煤层和12~#煤层卸压抽采与顶板走向高位水平长钻孔抽采、10~#煤层工作面巷道倾向钻孔抽采等适合乌达矿区近距离煤层群开采的立体瓦斯防治技术,对工作面瓦斯进行有效治理,确保了工作面安全生产。

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。

煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势

“十三五”以来,围绕“我国煤矿井下煤层区域增透瓦斯高效抽采和坚硬顶板岩层弱化区域治理”两大难题,将定向长钻孔与分段压裂技术结合,通过技术攻关与装备研发及工程试验,在煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂技术和装备研发及工程示范应用等方面均取得了明显进展。主要表现在如下4个方面:(1)开发了适合于煤矿井下煤岩层裸眼定向长钻孔不动管柱和动管柱两种分段水力压裂工艺技术与工具,不动管柱分段压裂工程应用钻孔长度突破了500 m,单孔压裂实现了5段;动管柱分段压裂钻孔长度工程应用突破了800 m,单孔压裂实现了17段。(2)研发了煤矿井下低压端加砂压裂泵组和高压端加砂压裂装置,低压端加砂泵组压力达到了70 MPa,排量达到90 m^(3)/h,携砂比达到20%;高压端加砂压裂装备耐压能力达到55 MPa,一次连续加砂压裂的砂量达到750 kg;低压端和高压端加砂装备均在现场进行了工程应用,应用结果表明装备均具有较好携砂压裂能力。(3)建立了碎软煤层围岩分段压裂和硬煤顺层钻孔分段压裂区域增透瓦斯高效抽采技术模式,前者在山西阳泉矿区和陕西韩城矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量均值分别达到了2811 m^(3)/d和1559 m^(3)/d,后者在陕西彬长矿区应用钻孔瓦斯抽采纯量达到了2491 m^(3)/d。(4)探索出了坚硬顶板强矿压煤矿井下定向长钻孔分段水力压裂主动超前区域弱化治理的新模式,工程应用钻孔长度突破了800 m,坚硬顶板分段水力压裂治理后,顶板来压步距、动载系数和最高压力值较未压裂区分别下降了18.9%~70.6%,5.8%~7.9%,13.7%~19.4%,有效治理了工作面坚硬顶板引起的强矿压灾害。随着煤矿井下分段水力压裂技术改进和煤矿智能开采发展的实际需要,提出了煤矿井下大排量高压力智能压裂泵组、井下长钻孔裸眼分段压裂智能工具等装备和煤矿井−地联合分段水力压裂技术研发方向,以更好地推动煤矿井下水力压裂技术与装备发展,为煤矿安全高效绿色智能开采提供技术和装备支撑。