煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

碎软低渗煤层在我国普遍发育,制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式,可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析,揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素,明确裂缝扩展机制,以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明,起裂压力高,更易产生长裂缝,且受原生裂缝影响程度减小;但起裂点距离煤层越远,起裂所需能量越大,高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏;大施工排量下,起裂压力对应升高,起裂时间变短,原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示,在模型参数设置条件下,最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa,煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂,起裂位置距离煤层最优距离为<6 m,施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

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。

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。

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%。

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。

松软破碎煤层巷道锚网支护关键因素

采用数值计算与正交试验相结合的方法,将影响松软破碎煤层巷道锚网支护效果的各因素组合为27种方案,并分别进行数值模拟.在低应力松软破碎状态下,以巷道顶底板的收敛量作为煤巷锚网支护效果的评价指标.通过对该评价指标的极差分析,得出影响松软破碎煤层巷道锚网支护的关键因素是锚杆间排距.不同锚杆间排距与巷道顶板下沉量的对应关系表明,当间排距这一关键因素大于650 mm时,对支护效果影响较为显著.最后,从锚杆与围岩共同作用的观点出发,分析了锚杆间排距成为松软破碎煤巷锚网支护关键因素的原因.

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m3,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m3/min,平均17.02 m3/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m3。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。

松软破碎煤层定向长钻孔高效抽采技术研究

为有效解决松软破碎煤层透气性低导致的抽采效率低的问题,利用超大功率的ZYL-17000D定向钻机实现在松软破碎煤层中进行长距离钻进,采用随钻测量装置对长钻孔施工时出现的实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹进行实时比对,对存在偏差的钻孔进行及时纠偏,实现钻孔轨迹的实时跟踪控制。并在长平矿松软破碎煤层中进行现场施工,实现了钻孔长度达到300m的技术突破,每米钻孔抽采纯流量达到0.025m^(3)/min,与同一区域的普通顺层钻孔相比,抽采量提高了20.8倍,施工周期缩短了78d。大功率定向钻机长距离钻进的实验成功,验证了大功率定向钻机满足松软破碎煤层瓦斯治理需要,为松软破碎煤层的瓦斯治理提供了一种新的瓦斯治理思路。

井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯高效抽采技术

碎软煤层瓦斯治理常采用的底板穿层钻孔抽采瓦斯方式存在掘进工程量大、治理周期长、钻孔揭煤段短、抽采治理效果受限等问题,顺层短孔抽采方式存在成孔性差、抽采钻孔短、抽采区域小等问题。通过统计淮北、淮南、焦作、晋城、阳泉5个典型碎软煤层矿区煤层及其顶底板围岩力学参数和地应力,可得顶板岩层弹性模量为碎软煤层的2.56~6.71倍,泊松比为煤层的0.48~0.84倍,分析认为碎软煤层顶板岩层具有高弹性模量、低泊松比特征,顶板较碎软煤层更易压裂改造。参考地面煤层气水平井顶板加砂分段压裂思路,提出了井下碎软煤层顶板加砂分段压裂瓦斯抽采思路,即在煤层顶板稳定岩层中施工定向长钻孔(与煤层距离一般小于10 m),对钻孔由里向外逐段携砂压裂,形成以定向长钻孔将岩层完全联通、煤岩层中压裂缝网将煤层充分沟通的多级缝网,通过支撑剂保障缝网处于开启状态,实现碎软煤层瓦斯顶板定向长钻孔大区域高效抽采。建立了山西新景矿煤业有限责任公司某工作面3号煤层顶板加砂压裂地质模型,采用FracproPT软件对煤层及顶板水力加砂压裂进行数值模拟,得出顶板压裂裂缝在垂直方向上主要向煤层延伸,在水平方向上压裂缝长为煤层压裂缝长的3.49倍,表明碎软煤层顶板间接压裂较煤层直接压裂效果更好。在该工作面3号煤层顶板施工2个609 m定向长钻孔进行水力加砂分段压裂瓦斯抽采工程应用试验,2个钻孔压裂影响半径为20~38 m,压裂钻孔瓦斯抽采纯量分别为1025.11,2810.60 m^(3)/d,百米瓦斯抽采纯量为同区域顺层未压裂钻孔的5.6~15.4倍,实现了碎软煤层大区域瓦斯高效抽采。

极破碎顶板松软煤层支架选型及抱采工艺实践

为解决极破碎松软厚煤层工作面煤壁片帮和架前端冒顶难题,以芦岭煤矿极松软9煤综放开采为工程背景,分析了传统综放开采工艺特点,结合现场工程实践,研究了无梁端距抱采放顶煤工艺,其特点是通过加长顶梁实现无梁端距条件下采煤,设置800 mm伸缩梁保证超前支护,借助铲煤板铲平顶煤,带压移架,充分利用煤壁片帮进行采煤。针对此工艺特点,提出了该回采工艺合理的"三机"配套技术,并在芦岭煤矿特定地质条件下开展工业性试验,煤炭月产量达10万t,效果良好。

双管定向钻进技术在祁南矿313工作面的应用

针对祁南矿313工作面碎软煤层中顺煤层长钻孔施工时,煤层倾角大和32#煤碎软的问题,利用双动力头钻机及配套钻具,开展钻杆、套管双管定向钻进工艺研究;通过关键设备选型、钻杆和钻杆钻头、套管和套管钻头钻具选配、风动定向钻进工艺参数优化以及提出钻杆在套管内大直径筛管护孔等方法及试验,有效提高顺煤层钻孔深度,实现顺煤层长钻孔轨迹可控,并提高了地层适应性。

碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式

碎软低渗煤层的煤层气高效抽采一直是制约我国煤层气产业化发展和煤矿瓦斯灾害防治的技术瓶颈。以安徽淮北矿区芦岭煤矿8号碎软低渗煤层为研究对象,通过开展现场调研、分析测试、理论分析、水力压裂物理模拟和数值模拟等工作,提出了碎软低渗煤层的煤层气顶板岩层水平井分段压裂高效抽采模式,揭示了该模式下水力压裂裂缝的扩展延伸规律及控制机理,构建了该模式实施的主要工艺流程。研究结果表明:顶板岩层相对脆性、裂缝扩展压力较高,碎软煤层相对塑性、裂缝扩展压力低。在顶板岩层水平井进行套管射孔和水力压裂,顶板岩层中产生的压裂裂缝,在垂向上向下扩展伸延并穿入碎软煤层;同时在水平方向上也快速扩展延伸,由此产生的牵引作用撕裂下部碎软煤层形成较长的压裂裂缝。数值模拟结果显示,在给定的压裂施工参数条件下,顶板岩层中压裂在碎软煤层中形成的压裂裂缝长度,是直接在碎软煤层中压裂形成的压裂裂缝长度的6.7倍。碎软煤层和顶板岩层中形成的这些压裂裂缝在后续加砂压裂过程中被充填,成为煤层气从下部煤层向顶板岩层水平井运移的导流通道。显然,采用这种抽采模式,碎软低渗煤层可以获得良好的压裂改造效果。研究成果应用于淮北矿区芦岭煤矿煤层气顶板岩层水平井抽采示范工程,取得了很好的产气效果,水平井单井曾连续3,6,12个月平均日产气量分别为10 358,9 039,7 921 m^3,截至2017-11-16,已累计产气500万m^3,日产气量仍在3 200 m^3以上,创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新记录。

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

针对我国煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探技术需求和存在的问题,总结了碎软煤层本煤层钻进与筛管护孔、碎软煤层梳状钻孔定向钻进、复杂顶板高位钻孔定向钻进、全断面硬岩穿层钻进、冲击地压卸压钻进等技术与装备方面的研究和应用情况。提出了碎软煤层双管护孔定向钻进及碎软煤层旋转定向钻进技术与装备的研究思路,有助于提升碎软煤层钻进的钻孔深度、护孔筛管直径和钻进效率等,而碎软煤层定向钻进技术与配套装备的完善也将促进碎软煤层瓦斯抽采模式的变革。防冲防突钻孔机器人的研究是煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备的发展趋势,可为无人化矿井建设奠定基础;除此之外,还应着力解决好局部复杂地层对钻进的影响,更好地促进智能化钻探技术装备的进步,为煤矿安全高效生产提供保障。

松软破碎厚煤层综放回采巷道围岩失稳特征及控制技术

以鹤煤公司九矿3204孤岛综放面顺槽为研究对象,采用相似模拟方法研究了巷道围岩变形破坏特征和顶煤离层机理,提出强力护表和锚杆锚索协同支护的围岩控制方法。结果表明:随着支承压力的增加,锚固区和非锚固区裂隙逐渐发育,在掘进和受采动影响初期阶段,强力护表锚固能够保证巷道顶帮围岩的稳定;当支承压力集中系数k>2时,巷道围岩表面位移急剧增加,断面面积急剧减小,支护受力亦急剧增大。工业性试验表明,所提出的强力护表和锚杆锚索协同支护方法,能够保证服务期间巷道围岩的稳定,研究结果可为松软破碎厚煤层综放回采巷道支护提供技术参考。

碎软煤层瓦斯抽采钻孔孔壁稳定性分析

针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔率低、钻孔深度浅的问题,建立钻孔失稳的力学模型,分析了孔壁失稳的力学机理。从煤体结构、地应力、瓦斯压力和钻进工艺等方面阐述了孔壁失稳的影响因素,指出了孔壁的失稳破坏模式。建立孔壁稳定性数值模拟分析模型,采用HoekBrown准则对碎软煤层的力学参数进行估算,计算分析了钻孔孔壁周围的应力场和位移场,结果表明:碎软煤层钻孔承载力差,孔壁的破坏模式以剪切破坏为主,在孔底形成高应力递增区,容易诱发喷孔;处于破碎区的煤体首先向临空面方向产生位移,其上部位移量最大为4.3 mm,孔底位移量最大为3.1 mm。

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践:压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。

碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术研究

随着矿井采掘、钻探等技术的快速发展和矿井提能增效的需求日增,区域超前探测煤层瓦斯含量的需求越来越迫切。近年来研发的井下长钻孔高压水密闭取心瓦斯含量测定技术已应用于中硬煤层矿区,效果显著,但在碎软煤层中应用存在局限性。针对采用现有定向钻孔高压水密闭取心技术进行碎软煤层取心时,存在煤心易冲散、孔壁易坍塌、喷孔、取心率低、安全风险大的问题,并结合矿井钻取含原始水分煤样的需求,提出采用“气体取心钻进+气体输送封堵球+高压水与气体联合密闭煤心”的双循环介质碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术工艺,研发了基于井下压风取样钻进的长距离干式密闭取心系统,以压风代替压水用于钻孔排渣、取心钻头冷却和封堵球输送;以风和水两种介质组合打压驱动密闭取心装置在孔内关闭。选取淮南矿区某矿同一区域的主采煤层进行试验,碎软煤层井下长距离定点密闭取心瓦斯含量测值为6.65~7.82 m^(3)/t,常规取心瓦斯含量测值为5.11~6.45 m^(3)/t。工程试验表明,碎软煤层井下长距离定点密闭取心技术为碎软煤层井下长距离测定瓦斯含量提供了一种新途径,实现碎软煤层井下精准定点、长距离瓦斯含量精确测定,可解决碎软煤层井下大区域探测瓦斯赋存信息需求,保障矿井安全高效生产。