煤矿井下控制水力压裂煤层增透关键技术及应用

为了减少低透气性煤层瓦斯抽采钻孔工程量和提高瓦斯抽采效率,对低透气性煤层增透理论及技术应用进行了研究,基于煤层控制水力压裂概念,开发了煤矿井下水力压裂数值模拟与优化设计软件,提出了高承压上向孔和近水平孔的封堵方法,形成了压裂水分布范围探测关键技术,并进行现场应用。结果表明,通过定点定向定区域压裂实现了目标区域煤层的增透,控制水力压裂前后相比单孔瓦斯抽采量提高了5倍以上,部分工作面瓦斯抽采钻孔工程量减少了1/3,采掘工作面单产单进大幅提高,煤矿井下控制水力压裂是对常规水力压裂技术的改进和创新,能有效促进目标区域煤层增透、提高瓦斯治理效果。     

低渗煤层控制水力压裂增透技术研究及应用

针对低渗煤层水力压裂存在裂缝扩展范围小、增透效果差和在增透影响范围内容易留下空白带等问题,将控制水力压裂引入低渗煤层水力压裂实践。分析了低渗煤层控制水力压裂增透机理,提出了低渗煤层控制水力压裂增透技术及封孔方法,并在夏店煤矿进行了工程应用。结果表明:控制水力压裂使水力裂缝沿着控制孔的方向扩展延伸并有效增加煤层渗透性;组合式封孔技术封孔效果好、成本低,实现了一孔多用;控制水力压裂技术应用后,煤层渗透率有效增大,钻孔瓦斯抽采纯流量为原始煤层的4.969倍,3117工作面瓦斯预抽效果达标,回采期间回风巷瓦斯浓度始终低于0.5%,实现了工作面的安全高效开采。     

高突煤层水力压裂视电阻率响应特征分析

水力压裂常应用于高突煤层的卸压增透,但缺乏较好的效果考察手段。介绍了水力压裂过程视电阻率响应原理,建立了水力压裂视电阻率响应现场测试系统,并在新田矿1404底抽巷试验研究了高突煤层水力压裂过程煤体的视电阻率响应。结果表明,压裂孔两侧煤层45 m范围内视电阻率在压裂前后发生明显的变化,且压裂孔对称区域视电阻率的变化存在差异。通过煤层水力压裂视电阻率响应系统可有效地判断水力压裂过程中煤体裂隙场的变动,预测水力压裂范围,为确定水力压裂孔距提供了依据。     

井下煤层水力压裂理论与技术研究现状与发展方向

煤矿瓦斯治理的关键是解决煤层低渗透率的难题,而水力压裂增透技术是解决该问题的有效途径。基于国内外学者水力压裂研究成果,对井下煤层水力压裂理论、工艺技术以及压裂设备的研究现状进行了系统的梳理,详细分析了水力压裂理论的裂隙扩展规律与模型研究进展,以及压裂工艺中较为先进的定向水力压裂技术、脉动水力压裂以及缝网压裂技术,并指出了井下煤层水力压裂技术的发展方向：进行多手段的水力压裂基础理论研究;开发多元化及适合各类煤层的水力压裂技术;实现水力压裂装备一体化和智能化。这些方向的研究对于水力压裂技术的发展具有一定的借鉴意义。     

厚硬顶煤多维水力压裂增加冒放性技术

针对厚硬煤层放顶煤开采时顶煤冒放性差的问题,通过现场试验研究了超前水力压裂结合支架间水力压裂的过程规律,考察了采取措施后顶煤的冒放效果。结果表明：①超前水力压裂的压力峰值在14MPa至20MPa之间,压裂总时间在74分钟至138分钟之间。H1号孔和H3号孔比H2号孔的压裂持续时间长、压力峰值高；②支架间水力压裂的压力峰值在18MPa至22MPa之间,压裂总时间在15分钟至27分钟之间。上端头的水压峰值较下端头水压峰值更高,压裂持续时间也更长；③超前水力压裂钻孔较深,控制范围大,压裂时间长但压力峰值低；支架间水力压裂钻孔浅,控制范围小,压裂时间短但压力峰值高;超前水力压裂钻孔平均注水量约为支架间水力压裂钻孔平均注水量的5倍；④试验工作面水力压裂稳定期的放煤高度较未进行水力压裂区域增加82%,已接近最佳采放比。     

干河煤矿卸支耦合动压巷道围岩控制技术研究

为解决干河矿动压巷道变形量大的难题,针对干河矿2-118D工作面围岩地质条件,采用水力压裂技术改变顶板岩层结构,控制动压巷道围岩应力,降低巷道支护难度。首先通过数值模拟分析了水力压裂控制动压巷道采动应力的原理,计算了压裂关键层,提出了有针对性的水力压裂设计方案|其次开展了水力压裂现场施工,同时提出了高预紧力强力支护和强帮支护方案,最后进行了矿压监测。研究结果表明：采用水力压裂和高预紧力强力支护的卸支耦合动压巷道围岩控制技术后,巷道变形量基本与普通实体煤巷道相同,较该矿原动压巷道的围岩变形量降低90%以上,巷道围岩控制效果极为显著。     

水力压裂纵向切槽钻头的研制与试验

为解决采用常规水力压裂进行强烈动压巷道切顶卸压效果难以控制的问题,研发了一种钻孔内纵向切槽钻头,进行了一系列实验室试验和井下试验。研究结果表明,纵向切槽钻头可有效实现孔内纵向切槽,引导水力压裂主导裂缝沿切槽方向起裂和扩展,满足强烈动压巷道水力压裂切顶卸压要求,切槽效率比传统的横向切槽钻头效率提高30%~50%;何家塔煤矿井下试验表明,纵向切槽水力压裂主导裂缝沿巷道轴向起裂和扩展,扩散范围达20～30 m,起裂压力明显小于常规水力压裂的起裂压力;受工作面回采影响后纵向切槽水力压裂段煤柱应力增量相对普通水力压裂段和未压裂段明显较小,切顶卸压效果明显好于普通压裂段和未压裂段;纵向切槽水力压裂切顶卸压段工作面端头三角区悬顶长度平均3.7 m,明显小于常规压裂段和未压裂段平均悬顶长度6.2 m和8.0 m,且顶板断裂较为整齐。     

钻爆压抽四位一体技术在单一煤层瓦斯治理中的应用

通过对单一煤层水力压裂穿层定向卸压技术的应用研究,逐步查清该方法不能保证局部顺层抽采瓦斯效果的原因,进一步提出增设措施孔和穿层卸压控制爆破与水力压裂配合的钻爆压抽一体化消突措施,结果表明,该措施可控制水力压裂方向,避免无序压裂,消除了单纯水力压裂技术所造成的应力集中,可使煤(岩)体实现整体卸压,最终消除突出危险性。     

水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用研究

为了研究水力压裂技术在矿井瓦斯抽采中的应用,以41011工作面为例,根据矿井实际地应力参数信息,设计了压裂孔和导向孔钻孔布置,介绍了组合式封孔工艺,分析了水力压裂的主要设备为管路系统、辅助系统、控制装置和动力装置。研究得出,当采取水力压裂技术后,钻屑瓦斯解吸指标K₁明显下降,降低了工作面的危险性,压裂孔的平均瓦斯抽采纯量和平均抽采浓度分别提高了2.2倍和2.6倍。研究为后期瓦斯治理提供了技术支持。     

岩体水力定向压裂技术的研究

水力压裂是高效破岩技术之一,在煤岩层增透、卸压控制等方向应用较多。但是,目前煤岩体定向压裂控制方向的研究相对较少。为突破常规煤岩体压裂限制,本文研究水力破岩压裂技术的可控性及适用性。为分析水力压裂的定向控制性,开展了理论和数值分析,理论分析和数值分析结果相一致,在λ<1时,起裂、扩展压力随λ增加而增加,在λ>1时起裂压力、扩展压力随λ增加而减小,主裂纹沿最大主应力方向扩展;在近似等围压条件,定向控制裂纹可以引导和控制破岩主裂纹的扩展,且定向控制裂纹与最大主应力的方位角越小,定向控制裂纹对主裂纹引导作用越明显。基于理论和数值分析结果,可知水力定向压裂技术具有较好的应用价值。