低渗厚煤层水力压裂增渗技术研究与应用

为增强保安煤矿15#低渗厚突出煤层的透气性,提高穿层钻孔瓦斯的抽采效果,改善煤矿生产接替困难的现状,采用工业试验和数值分析相结合的方法,对低渗厚煤层的水力压裂增透技术及工艺进行试验研究。结果表明:15#煤层水力压裂影响半径高达40m,透气性显著增强,抽放浓度提高3倍以上,抽放纯量提高4倍以上,掘进速度提高2.5倍以上;形成了一整套包括压裂参数设计、压裂钻孔封孔、注水压裂增透、压裂效果考察、煤巷条带瓦斯抽采、煤巷掘进等适合阳泉矿区厚煤层的水力压裂增渗技术。     

松软煤层穿层钻孔水力压裂实验研究

分析了煤层水力压裂增透的原理,设计了两个穿层钻孔(一个压裂对象为构造软煤,另外一个为软煤的坚硬顶板)的压裂方案,在淮北矿业(集团)有限责任公司临焕煤矿进行了现场试验,采用压裂后钻孔瓦斯抽采浓度与流量等指标考察压裂效果.试验表明,水力压裂对松软煤层效果甚微.针对这一问题,提出了对松软煤层的坚硬顶板进行压裂以达到对该煤层卸压增透的目的,现场结果表明松软煤层顶板压裂能大幅增加松软煤层的渗透率,增强瓦斯抽放的效果.     

低透气性近距离强突出煤层群瓦斯治理模式研究

低透气性近距离强突出煤层群首采层打钻极易喷孔,引发瓦斯安全事故。以皖北煤电祁东煤矿II三采区为例,基于首采层7₁煤分段压裂水平井预抽煤层瓦斯改性效果和上区段8₂煤定向长钻孔拦截抽采下临近层9煤卸压瓦斯效果,提出了综合运用分段压裂水平井、定向长钻孔、地面钻井、多用底板巷、顶板走向钻孔等技术的瓦斯治理模式,可有效减少井下工程量,提高钻孔施工及抽采效率,保证煤层安全高效开采。该模式演变后可进一步减少巷道和钻孔工作量,有效缓解接替紧张压力。     

赵固二矿千米定向煤钻孔区域瓦斯治理 关键技术研究

针对中硬高承压水煤层瓦斯治理周期长、突水威胁严重等问题,利用千米定向煤钻孔超前预抽代替底板抽采岩巷进行区域瓦斯治理,同时研制出基于煤层深孔定点密闭取心的瓦斯含量测试装置,解决了瓦斯防突措施效果检验参数难以测定的问题。该技术经在河南能源焦煤公司赵固二矿试验,实现了对600 m煤巷条带煤层瓦斯的均匀抽采控制,完成了超长区段一次性整体评价,保证了煤巷安全掘进,成为赵固二矿深部煤层区域瓦斯治理的新技术,可为类似地质条件的煤层区域瓦斯治理提供参考。     

CO_2致裂增透技术的抽采半径考察研究

为了提高在某矿15号煤层穿层钻孔瓦斯抽采效率和缩短瓦斯抽采达标时间,利用CO_2致裂增透技术对瓦斯抽采钻孔致裂作用进行抽采半径考察,通过对煤层致裂增透前后的瓦斯抽采效果进行对比分析可知三组不同瓦斯抽采半径的最优抽采钻孔间距,最终确定瓦斯抽采半径。现场试验表明,CO_2致裂增透技术条件下,三组瓦斯抽采半径致裂孔的布置方式,1.5m瓦斯抽采半径能有效缩短抽采达标时间,提高瓦斯抽采率。     

煤矿井下水力压裂增透抽采瓦斯存在问题分析及对策

在分析总结我国煤矿井下水力压裂增透抽采已有研究成果的基础上,从理论基础、装备水平、技术工艺等方面探讨了井下钻孔水力压裂取得的成绩与不足,认为目前煤矿井下水力压裂增透抽采理论与技术多借鉴于石油气、煤层气开采的相关研究成果,尚没有完全形成以煤层瓦斯赋存特征、采掘应力场、裂隙场、流场的动态变化特征和井下瓦斯抽采特点等为基础的、特色鲜明的煤矿井下水力压裂理论及技术体系。据此,提出了相应对策:大力发展瓦斯抽采地质学,研究水力压裂前、中、后地应力和水力裂缝演化规律及瓦斯抽采的动态响应特征;进一步提高煤矿井下水力压裂的钻孔、封孔、压裂、测试等相关的设备水平;以缝网改造为煤矿井下水力压裂技术的发展思路,结合井下"三场"动态变化特征,有的放矢进行水力压裂设计,丰富内涵,扩展外延;大力发展井下与地面联合水力压裂抽采瓦斯及煤气共采等理论与技术。为煤矿井下水力压裂的推广应用提供一定的借鉴。     

超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术研究

水力割缝是一种重要的强化瓦斯抽采增透技术,现已开始在低透气性突出煤层应用。为了进一步考察其实际效果,选取新集二矿1煤组220112工作面底抽巷实施了100 MPa超高压水力割缝试验。试验结果表明:割缝后,瓦斯抽采纯量平均0.77 m3/min,是未割缝钻孔的瓦斯抽采纯量(0.34 m~3/min)的2.26倍;1煤层组瓦斯抽采钻孔抽采30、60天的抽采有效半径为5 m、7.5 m,极限抽采半径为8 m,相比水力冲孔、未割缝钻孔抽采有效半径显著增加,超高压水力割缝强化抽采瓦斯技术具有广泛的应用前景。     

采掘应力作用下顺层钻孔孔径时空演化规律

为研究采掘应力对顺层瓦斯抽采孔孔径的影响,建立考虑煤的塑性软化的黏弹塑性模型,得到钻孔孔径表达式,运用钻屑法研究煤体内采掘应力分布规律。以鹤壁八矿3103北工作面为例,对比分析了相同采掘应力作用下软、硬煤层内顺层钻孔孔径的时空演化规律。结果表明,在松软煤层内实施顺层钻孔,钻孔形成初期在应力集中区域极易形成塌孔,随着时间的推移,应力集中区钻孔逐渐被压实,甚至在原始应力区也出现塌孔现象,瓦斯抽采通道急剧破坏,导致松软煤层钻孔难以保持长时间高体积分数抽采;在硬煤层内实施顺层钻孔,孔径随着时间的推移有所缩小,但依然处于稳定状态,未发生堵孔现象,瓦斯抽采通道顺畅,硬煤层钻孔能保证较长时间的高体积分数抽采。因此,充分考虑采掘应力对具体煤层孔径影响,为钻孔稳定性防护提供依据,对提高瓦斯抽采效果具有重要意义。     

孟津煤矿顺层抽采钻孔合理封孔深度

瓦斯抽采钻孔作为瓦斯抽采的源头,其合理封孔深度直接影响着瓦斯抽采的效果.为了确定适宜孟津煤矿顺层抽采钻孔的合理封孔深度,采用钻屑解吸指标法、钻屑量法测定了卸压区的范围.在卸压区范围的基础上,使用瓦斯运移规律测试装备考察分析了顺层抽采钻孔在不同封孔深度下的轴向瓦斯运移规律,并确定了瓦斯运移负压影响区.最后,根据瓦斯运移负压影响区,确定了孟津煤矿顺层抽采钻孔的合理封孔深度并提出了"抽采钻孔合理封孔深度应超出瓦斯运移负压影响区"的理论.通过在孟津煤矿的现场应用,表明使用该方法确定的合理封孔深度科学、可靠,有效地提高了预抽瓦斯体积分数,进而提高了瓦斯抽采效率;同时,可为其它矿井合理封孔深度的确定提供了分析参考.     

煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔方法研究

针对煤层钻孔抽放瓦斯后煤层孔隙裂隙发育致使瓦斯浓度下降,钻孔有效抽放期缩短的技术难题,首次提出二次封孔方法.阐述了二次封孔方法的基本原理,建立了微细膨胀粉料颗粒在孔隙裂隙中运动的数学模型,并在晋城煤业集团公司寺河矿开展了6个月的现场工业性试验.结果表明:应用二次封孔方法可提高瓦斯抽放浓度25%～50%,延长钻孔的有效瓦斯抽放期3个月.     

突出煤层深孔水力致裂驱赶与浅孔抽采消突研究

通过三角形布置水力致裂钻孔、互为卸压孔和观测孔、深封孔短封孔长度等保障了突出煤层掘进头超前深孔水力致裂驱赶的安全性.采用现场试验观测了水力致裂的裂缝扩展与瓦斯驱赶范围,分析了水力致裂前后突出危险性指标、打钻难易程度、迎头瓦斯体积分数、瓦斯抽采效果和消突效果的变化.在水力致裂导致的孔隙水压力和瓦斯驱赶作用下,水力致裂结束后立即钻区域抽采孔较困难;4h后打钻就非常容易,很少出现吸钻、喷孔、煤炮声等现象.薛湖矿4条煤巷掘进的实践表明该技术区域消除了突出危险性.突出煤层掘进节省了10个区域孔的工程量和施工时间,区域消突瓦斯抽采时间减少8.3h以上.     

液态CO_2相变致裂二次增透技术

针对平煤十三矿瓦斯压力高、含量高,前期水力冲孔效果不理想,钻孔后期抽采效率低等情况,将液态CO_2相变致裂技术应用于煤层二次增透。采用理论分析与现场试验相结合,阐述相变致裂机理,分析液态CO_2相变致裂技术优势,考察相变致裂效果。现场试验表明,相变致裂后,煤层裂隙大幅增加,抽采54 d,煤层瓦斯单孔平均抽采纯量为致裂前的1.08~1.73倍。     

水力压裂煤储层卸压增透技术的适用性分析

水力压裂煤储层技术在不同矿区应用过程中受不同煤体破坏类型和围压条件的影响,其卸压增透效果差异性较大.为了明确该项技术的井下适用条件,优化其实施工艺,切实提高煤层瓦斯抽采率,通过分析和总结河南省不同矿区实际煤储层的水力压裂试验数据资料发现,水力压裂增透技术对Ⅰ,Ⅱ破坏类型煤体的增透效果比较明显,而在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ破坏类型的松软煤层中适用性则具有一定的局限性,具有压裂范围小、裂缝闭合快、增透效果不明显等特点.所得结论对于选择合理的水力压裂储层并进一步优化完善高效预抽本煤层瓦斯技术具有一定的指导意义.     

利用SF_6示踪技术测试煤层瓦斯抽采半径

为了合理布置煤层抽放钻孔数量,采用SF6示踪技术测定煤层瓦斯抽采半径。沿煤层布置一排试验钻孔,选定其中某几个孔作为SF6释放孔,其余作为抽采试验孔,在一定的抽采负压条件下,通过观测抽采试验孔的瓦斯浓度随时间的变化情况,可以确定煤层瓦斯抽采半径。在朱集矿的试验中,通过一个月的连续观测,测得该矿11-2煤层瓦斯抽采半径可以达到5 m。利用SF6示踪气体可以较好的测定煤层瓦斯抽采半径。     

深水平强突出煤层石门揭煤技术的探讨

采用水力压冲技术,在区域防突措施钻孔施工前先对原始煤体进行水力掏穴,冲出大量煤体和瓦斯,对原始煤体进行卸压增透,以增加煤层的透气性系数,再对卸压后的煤体施工区域防突措施钻孔。将此技术应用在新庄孜煤矿-812 m南边界石门揭B11b煤层中,使得B11b煤层原始瓦斯压力由2.8 MPa降到1.2 MPa,原始瓦斯含量由12.31 m~3/t降到8.5 m~3/t,煤层透气性系数由原来的0.004 83 m~2/(MPa~2·d)增加到0.683 1 m~2/(MPa2·d),水力压冲共计冲出煤粉量285 t,区域措施钻孔瓦斯抽采浓度达35%,瓦斯抽采总量135 316.8 m~3,抽采率63.9%,既缩短了揭煤工期,又保证了揭煤施工过程中的安全。     

上向穿层钻孔水力冲孔卸压增透技术研究

为考察水力冲孔卸压增透技术的消突效果,在潘二煤矿A组煤底抽巷穿层钻孔中进行试验。在煤层段每米冲孔时间不低于60min条件下,单孔冲出煤量约2.0t/m,可形成直径约1.3m孔洞,水力冲孔后钻孔周围的卸压范围显著增加,钻孔瓦斯抽采量提高3倍,透气性系数由原来0.19m2/(MPa2.d)提高到1.71m2/(MPa2.d),钻孔流量衰减系数降为冲孔前的1/3,有效影响半径达到5m,降低了瓦斯突出潜能和危险性,卸压增透效果明显。     

地面群孔瓦斯抽采技术应用研究

为保证新集一矿突出煤层13-1煤北中央采区的安全开采,先后开采131103、131105等11-2煤层工作面作为保护层。首先在上述两个工作面共布置了6个地面钻孔,建立了地面群孔瓦斯抽采系统,预抽采动区被保护层13-1煤瓦斯。接下来对地面钻孔抽采瓦斯参数进行了考察,主要包括基于示踪技术考察了131105工作面采动卸压地面钻孔走向及倾向瓦斯抽采半径,统计分析被保护层瓦斯抽采率,同时就地面群孔与井下底板巷穿层钻孔瓦斯抽采两种方法进行了抽采率、工程费用等方面的对比。研究结果表明：新集一矿的地层条件下地面钻孔抽采煤层卸压瓦斯沿煤层倾向和走向的抽采半径分别不小于160m和240m;采动区地面群孔瓦斯抽采率达35%以上;地面钻孔相对比井下底板巷,在抽采瓦斯方面具有技术上可靠、安全、经济等优点。     

水力压裂穿层钻孔“三段式”封孔技术的研究及应用

水力压裂作为一项煤矿区域防突技术已广泛应用于突出煤层,其中压裂钻孔封孔技术较为关键,直接决定压裂成功与否.为了提高煤矿井下水力压裂钻孔封孔的质量、减少封孔材料的用量、简化封孔工艺、最大限度地保证压裂的成功,对水力压裂穿层钻孔"三段式"封孔技术进行了初步探讨,在淮北矿业(集团)有限责任公司临涣煤矿进行了现场试验.两个穿层钻孔的试验结果表明,该封孔技术能对煤(岩)体的原始裂隙进行有效封堵,较好地杜绝了压裂过程中由于裂隙贯通而产生的漏水、蹿浆现象,最大限度地提高了水力压裂措施的成功率,可为其他煤矿穿层钻孔封孔提供一定的参考.     

高瓦斯综采工作面瓦斯涌出预测与立体防治技术研究

针对高瓦斯低渗透煤层工作面瓦斯抽采与灾害控制难题,以土城矿15311综采工作面为研究对象,首先,初步分析了工作面瓦斯涌出来源,运用分源预测法预测了其瓦斯涌出含量,接着针对性地在3#煤层运用了顺层钻孔、底抽巷穿层钻孔、高位钻场以及采空区埋管等多种抽采方法,并联合工作面配风提出了立体瓦斯防治技术。最后,通过施工底抽巷截留钻孔对底抽巷溢出瓦斯进行截留抽放,考察了抽采效果。结果表明:15311综采工作面瓦斯来源主要为3#煤层和下邻近层,瓦斯抽采总量为45.4 m3/min,瓦斯抽采率为85.33%,回风流中瓦斯浓度未超过1%,瓦斯抽采达标,有效地控制了工作面高瓦斯的涌出。     

煤层正交各向异性渗透率演化模型

为了描述煤层气开采和煤层瓦斯抽采过程中煤层各向异性渗透率的演化行为,构建了有效应力变化和瓦斯吸附/解吸双重作用下的煤层正交各向异性渗透率演化模型,推导了立方型和指数型两种模型表达式并对其可靠性进行了验证.基于构建的煤层正交各向异性渗透率演化模型,模拟了煤层渗透率各向异性对顺层钻孔预抽瓦斯的影响.结果表明:当渗透率各向异性程度相同时,随着钻孔与最大渗透率方向夹角的增大,单孔抽采流量逐渐升高;钻孔方位变化对单孔抽采流量的影响与渗透率各向异性程度呈正比例关系.