各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

煤巷条带超高压水力割缝增透试验

针对林华煤矿20917综采工作面瓦斯治理时间长、难度大和透气性低导致的瓦斯抽采效率差等问题,对超高压水力割缝技术进行了研究和利用,以本矿煤巷条带区域9^#煤层为试验对象进行卸压增透,提高瓦斯抽采效率,降低在抽采过程中伴随的煤与瓦斯突出风险.设计布置了割缝钻孔和普通钻孔进行对比,并记录了9^#煤层割缝前后的钻孔和瓦斯抽采数据进行分析.结果表明：割缝钻孔平均排出的煤屑量为3.3 t,日平均瓦斯抽采浓度相比普通钻孔提高1.61倍,瓦斯抽采纯量相比普通钻孔提高了约2.04倍.超高压水力割缝技术可对煤层的透气性进行较大程度的改善,且能有效地提高瓦斯抽采效率,可以解决由于低透气性带来的煤巷条带煤层掘进速率问题.     

淮北芦岭煤矿构造煤层钻孔瓦斯抽采效果分析

芦岭煤矿提高煤层瓦斯抽采率的技术途径是采用人为方法预先松动原始煤体，提高煤层的透气性、水力压裂、水力割缝等水力化措施以及预裂爆破等，合理布孔和改变钻孔参数。本文以U825工作面为例．分析不同的钻孔间距、钻孔孔径、布置方式及封孔材料的钻孔瓦斯抽采效果，为特厚构造煤层顺层钻空瓦斯抽采参数的合理设计提供依据。     

井下煤层水力压裂裂缝导向机理及方法

针对井下煤层水力压裂裂缝扩展无序导致抽采效率低的问题,提出水力压裂裂缝导向方法,即采用高压水射流割定向缝导向裂缝起裂及扩展。在压裂孔周边合理布置导向钻孔,压裂孔及导向钻孔均采用水射流割缝技术在煤孔中形成定向缝隙。在地应力作用下缝隙尖端形成剪切破坏区,在内水压的作用下裂缝在缝隙尖端起裂;通过计算射流割缝缝隙水平延长方向最大主应力方向得出,裂缝在尖端起裂后沿水平方向延伸;在此基础上研发了裂缝导向技术工艺,即钻孔布置工艺、封孔工艺及压裂工艺,并成功应用于典型低透气性煤层;试验结果表明:该方法能够导向裂缝的延伸,压裂半径为25 m以上;抽采数据表明瓦斯抽放平均浓度为68%,单孔平均抽放纯量为0.037m3/min;采用裂缝导向技术后相比普通孔瓦斯抽放纯量提高了11.26倍,抽放浓度提高了2.12倍。     

穿层钻孔煤巷条带水力压裂防突技术及应用

针对低渗高突煤层煤巷条带预抽区域瓦斯治理难题,运用弹性力学理论,结合高压水动力特性,提出穿层钻孔煤巷条带水力压裂防突技术,建立计算目标煤层起裂压力计算模型,集成配套井下压裂成套设备,并进行工业性试验。试验结果表明:技术实施后,压裂钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量曲线呈现"高—低—高"特点,体现了压裂改造的双重作用;相比于水力割缝孔和普通穿层孔,压裂孔的瓦斯抽采纯量分别提高了20倍和133倍;预掘煤巷处的残余瓦斯含量降到8m3/t以下,穿层钻孔煤巷条带水力压裂增透技术消突效果显著。     

顺层钻孔抽采瓦斯有效半径数值模拟与实测研究

为准确地确定顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径,结合实际阳泉矿区某矿煤层赋存参数条件,运用FLUENT软件对单个钻孔和多个钻孔抽采下的煤层瓦斯渗流场进行了数值模拟分析。结果表明:该工作面抽采时间60 d的单个钻孔理论瓦斯有效抽采半径为1.73 m;多钻孔抽采条件下相邻钻孔的间距对瓦斯渗流场的影响具有一定的规律;数值模拟结果与实测结果具有较好的一致性。     

高压水射流自旋式割缝技术在柿花田煤矿的应用

瓦斯治理的根本措施是抽放,然而应用单一钻孔预抽瓦斯,钻孔直径是决定抽放效果的关键因素.孔径小,其自由面小,瓦斯的排放速度低,等待开采的时间较长,影响了矿井的生产效率,而孔径又不能太大,否则在煤层综合应力下,孔的形成和孔的稳定性会受到破坏,而且孔径大的钻孔钻进速度较慢,效率较低,而且钻孔的有效煤孔段往往只占整个钻孔的一小部分,完全没有必要施工孔径较大的钻孔.介绍了一种新型高压水射流自旋式割缝技术,该技术可以有效解决上述问题.高压水射流自旋式割缝设备主要由高压水泵、水箱、高压胶管、高压密封钻杆、旋转接头、力矩喷头和喷嘴组成,该技术是在瓦斯抽采钻孔完成后,利用钻机将切割钻具输送至孔内,采取后退切割的方式,对钻孔内煤体进行切割,形成若干个垂直于钻孔方向的圆盘状缝隙,使孔内煤体暴露面积增加,同时由于高压注水作用,缝隙周围裂隙增加使煤体的透气性增强,从而有效提高抽采效率.试验发现：该技术的割缝半径为0.6～0.7m,使用该技术切割后,瓦斯涌出量大幅增加,百米瓦斯自排量和瓦斯抽放量分别是非切割钻孔的5.6和4.5倍,且衰减系数有所增加.     

低渗透煤层合增透技术应用

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出低渗透煤层复合增透的方法.利用RFPA2D-Flow和FLAC3D软件分别对水力压裂裂缝的起裂、延伸与扩展规律和CO_2增透钻孔内提前制造不同长度的预裂缝对爆破致裂增透效果的影响情况进行模拟.进行井下复合增透效果工业试验,运用瓦斯压力降低法分析预裂后煤层瓦斯抽采半径.结果表明:模拟注水压裂27 PMa时,割缝半径约2 m,随着煤壁预裂缝长度增加,CO_2爆破致裂影响半径呈线性递增的趋势.现场复合增透后煤层抽采率显著提高,有效半径由原来单一水力压裂的2 m增加到7 m左右.     

本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的渗流场数值模拟

针对本煤层瓦斯抽采钻孔的合理布置问题,通过建立钻孔抽采瓦斯的渗流场控制方程和煤层变形场控制方程,结合钻孔抽采瓦斯的初始及边界条件,推导出钻孔抽采瓦斯渗流的固气耦合数学模型.以石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔瓦斯抽采为工程实例,基于研究区域的煤层瓦斯赋存特征,采用数值模拟计算方法,获得了本煤层单一顺层钻孔周围煤层瓦斯压力、煤层瓦斯渗透率、煤层瓦斯渗流速度和煤层变形的分布规律.确定了本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效影响半径,从而为本煤层单一顺层瓦斯抽采钻孔的优化布置提供了依据.研究结果表明,石壕煤矿本煤层单一顺层钻孔抽采瓦斯的有效半径分别为4 m左右;在延长钻孔抽放时间不到20%的情况下,减少了钻孔工程量50%左右,抽采效果良好.     

煤矿井下水力压裂技术抽采煤层瓦斯应用及前景

南桐矿区属煤与瓦斯突出区域,煤层透气性系数差,抽采难度大。为此公司在所属矿井应用水力压裂技术抽采煤层瓦斯。试验结果表明:压裂后,压裂孔瓦斯抽采浓度和抽采量呈现"波浪形(高位)长时间稳定缓慢下降"特点,压裂孔瓦斯抽采量大幅提升,单孔产气量比水力割缝孔和普通抽采孔分别提高436倍和570倍。而压裂影响区内抽采孔瓦斯抽采浓度和抽采量呈现"高位较快下降到零"的特点。水力压裂技术抽采煤层瓦斯效果明显,用于煤矿瓦斯治理经济效益显著,应用前景广阔。     

基于响应面法的煤体有效抽采半径多因素交互作用

钻孔有效抽采半径是煤层瓦斯抽采参数设计的重要指标。为探究煤体基础物性因素(含水率、渗透率、瓦斯压力)对钻孔有效抽采半径的影响特性,首先基于煤的基质-裂隙双重孔隙理论,考虑水分对裂隙开度及基质瓦斯吸附性能的弱化影响,构建了考虑水分影响的煤体渗透率模型与固-气多场耦合模型;其次利用多物理场数值模拟方法并结合响应面分析法研究了不同因素对钻孔有效抽采半径的交互作用。研究发现有效抽采半径与初始渗透率呈正相关,而与初始瓦斯压力、含水率均为负相关;建立了瓦斯抽采半径与三个因素的二次多元响应面模型,并分析发现含水率、初始瓦斯压力、渗透率对有效抽采半径的影响显著性逐次降低,并且在一定程度上,煤体初始瓦斯压力的增加会弱化煤岩初始渗透率和含水率对钻孔有效抽采半径的影响,煤体初始渗透率和含水率也会显著改变初始瓦斯压力对有效抽采半径的影响,然而煤体初始渗透率几乎未改变含水率对有效抽采半径的影响。     

低渗透性煤层井下低压液态CO_2促抽瓦斯工程实践

针对韩城矿区3#煤层渗透率较低,瓦斯抽采难度大、抽采效率低等难题,在理论分析液态CO_2低温相变增渗和驱替置换煤层瓦斯机理的基础上,提出了低压(2~3 MPa)液态CO_2顺层钻孔压注增透技术,研发了适用于煤矿井下的低压液态CO_2压注系统和工艺,确定了压注过程的关键参数。桑树坪2号井3#煤层工业性试验结果表明:整个CO_2压注过程大致可分为相态平衡建立、注液和保压3个阶段;液态CO_2在3#煤层中的渗流扩散半径超过18 m,此半径范围内瓦斯抽采浓度整体得到提高,抽采活跃期至少一个月。距压注孔6,12和18 m的抽采孔单孔瓦斯浓度平均值分别达41.66%,35.43%和24.14%,且随距压注孔间隔的增大,单孔瓦斯抽采浓度呈逐渐减小趋势,与钻孔内CO_2浓度变化趋势一致。整个抽采活跃期内,支管平均瓦斯抽采浓度和纯量分别达48.49%和1.42 m3/min,明显高于水力割缝后的瓦斯抽采效果,压注后32~40 d,衰减至29.37%和0.88 m3/min,仍高于原始煤层瓦斯抽采浓度。     

瓦斯抽采钻孔布置方案参数优化： 以保德煤矿为例

针对高瓦斯中低渗透率厚煤层工作面常规预抽钻孔预抽浓度低、钻孔衰减系数大、瓦斯预抽时间长等难题,以保德煤矿8号煤层为研究对象。通过8号煤层渗透率各项异性实验分析和现场测试,对8号煤层钻孔布孔方位以及封孔工艺最优参数进行研究。结果表明：预抽钻孔与煤壁裂隙呈90°,钻孔倾角为-6°时钻孔抽采效果最好;采用新材料+囊袋作为封孔材料,封孔距离8～16 m时,增大压力和“两堵两注”的注浆方式,能有效地提供封孔的气密性。通过3种不同的测试方法,确定4个月时的钻孔抽采有效半径约为4 m, 6个月有效抽采半径为4.5 m。以此为依据,得出工作面瓦斯抽采钻孔最佳布置参数。研究成果为高瓦斯低渗透率厚煤层工作面预抽钻孔设计提供了参考依据。     

基于COMSOL Multiphysics的钻孔抽采有效半径影响因素研究

钻孔抽采有效半径是瓦斯抽采设计的基础参数及钻孔布置间距确定的重要依据,其影响因素众多。为理清各影响因素,文章建立了顺层钻孔周围瓦斯流动规律的固气耦合模型,运用COMSOL Multiphysics从煤层赋存参数、抽采参数两个方面对模型进行解算。结果表明:煤体赋存参数中,煤层初始渗透率起主控作用,其次是煤层初始瓦斯压力,煤层埋深通过压实煤体减小煤层渗透率影响抽采有效半径;抽采参数中,在同一煤层,有效预抽期内抽采时间很大程度上控制着抽采有效半径,钻孔直径影响程度相对抽采时间减小,抽采负压影响不明显。     

基于抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径研究

为了准确考察保护层开采条件下被保护层地面钻孔有效抽采半径,从而为合理布置地面钻孔提供依据,对现有测定地面钻孔有效半径存在的问题进行了分析。基于瓦斯流动理论和煤层瓦斯抽采量、抽采率等在防治煤与瓦斯突出等瓦斯灾害以及煤层气开发和利用的要求,在保证煤层瓦斯预抽率大于等于30%和煤层瓦斯含量小于等于8 m3/t条件下,提出了基于考察地面钻孔抽采瓦斯量测定地面钻孔有效半径的新方法,接下来应用该方法对地面钻孔有效抽采半径进行了计算。研究结果表明:基于钻孔瓦斯抽采量测试新集一矿北中央采区131105工作面地面1#、2#、3#和4#钻孔有效抽采半径分别为85 m、55 m、75 m和115 m,并验证了示踪技术法测定的地面钻孔有效抽采范围内抽采指标不达标。     

大直径抽采钻孔在采空区瓦斯抽采中的应用

为解决"U"型通风存在的上隅角瓦斯积聚及采空区瓦斯涌出等问题,研究利用大直径钻孔(φ550 mm)抽采采空区瓦斯技术,该技术通过低负压、高流量对采空区瓦斯进行抽采,从本质上改变采空区漏风流流场,从而降低上隅角瓦斯浓度及减少采空区瓦斯涌出.分析了大直径钻孔抽采上隅角瓦斯原理,从钻孔及护管参数、护管施工技术及参数、封孔工艺三方面研究了大直径钻孔抽采技术,并在中能矿2201工作面应用以抽采采空区瓦斯,测试确定了瓦斯钻孔抽采浓度随着工作面与钻孔的距离的变化关系,确定了最佳钻孔间距为20 m,开孔高度1.2 m可将上隅角瓦斯体积分数控制在0.28%～0.79%,钻孔交替时上隅角瓦斯体积分数控制在0.8%之内.     

穿层钻孔煤层掏穴扩孔强化增透技术研究

为提高低透煤层瓦斯抽采效果,提出了一种掏穴扩孔增透技术。以李嘴孜矿A1煤为研究对象,通过现场测试与分析,考察了A1煤掏穴扩孔前后瓦斯抽采影响半径,抽采浓度和抽采纯量;同时采用RFPA2D-Flow模拟软件模拟了扩孔前后煤层裂隙的起裂及扩展过程,分析了掏穴扩孔钻孔对煤层透气性的影响。结果表明:掏穴扩孔钻孔增加了钻孔内壁表面积,增大周围煤体裂隙,使得周围煤体中的应力得到释放。掏穴扩孔后,瓦斯抽采影响半径提高了1.3倍,抽采浓度提高1.9倍,抽采纯量提高了2.3倍,因此,掏穴扩孔钻孔具有提高钻孔瓦斯抽采效果,达到快速消突的目的。     

基于桧树亭矿顺层钻孔抽采效果影响因素分析

顺层钻孔抽采是治理高瓦斯矿井工作面最常用的技术措施,为了提高钻孔的抽采效率,从理论分析、数值模拟和现场试验三方面对钻孔抽采的合理参数进行了研究分析。结果表明,钻孔抽采半径随抽采时间延长而增大,但后期瓦斯压力变化梯度减小;钻孔抽采瓦斯的效率随着开采深度的加深而降低;抽采负压对有效抽采半径影响不明显;随着钻孔直径的增加,抽采有效半径增大。但是,抽采钻孔直径的增幅对抽采效果的影响是有限的。抽采钻孔孔径为75 mm时,桧树亭矿二1煤层抽采半径为2.5 m,钻孔间距以5 m为宜。     

含瓦斯煤气固耦合作用在顺层双钻孔瓦斯抽采中的应用

为研究顺层双钻孔抽采过程中煤层瓦斯压力和渗透率的变化规律,将煤体视为双重孔隙结构介质,结合气体滑脱效应等因素的影响,建立了基于双孔结构特征的含瓦斯煤气固耦合作用模型,并通过有限元方法进行了数值解算分析。结果发现,瓦斯抽采时,两钻孔之间区域的瓦斯压力下降幅度明显大于其他区域,而在两钻孔区域的外侧至研究区域的边界处均出现了较为显著的瓦斯压力梯度;当钻孔间距为5 m和10 m时,同等条件下相较于钻孔间距为2 m和15 m的情况,煤层渗透率相对较大,而且瓦斯抽采有效区域分布更为均匀。同时,当钻孔间距小于5 m时,有效的瓦斯抽采影响区域会出现严重重叠现象,增加施工成本,而当钻孔间距大于10 m时,煤层中会产生一定程度的瓦斯抽采盲区,因此,5～10 m可以作为瓦斯抽采钻孔的合理布置间距。     

新景矿9#煤顺层钻孔瓦斯抽采固-气耦合模型数值模拟

为了探讨顺层瓦斯抽采时的瓦斯渗流运移规律,提高低渗透煤层的抽采效率,运用弹塑力学理论,基于煤体骨架有效应力的变形特性,利用Kozeny-Carman方程进行理论推导,建立了钻孔周围煤体弹性形变与塑性形变的渗透率与孔隙率动态变化模型.结合多孔介质渗流力学理论,建立了钻孔抽采瓦斯渗流固-气耦合模型.针对新景矿9#煤的地质条件,运用COMSOL计算软件,对其耦合模型进行数值计算,得出了布孔间距与单钻孔有效抽采半径之间的关系.模拟结果表明：随着钻孔不断抽采,钻孔瓦斯抽采量初期比较大并能维持一段时间,随后将逐渐减小,最后接近稳定值,同时钻孔有效抽采半径也逐渐变大,但变化的程度越来越小.通过现场实际运用,验证了该模型与关系式的有效性与正确性.