基于CBM-SIM的梨树煤矿瓦斯地面抽采数值模拟

针对煤矿准备区、规划区瓦斯抽采的时空接续要求不同,基于黑龙江鸡西梨树煤矿瓦斯地面抽采试验井,利用CBM-SIM数值模拟软件对已有试验井的生产数据进行历史拟合,实现了储层的精确表征。通过CBM-SIM软件模拟井组抽采5 a、10 a、15 a的产气情况,以及抽采5 a瓦斯含量动态变化情况,最终确定了不同区域的最佳井间距。模拟结果表明,准备区和规划区最优井间距分别为200 m×250 m和300 m×300 m。准备区布井7口,规划区布井64口;准备区抽采5 a采收率为32.30%~38.20%,瓦斯含量可降至8 m3/t以下,满足矿井安全生产。规划区抽采5 a,采收率为30.00%~39.05%;抽采10 a,采收率为41.78%~52.06%,除规划区Ⅲ、Ⅴ以外,其他区域瓦斯含量均可降低至8 m3/t以下;抽采15 a,采收率为48.20%~62.04%,除规划区Ⅴ以外,其他区域瓦斯含量均可降低至8 m3/t以下。研究成果可为梨树煤矿及其东北其他矿区深部薄煤层区的煤与瓦斯协同共采提供借鉴。      

大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及实践

针对高强开采井田王家岭煤矿综放工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯积聚问题,基于岩层控制关键层理论,对顶板垮落走向与倾向采动裂隙发育进行研究。采用数值模拟的方法研究采空裂隙随工作面推进的演化过程,分析顶板裂隙发育高度,确定大直径高位定向长钻孔最佳布孔层位及钻孔结构,并进行工程实践。结果表明,依据关键层理论计算及采动裂隙数值模拟预测层位布设大直径高位定向长钻孔,抽采效果较好,单孔最大抽采纯量2.10 m3/min,最大抽采体积分数31.39%,4个定向长钻孔累计抽采瓦斯纯量28.99万m3,工作面上隅角瓦斯体积分数最低下降至0.46%,瓦斯治理效果显著,解决了上隅角瓦斯超限问题,保障了工作面的安全回采。      

晋城岳城矿地面采动区井井位优选与抽采寿命研究

为了降低晋城岳城矿工作面U型通风造成的上隅角瓦斯聚集,提高采动与采空区煤层气地面井抽采井产量及抽采寿命,在借鉴成庄矿、寺河矿和赵庄矿等地面采动试验井研究及工程示范的基础上,以晋城岳城矿煤层气地质条件为工程设计依据,提出并优化地面采动区井位尽量靠近巷道位置处、大井眼地面钻井工艺、优化井身结构等设计方案。现场试验证明:部分采动区井通过避开采动应力卸载区及原位煤层高应力区优化布井,开采中包含3个阶段即卸压区抽采、新采空区抽采、老采空区抽采,达到了延长抽采井寿命的目的;但仍有部分采动区井在回采工作面推过井口后,煤气层抽采量迅速衰减至不产气,抽采寿命只包含两个阶段即卸压区抽采、新采空区抽采甚至仅卸压区抽采一个阶段。研究表明,优化后的大井眼钻井工艺及三开割缝套管井身结构设计对保持采动区井井身稳定,延长抽采寿命,保证采动区井产气运移通道畅通,提高抽采率起到了一定效果;采动区井煤气层抽采量和该井井筒位置至回风巷距离存在明显的负相关关系。岳城矿采动、采空区井基本不存在速敏效应,在井筒与裂隙带沟通良好的前提下,应选用大功率抽采设备抽采,可以有效扩展压降漏斗区域,其抽采影响半径水平方向可延伸至500 m以上。岳城矿地面采动区抽采取得了较好的效果,可在相似条件的煤矿区推广应用。      

鸡西煤田梨树煤矿地面煤层气抽采潜力

梨树煤矿属高瓦斯矿井,矿井瓦斯涌出量大,瓦斯治理形势日趋严峻。为评价梨树煤矿地面煤层气抽采潜力,从评价煤层气地面抽采潜力的关键参数含气量、渗透率入手,采用数值模拟软件CBM-SIM进行产能预测。研究认为,较高含气量的降幅程度及含气饱和度,决定了梨树煤矿主采煤层较好的解吸程度和开发效果。以XX-01井为例,含气饱和度高达99%,含气量降幅可达10.8 m3/t。原生–碎裂结构为主的煤体结构,决定了梨树煤矿主采煤层有较好的渗透性并且储层易改造,增产效果好。产能预测显示,梨树煤矿煤层气直井排采15a,累计产量可达422万m3,且经济效益、安全效益可行。因此,梨树煤矿具有较好地面煤层气抽采潜力。      

河南省首个地面瓦斯抽采试验井项目完工

近日,由河南煤化集团、中石油煤层气公司、河南省煤田地质局共同实施,旨在共同开展煤层气地面抽采试验研究、综合开发煤层气资源,力争在河南省煤层气抽采开发方面取得重大突破的河南省首个地面瓦斯抽采试验井项目顺利完工。     

山西晋城采煤扰动区地面煤层气井抽采效果地质分析

从地质研究角度,分析了晋城矿区采煤扰动区三口地面煤层气井的抽采效果。结果表明,采动井布置需要综合考虑原位地质条件和采动后的矿井地质条件,煤层含气量较高、开放性采动裂隙发育、岩层移动相对较弱的地段有利于采动井的井筒稳定和持续高产。采动井抽采过程一般经历三个阶段,即采煤工作面未达井筒阶段、采煤工作面靠近井筒阶段和采煤工作面远离井筒阶段,各阶段抽采量、浓度均表现出不同的特征。采动井的井身结构是影响抽采效果的重要工程因素,二开井段套管不固井的方式可以有效保护井身结构的完整性,但井筒体系密闭性不好,受此影响导致抽采甲烷浓度偏低;三开井段采用裸眼完井方式能够有效提高抽采流量及甲烷浓度,但不利于井筒保持稳定。     

煤矿区卸压瓦斯地面井破坏机理研究

卸压瓦斯地面井抽采是矿区瓦斯治理的新方向,但受煤层采动影响,在工作面推过地面井一定位置后井孔迅速发生破坏,制约了其发展与应用推广。以淮南矿区抽采井变形破坏工程调查为基础,从工程地质学和采动岩体力学出发,探讨了矿区地质条件和煤层采动背景与抽采井变形破坏的关系。认为变形和错断是井身结构破坏的主要形式,该区地面卸压抽采井采动变形破坏具有时间快速性、空间集中性、破坏层位的层控性和破坏位置的岩性特殊性等四大特点。研究表明:卸压瓦斯抽采钻井的变形错断是在采动条件下,关键层诱导覆岩周期断裂致使覆岩移动,松散层中的特殊岩性层位或基岩段岩层的弯曲或断裂诱发的水平剪切破坏与岩层弯曲下沉引发垂向拉压综合作用的结果,并以前一种为主,而非单一剪断或拉断模式。另外,结合相似模拟实验结果分析,研究了开采条件下不同位置不同岩性地层的位移情况,证实了研究结论与观点,揭示了卸压瓦斯地面井井孔变形破坏机理。     

高位钻场长钻孔在淮南刘庄煤矿瓦斯抽采中的应用

刘庄煤矿东二采区121102工作面所开采的11-2煤层为非突出煤层,但在工作面回采期间,存在瓦斯突出的可能。为防止工作回风巷尤其是上隅角瓦斯超限,确保工作面的正常生产,同时兼顾瓦斯资源的抽采利用,施工了最大长度496m,钻孔直径133mm的瓦斯抽采孔。实际应用表明,该孔投入使用后,整个工作面回采过程中均未发生过瓦斯超限现象,说明利用大口径长距离钻孔取代巷道抽放瓦斯是完全可行的。本文介绍的高位钻场长钻孔的设计、施工和瓦斯抽采情况,可以为今后同类工作面中长钻孔的施工提供借鉴。     

煤矿区煤层气开发部署方法

煤矿区煤层气的开发部署,受煤炭采掘规划和采掘布置的影响。基于我国目前的煤层气勘探开发现状,以晋城矿区为例,提出了煤层气开发部署原则,设计了井网优化部署方案,并进行了开发潜力及瓦斯治理效果分析。随着煤炭采掘的不断推进,煤矿区煤层气开发的地面垂直井形式会发生变化,即由起初单纯的地面垂直井转化为地面采动区井,而后可转化为地面采空区井。在地面垂直井阶段,气井连续排采10 a,累计产气量为576.44×104m3,目标煤层瓦斯含量降幅约为27.17%~51.99%。通过地面采动区井和地面采空区井阶段的瓦斯抽采,可使瓦斯抽采率进一步提高,达到有效治理瓦斯的目的。      

高位定向钻孔在综放工作面上隅角瓦斯抽采中的应用

针对王家岭煤矿综放工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限的问题,使用定向钻机及机具,利用定向钻进技术进行高位定向钻孔瓦斯抽放。在分析工作面回采过程中瓦斯运移规律的基础上,通过大量现场实践,得出适用于该矿区的高位定向钻孔轨迹布设参数,有效地解决了上隅角瓦斯超限问题,实现高瓦斯矿井工作面安全高效开采。     

Design of gas drainage modes based on gas emission rate in a gob: a simulation study

In the process of working face advance in longwall coal mining, a great deal of gas relieved by the strata adjacent to the mining coal seam and the residual coal in gob migrates to gob. If the gas drainage method in gob is unreasonable, gas will accumulate in the upper corner and overrun in the return air flow. In the paper, a CFD (computational fluid mechanics) model of gob based on the actual geological conditions and gas drainage mode of 1262 working face of Dingji Coal Mine, China, was established. The gas drainage modes that should be taken to effectively control gas accumulation in the upper corner and gas overrun in the return air flow at different gas emission rates were discussed. The simulation results show that when the gas emission rate in the working face is lower than 20 m³/min, buried pipe drainage can effectively control gas accumulation in the upper corner and gas overrun in the return air flow. When gas emission rate there is between 20 and 30 m³/min, the two problems can be solved through cross-measure borehole drainage combined with buried pipe drainage. When gas emission rate there is higher than 40 m³/min, they can be effectively controlled through a three-dimensional drainage mode including buried pipes, cross-measure boreholes, and surface wells. Arranging surface wells within the fractured zone near the return airway can increase the gas drainage rate, and the gas concentration can reach over 85%; the gas concentrations of buried pipe drainage and cross-measure borehole drainage are 15~20% and 70~80%, respectively.     

Emission reduction technology and application research of surface borehole methane drainage in coal mining-influenced region

Windblown methane is an important gas resulting in atmospheric greenhouse effect. Therefore, reduction in windblown methane is one of the important measures to mitigate atmospheric greenhouse effect. In China, weak coal seam of low permeability is common in coal mines, so it is beset with difficulties to decrease the methane emission rate by means of gas drainage from the virgin coal seam, further to decrease the windblown mine gas. Utilizing the pressure relief and permeability and fluidity improvement effect in coal mining an approach to release methane emission through surface borehole was established, for example establishing a comprehensive deformation fracture model of surface borehole in extraction area based on quantitative rule of overlying rock movement in pit and forming a technology to select the surface borehole arrangement site in extraction area on the basis of deformation of bore frame structure and distribution characteristics of extraction flow field. And optimization technology of shape and structure of surface borehole in extraction area on the basis of ultimate stress analysis of surface borehole casing was given. The technology overcomes effectively the problem that surface borehole casing is vulnerable to premature fracture due to impact of strata movement on the surface borehole, and further increases the drainage result of the surface borehole. The technology has been test in China Shanxi Jincheng Sihe Coal Mine, achieving good results, including 12,000 Nm³/d pure methane drainage rate from single borehole, 85% methane concentration and 1.1 million Nm³ accumulative methane drainage, which demonstrate practicability and advanced performance of the technology.     

大口径钻孔下管固管工艺探讨

大口径钻孔的工作管下放和固管工艺直接关系到钻孔的成败。以山西某煤矿瓦斯抽采孔为例,详细阐述了大口径钻孔下工作管和固管的过程,以及保证工程质量和施工安全所采取的防范措施。在施工过程中,钻机根据钻塔的承载力、钻机的提升力实际状况,采用串杠法提吊、水泥浮力塞减轻套管质量、井口密封固管的等施工方法,成功的完成了我国煤炭行业迄今为止下工作管质量、直径最大的大口径钻孔工程,工程质量优良,与采用巨型吊车焊箍直接提吊、井口密封固管的施工方法比较,具有经济效益好,施工场地不受限制等优势。为煤矿瓦斯排放、降温、排水等大口径钻孔工程中的施工提供了一种可靠、经济的施工工艺。     

井下?550 mm超大直径煤层孔钻进技术装备及工程应用

为提高“U”型通风工作面采空区瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本,提出采用?550 mm 超大直径钻孔替代横川埋管的技术方案进行采空区瓦斯抽采。针对井下超大直径钻孔技术特点及施工中存在的技术难题,研制了一款最大扭矩 15 000 N·m、最大给进力 700 kN、最大行程 1.3 m 的ZDY15000LP 型煤矿用超大直径螺旋钻进钻机,采用主机和泵站分体式布局,并创新设计了主机、泵站、机械臂、动力头等关键零部件;配套开发了?426 mm 大螺旋钻杆和?550 mm 大直径扩孔钻头,开发了基于“先导孔+二次扩孔”的超大直径钻孔成孔工艺,形成了成套的超大直径钻孔施工技术装备。在山西天地煤业有限公司王坡煤矿 3307 工作面进行了工业性试验,共施工大直径瓦斯抽采钻孔17 个,累计进尺 583 m,施工周期 30 d,综合施工效率提高 20%。试验结果表明:钻机输出扭矩大,整体稳定性好,能够实现跨皮带施工以及快速移位等功能,配套钻具性能可靠,钻进工艺可操作性强,能够满足超大直径煤层成孔需求。研究成果为超大直径煤层钻孔施工提供了技术装备支撑,为地质条和开采条件类似矿井瓦斯治理提供了技术经验。      

水平定向钻孔在大佛寺煤矿瓦斯抽采中的优势探讨

煤矿井下水平定向钻孔在煤矿瓦斯抽采中具有明显的技术优势。通过对大佛寺煤矿常规钻孔工作面瓦斯治理技术的分析,指出了其中不足;经过对定向长钻孔钻进工艺、布孔技术进行分析以及通过大佛寺煤矿现场应用,得出定向长钻孔有利于实现工作面瓦斯区域集中抽采的结论;瓦斯抽采统计数据分析对比证明定向长钻孔瓦斯抽采效率要明显优于常规钻孔。     

新集一矿地面抽采瓦斯钻井成井技术

地面钻井抽采工作面上覆采动区的煤层瓦斯,能很好地解决低透气性煤层的瓦斯抽采难题,但因钻井的成井率低,严重限制了该技术的推广应用。通过对钻井布置、钻井结构、钻井采气及井底层位、钻井施工技术与管理等影响成井的关键因素的研究,并将地面抽采瓦斯钻井成井技术在新集一矿进行实际应用,发现施工的12个地面抽采瓦斯钻井百分之百成井,为地面钻井法抽采瓦斯的成功应用提供了参考。      

韩城桑树坪二号井松软煤层钻进技术研究与实践

针对韩城桑树坪二号井煤层松软破碎,现有设备能力小、自动化程度低、钻探工艺不合理导致瓦斯抽采钻孔钻进深度浅、钻进效率低等问题。对研究矿区3号煤层进行了大螺旋钻杆回转钻进、宽翼片螺旋钻杆空气钻进与宽翼片螺旋钻杆清水钻进工艺试验。试验表明:宽翼片螺旋钻杆清水钻进工艺施工效率是原来的1.5倍,钻孔深度由80 m左右提高到了200 m以上,成孔率达80%以上,满足了桑树坪二号井工作面瓦斯抽采钻孔施工要求。      

单孔增透率算法的提出及其工程应用

低透煤层增透效果的定量描述和评价一直处于盲目状态,使得煤矿瓦斯治理中致裂措施、瓦斯抽采不能因地制宜。增透率可反映采动或人工增透措施对煤岩体渗透特性的改变,并可定量评价煤层增透效果,其分布和演化规律可精准圈定瓦斯富集区域,指导瓦斯抽采钻孔的合理布置。在简化钻孔和裂隙模型基础上,求解了采动条件下钻孔的体积应变,提出了针对单孔的增透率计算方法;依托同煤矿塔山矿8212采面,开展现场裂隙探测试验,研究了工作面前方采动裂隙网络发育演化及卸压增透变化规律,并分析了单孔增透率随回采面推进的演化特征。结果表明：裂隙网络呈现“从无到有、从短变长、从窄变宽、不断贯通”的趋势,煤岩体单孔增透率随回采面推进呈现先逐渐上升后保持平稳的趋势,该成果有望直接优化煤矿现场瓦斯抽采孔的布置设计。     

高位瓦斯抽放钻孔在降低综采工作面瓦斯浓度中的应用

林南仓属于低瓦斯矿井,但存在高瓦斯区域。煤层和采空区是瓦斯的主要来源,尤以采空涌出量大,给煤矿生产和安全带来了极大隐患。通过在1129综采工作面风道施工高位瓦斯孔,把钻孔打到采空区一侧煤层顶板以上冒落裂隙带内,用钻孔进行瓦斯抽放,使采空内的瓦斯通过裂隙带沿钻孔抽出,有效降低综采工作面瓦斯浓度,保证综采工作面正常回采和安全生产。