煤矿井下水力压裂钻孔封孔力学模型及试验研究

针对目前煤矿井下水力压裂钻孔封孔理论缺乏,封孔材料密封效果差、成本高,封孔长度不合理等问题,建立了水力压裂钻孔封孔力学模型,得出封孔材料能够承受的最大水压与封孔材料性质、封孔长度等参数之间的关系。综合分析了密封条件、抽采条件以及施工条件下压裂孔的合理封孔长度,并进行现场试验验证。结果表明：封孔材料性质和封孔长度是影响封孔材料能够承受最大水压的主要因素,封孔材料能够承受的最大水压随封孔材料强度、弹性模量以及封孔长度的增大而增大;当封孔长度达到某一定值后,封孔材料能够承受的最大水压随封孔长度的增大而趋于定值。以重庆松藻矿区为例,确定出穿层压裂孔的合理封孔长度为10 m,本煤层压裂孔的合理封孔长度为13 m,现场试验结果与理论分析基本一致。     

两端自堵囊袋式封孔工艺在顺层瓦斯抽采钻孔中的应用

研发了新型封孔材料固特捷和两端自堵封孔囊袋,优化了一套两端自堵囊袋式封孔工艺,并在那罗寨煤矿120101工作面进行了现场效果对比考察。相同抽采情况下,采用固特捷封孔材料的钻孔平均抽采浓度提高1～2倍,且高浓度钻孔所占比例大,抽采量提高近2倍,从而大大缩短了煤层瓦斯抽采达标时间。     

顺煤层瓦斯抽采钻孔封孔新工艺

瓦斯抽采效果在很大程度上取决于封孔方法和封孔质量。针对祁南矿原有封孔工艺封孔深度不够和材料本身的弱点,对钻孔封孔原有的工艺进行了改进。通过增加封孔深度、采用新式封孔材料等,避免了短路风流,减轻封孔管路中负压的消耗,并使抽采瓦斯的体积浓度提高了25%~50%,提高了生产效益。      

煤矿井下自动封孔装置坐封与注浆压力研究

注浆压力和坐封压力是设计煤矿井下自动封孔装置所需的主要参数,同时也是自动化封孔施工设计的重要依据。以浆液的有效封堵半径为基础,采用理论计算、数值模拟等方法分析了不同注浆压力条件下的封孔效果,结合橡胶的Mooney-Rivlin本构模型的力学特征、挤压密封等原理,研究并确定最佳注浆压力和坐封压力。结果表明,注浆压力为2~4 MPa时浆液的径向封堵范围达2~4 m,可以满足对钻孔的封堵要求;当钻孔直径为96~100 mm时,坐封压力范围为2.2~8.4 MPa,可以使装置达到最佳坐封效果。研究结果可为装置的设计提供理论基础,为装置应用所需技术参数的确定提供理论依据。      

低透煤层井下长钻孔水力压裂增透技术

针对我国低透气性煤层普遍存在瓦斯抽采效果差的现状,提出了利用大直径长钻孔水力压裂对煤层进行增透的技术措施,探讨了长钻孔水力压裂增透机理,并进行了煤矿井下煤层水力压裂瓦斯抽采试验。在成功施工顺层长钻孔的基础上,研发了一套适合井下水力压裂施工的快速封孔工具组合,分析了压裂过程中参数变化规律,提出了水力压裂影响范围、压裂效果和瓦斯抽采效果评价方法,并进行了考察和评价。研究表明:该技术克服了传统井下水力压裂存在的封孔质量差、压裂影响范围小等问题,压裂后煤层透气性系数提高了2.67倍,压裂最大影响半径达到了58 m,压裂后连续抽采130 d累计抽采纯瓦斯量为31.39万m3,日最高抽采量2 668 m3,瓦斯体积分数平均70.05%,百米钻孔瓦斯抽采纯量达到0.55 m3/min。      

负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究

定向长钻孔预抽煤层瓦斯是实现煤矿瓦斯区域超前治理的有效技术手段,受采掘部署影响,负角度钻孔（下向孔）在生产中应用广泛。中硬煤层成孔性好、通常无需护孔,但针对负角度长钻孔积水问题,现有常规方法均无法有效解决。以贵州龙凤煤矿9号中硬煤层下向长钻孔为研究对象,在同一区域施工2组定向长钻孔,钻孔平均倾角–8°,钻孔孔深240~363 m、垂深40.0 m,对比分析了长距离、大垂深定向长钻孔护孔和未护孔2种完孔工艺的瓦斯抽采效果差异。结果表明:在抽采前期,采取护孔工艺的负角度定向长钻孔平均瓦斯抽采量为2.09 m3/min,未采取护孔工艺的为1.87 m3/min,二者差别不大;但护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未护孔的61.54%,以抽采400 d为例,护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采总量是未护孔的1.40倍;经理论计算,采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。从长期抽采效果来看,在缺乏有效排水措施的前提下,采取护孔工艺能够有效提高负角度定向长钻孔的瓦斯抽采效果。      

泡沫法施工瓦斯抽放长孔工艺

针对煤矿瓦斯抽放长钻孔施工中易出现塌孔、埋钻等成孔难问题,提出在井下采用泡沫增压技术通过提供高压泡沫流压力,来改善钻孔循环介质流动.详细阐述了运用泡沫增压技术的优越性,及其解决瓦斯抽放长钻孔施工问题的可行性和经济性,其推广应用前景广阔.     

确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的试验

卸压瓦斯抽采技术的关键在于根据采动裂隙场分布规律合理布置瓦斯抽采孔。针对富含水厚煤层大采高工作面快速推进,依据采动裂隙时空演化特征与瓦斯运移规律,在亭南煤矿实施了确定卸压瓦斯抽采钻孔合理层位的工业试验。通过对不同层位钻孔抽采浓度统计分析,卸压抽采钻孔终孔布置在裂隙带离层区抽采效果最好,从而确定卸压瓦斯抽采钻孔的合理层位。      

液动潜孔锤钻进技术在潘一煤矿井下穿层钻孔中的应用

以穿层钻孔方式进行松软煤层瓦斯预抽采极大地克服了松软煤层瓦斯治理难的问题,然而部分矿区煤层顶（底）板岩石坚硬,影响了钻孔施工效率。结合地质岩心钻探的优势,将液动潜孔锤与高强PDC钻头结合应用于煤矿井下穿层瓦斯抽采孔施工中。淮南潘一煤矿现场试验表明,该工艺方法较传统回转钻进方法,钻进效率提高了83%,钻头进尺寿命提高近5倍,具有良好的经济性能。采用清水为冲洗介质,无粉尘污染,噪声污染小,较为适合空间狭小的煤矿井下巷道施工。     

煤矿井下水砂突涌钻孔封孔技术研发与应用

桑树坪煤矿采取地面注骨料和井下注浆技术治理奥灰(奥陶纪灰岩)岩溶陷落柱时,施工的3个常规检查钻孔出现严重的水砂突涌现象,封孔难度极大,采取向孔内下入木楔、反丝止浆塞等方法均封孔失败。针对此难题,提出带压顶替注浆封孔技术,首先,向孔内注入大于套管体积的清水以确保孔内通畅,避免砂粒填充至套管内,导致封孔深度未达到套管以下稳定岩层;之后,采取低泵量向孔内多次循环注入大于套管体积的稀水泥浆;最后,待水泥浆凝固后,采取小直径钻头钻进至套管外以检查大孔径钻孔的封孔质量。该技术成功应用于3个常规检查钻孔封堵工程,实践发现:先期注浆封孔水泥浆液水灰比宜选取1︰1,单次候凝时间宜选取3~4 d,延长水泥浆候凝时间,可提高钻孔封孔质量。此技术适用于井下狭小空间作业,可防止孔口涌水涌砂,避免孔内水砂高速流动,确保封孔质量及人员安全,为封堵类似水砂突涌钻孔提供技术借鉴。      

煤矿区钻探技术装备新进展与展望

我国煤层气资源非常丰富。在煤矿区,煤层气(瓦斯)开发具有增加洁净能源供给、提高煤矿安全生产保障能力、减少温室气体排放等多重效益。地面钻井开发与井下钻孔抽采是煤矿区煤层气(瓦斯)开发的基本途径,同时也是煤矿区应急救援的主要手段。本文介绍了煤矿区地面煤层气开发新技术装备,大直径钻孔施工技术与装备及井下中硬、松软煤层和岩层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备。在此基础上分析了在新形势下煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻孔成孔技术和装备发展需求,为我国煤矿区煤层气（瓦斯）钻孔成孔提供借鉴。     

贵州大湾煤矿复杂地层井下定向钻进施工技术

针对大湾煤矿地区复杂煤层地质构造,采用前进式开分支孔布孔方法,用于探测煤层顶底板位置,精确探明煤层走向,为抽掘采提供依据,为后续工作做好前期准备。贵州大湾煤矿在历年瓦斯鉴定中均被定为瓦斯矿井,瓦斯孔施工采取普通钻进工艺时,会遇到钻进工作量大、孔深达不到要求、施钻轨迹无法精准控制、钻孔瓦斯浓度抽采率低等问题。采取顺层定向孔方法在已探明的煤层中施工长距离钻孔,可实现对复杂煤层远距离瓦斯抽采。现场试验表明：采用前进式开分支孔工艺,能够实现复杂煤层地质构造精确探顶,探明钻孔见煤段高达75%;通过优化钻孔设计与高精度控制钻孔轨迹大大增加了顺层定向孔在复杂煤层中的覆盖率,钻孔见煤段达63.7%,提高了瓦斯抽采效率,为巷道的抽掘采工作打好了基础。     

煤矿井下分段水力压裂梳状定向长钻孔钻进技术研究

随钻测量梳状定向钻进技术目前主要应用于煤矿瓦斯防治、地质异常体探测和探放水等领域。但该技术还未与水力压裂增透强化抽采技术相结合应用于煤层瓦斯防治领域,由于水力压裂增透强化抽采技术对钻孔特殊要求,相应钻探装备、钻孔设计和钻进成孔工艺均需要进行研究突破。本次研究成果融合了井下梳状定向长钻孔瓦斯抽采技术及水力压裂增透强化抽采技术的优点,形成了一套适合分段水力压裂梳状定向钻孔施工设备及工艺流程,能够满足对松软煤层瓦斯远距离与区域增透技术的需求,解决松软煤层透气性差、瓦斯抽采孔成孔性差、抽采距离短、抽采区域小等难题。     

复杂地层梳状定向长钻孔在区域瓦斯治理中的应用

针对贵州毕节地区某煤矿瓦斯治理预抽时钻孔抽采距离短、成孔性差、孔内事故频发等难题,提出在某煤矿采用底板穿层梳状定向长钻孔的技术方法。通过优化钻孔布孔形式、布孔层位和分支孔施工工艺,保证钻孔主孔成孔深度和分支孔见遇煤层率。试验期间,施工钻孔主孔深度均大于600 m,分支孔见遇煤层率达到60%。钻孔成孔明显得到改善,单孔最大瓦斯抽采浓度达到85%,最大瓦斯抽采纯量达到2.5 m³/min,同时节省了施工成本,为毕节矿区瓦斯治理提供了新的方案。     

地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯数值试验与应用

为解决塔山煤矿高强度开采条件下瓦斯低含量、高涌出的问题,同时为了弥补大型物理实验和现场试验成本高、操作难的缺点,根据该矿8101工作面所属区域煤层的地质和瓦斯赋存条件,确定了数值试验方案,对地面垂直钻孔预抽特厚煤层瓦斯的效果进行优化分析。基于煤岩（体）的孔隙特征,构建了含瓦斯煤岩（体）破裂过程气-固耦合和渗透率-损伤耦合数学本构模型。采用RFPA2D瓦斯分析版软件建立地面钻孔抽放瓦斯的数值计算模型,设置有关简化条件、边界条件和物性参数,通过数值试验得出：地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部比较合理;在综合考虑地面垂直钻孔投入成本和瓦斯抽采效果的基础上,确定地面垂直钻孔间距为50～60 m比较合理。同时,由8101工作面地面垂直钻孔抽采煤层瓦斯的实际应用效果分析可知,当地面垂直钻孔的终孔位置布置在煤层底部,且钻孔间距布置为50 m时,能够实现良好的瓦斯抽放效果,这也从一定程度上进一步验证了数值试验的合理性和可行性。     

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难,瓦斯抽采浓度低,抽采效果差,无法实现大面积区域预抽的问题,在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上,结合前期研究成果,提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术,并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m,包含8个分支孔,钻孔总进尺1 188 m,主孔距煤层0~3.28 m,平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺,分4段进行水力压裂施工,累计注水2 012 m3,最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m,且裂缝主要位于钻孔下方,向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m3/min,抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍,是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明,顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题,实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽,为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。      

寺河煤矿井下近水平定向钻孔工艺研究

煤矿瓦斯是影响煤矿井下安全生产的重要因素,同时作为一种新能源正越来越受到重视。为了解决煤矿井下瓦斯安全问题和新能源的开发利用,近水平定向钻孔抽采瓦斯技术得到了广泛应用。近水平定向钻孔抽采瓦斯技术的核心是钻孔施工过程中对钻孔轨迹进行精确控制。本文通过分析影响定向钻孔施工的因素结合现场钻孔施工,总结出了煤矿井下近水平定向钻孔施工的经验及规律,达到了对钻孔轨迹精确控制的目的。     

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。     

泡沫增压技术在煤矿瓦斯抽放长钻孔施工中的应用前景

为了解决在煤矿瓦斯抽放长钻孔施工中由于冲洗介质对孔壁的冲刷作用而出现塌孔、埋钻等难题,采用泡沫增压技术通过提供高压泡沫流压力来解决。论述了应用泡沫增压技术解决煤矿瓦斯抽放长钻孔施工问题的可行性和经济性。     

煤矿井下瓦斯抽放钻孔孔内事故的预防及处理

随着井下瓦斯抽放孔钻孔深度和施工总进尺逐年增加，钻进过程中遇到砂质泥岩、页岩等松软遇水膨胀复杂地层的情况经常出现，又因施工地层多为瓦斯富集地层，容易造成喷孔、塌孔、卡钻、埋钻等孔内事故。阐述了复杂地层施工瓦斯抽放钻孔经常遇到的一些孔内事故的预防及处理措施。