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。     

气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用

针对高瓦斯低渗煤层煤巷掘进工作面瓦斯抽采钻孔施工量大、抽采周期长、抽采效率低等问题,提出了气相压裂增透瓦斯治理技术,介绍了气相压裂设备及技术原理,确定了工作面压裂施工方案,并对气相压裂后的预抽效果进行了考察分析。结果显示：气相压裂孔较普通钻孔抽采量提高了4倍,压裂影响区域内的预抽孔抽采量提高了2.4倍。实践证明,气相压裂技术适用于矿井高瓦斯松软低渗煤层的瓦斯抽采。     

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。     

井巷揭煤地面预抽辅助消突技术

井巷如何安全、高效揭穿突出煤层是防突工作不断探索的课题,地面预抽煤层瓦斯辅助消突不失为一种有效的解决途径。基于井巷揭煤突出机理和防突核心任务分析,研究了地面预抽辅助消突技术特点和适应性。工程应用表明,采用洞穴完井和水力压裂强化预抽,可有效降低井巷揭煤区煤层瓦斯含量和瓦斯压力,使揭煤区应力释放或泄压,破坏煤与瓦斯突出的物质基础和动力来源,从而变突出区域（煤层）为非突出区域（煤层）。地面预抽煤层瓦斯能够有效降低井巷揭煤防突工作难度,提高揭煤效率,适合复杂地质条件下石门、井筒揭煤防突工作。     

底板梳状长钻孔替代穿层钻孔瓦斯抽采技术可行性

底板岩巷穿层钻孔抽采技术和本煤层定向长钻孔抽采技术是目前高瓦斯和突出矿井回采工作面最为主要的瓦斯治理措施。晋城矿区赵庄矿煤层具松软低透气性特点,主要采用岩巷穿层钻孔消突为主,本煤层顺层钻孔消突为辅的瓦斯治理方法。但底板岩巷穿层钻孔存在工程量大、施工周期长及成本高等缺点,本煤层钻孔存在钻孔抽采不均匀、钻孔覆盖密度不足等技术缺陷。为对比考察底板梳状长钻孔与底板岩巷穿层钻孔的抽采效果,在赵庄矿1307采面开展了2种瓦斯治理方法。结果表明：抽采条件和抽采范围相同条件下,5个底板梳状长钻孔的瓦斯抽采总量占到底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采总量的75.4%,而底板梳状长钻孔的经济投入仅占底板岩巷穿层钻孔经济投入的29.2%。由此得出,研究区梳状长钻孔替代穿层钻孔的瓦斯抽采技术是可行的。该研究为底板梳状长钻孔替代底板岩巷的技术可行性提供了实践参考,为松软低透的高瓦斯和突出矿井的瓦斯治理提供了更为经济可行的治理方案。     

基于煤矿“先抽后建”及资源开发的煤层气地面井位抽采部署及应用

针对目前煤矿\     

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.     

中风压钻进在煤矿井下的应用

根据煤矿井下沿煤层瓦斯抽采(放)钻孔中风压压风钻进工艺及设备的发展情况,介绍了中风压钻进工艺和配套设备的选择、研制以及在丁集矿和成庄矿的钻进工艺试验,证明在松软突出煤层的沿煤层瓦斯抽采(放)孔钻进施工中,中风压钻进工艺较为理想、是值得推广的钻进工艺。     

韩城矿区碎软煤层顶板梳状孔水力压裂瓦斯抽采工程实践

韩城矿区碎软煤层发育,煤层透气性差,本煤层钻孔钻进困难,瓦斯抽采效果差。顶板梳状孔水力压裂技术结合了水力压裂技术和定向钻进技术二者的优势,是解决碎软低渗煤层瓦斯抽采难题的有效技术途径。在韩城矿区王峰煤矿3号煤层顶板粉砂岩中施工长钻孔并向煤层开分支,采用套管+封隔器座封的整体压裂方式进行水力压裂工程试验。钻孔总长度344 m,有效压裂长度284 m,累计注水量874.79 m³,最大泵注压力9.4 MPa。试验结束后对钻孔瓦斯抽采相关参数连续监测86 d,钻孔瓦斯抽采体积分数27%~51%,平均42.11%,钻孔瓦斯抽采纯量8.25~21.41 m³/min,平均17.02 m³/min,钻孔累计抽采瓦斯量约210万m³。与常规的穿层钻孔水力冲孔技术相比,该技术百米钻孔瓦斯抽采量提高了11.48倍,初步证明了该技术在碎软煤层瓦斯强化抽采领域的适用性。     

混合气体驱替煤层气技术的可行性研究

气体驱替煤层气技术是近年来发展起来的具有温室气体减排和提高煤层气采收率双赢效果的新兴技术,相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。对于温室气体减排的压力,发达国家的研究主要着眼于该技术在高渗透、不可采煤层中的应用,注入气体主要为CO2,目的是尽可能多地封存CO2,同时提高煤层气采收率。目前,国内在这方面的研究刚刚起步。国内煤层具有渗透率普遍较低、不开采煤层与要开采煤层难以界定的特点,注CO2气体驱替煤层气在这种煤层中的可行性值得商榷。针对国内煤层特点和煤矿瓦斯抽采率低的现状,建议采用富N2混合气体驱替煤层气技术,以提高煤层气产采收率。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究分析了实施混合气体驱替煤层气技术的可行性。研究结果表明,混合气体驱替煤层气技术适用于国内低渗透、可开采煤层,可以提高煤层气采收率和单产量。     

Application of in-seam directional drilling technology for gas drainage with benefits to gas outburst control and greenhouse gas reductions in Daning coal mine,China

Gas outburst disasters are becoming more serious as the underground coal mines become deeper in China, and a thick zone of deformed coal provides conditions favorable to coal and gas outbursts. The Daning coal mine’s main mining seam is the No. 3 coal seam with coal and gas outburst hazard, which often contains two normal coal sub-layers and one deformed sub-layer. Considering both the geological conditions of the coal seam and applications of the in-seam directional longhole drilling technology, a new schematic diagram of in-seam directional longholes for gas drainage is developed. The two borehole layout models of longwall panel and main entries for gas outburst disasters control have been successfully applied. The gas drainage rates of both models are >70 %, and the residual gas contents are both <8 m³/t, which can be considered that the gas outburst disasters were effectively controlled. To better guide gas drainage, gas drainage normal and failure modes have been obtained. Although in-seam directional longhole technology has been successfully applied for regional gas drainage with benefits to gas outburst control, there are also some problems that are detrimental to greenhouse gas reductions in gas drainage and gas utilization. The three main problems are air leakage failure in gas drainage, decreasing gas concentration and a low gas utilization ratio. To address the problems mentioned above, five improvements are suggested.     

煤矿井下硬煤层顺层长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采技术及应用

针对硬煤层瓦斯抽采衰减快,抽采周期长、效率低等问题,提出了中硬煤层顺层长钻孔分段压裂增加煤层透气性瓦斯强化抽采技术。以陕西彬长矿区4号煤层为研究对象,在实验室采用SEM高分辨率电子显微镜对比分析了水力压裂前后煤体微观孔隙结构变化特征;利用Abaqus软件模拟了封隔器受力特征及钻孔的稳定性;在彬长矿区大佛寺煤矿井下4号煤层进行水力压裂工业性试验。结果表明：煤层在加载压力15 MPa,保压48 h,煤体的孔隙、裂隙数量增多,孔径尺寸增大,且连通性增强,裂隙间的连通性明显提升。压裂过程中,封隔器同时受到内压和外压载荷产生膨胀变形,内压15 MPa、外压10 MPa时,可保持硬煤钻孔结构完整同时,产生最大的封隔摩擦力。工程试验完成3个顺煤层定向长钻孔分段压裂施工,孔深540～568 m,每孔分8段压裂,单孔注液量910～1 154 m³,累计注液量3 011 m3;压裂后,利用孔内瞬变电磁测试确定压裂影响半径34～46 m。压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量0.72～1.73 m³/min,平均抽采瓦斯体积分数42.60%～67.48%;对比试验区常规钻孔,瓦...     

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。     

碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式

瓦斯区域超前治理是实现煤矿安全、高效及智能化开采的重要保障,针对碎软煤层区域瓦斯高效抽采难题,以陕西韩城矿区3号煤层为研究对象,提出井下煤层顶板梳状长钻孔水力压裂区域瓦斯抽采模式。采用理论分析、数值模拟和现场试验等多手段相结合的方法,验证模式适用性,阐明紧邻煤层顶板梳状钻孔压裂裂缝延展规律、抽采机理和压裂曲线特征,进而建立适用于500 m孔深的集地质条件动态分析、分段水力压裂、封隔器遇阻解卡和压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂关键技术体系,实现煤层顶板梳状钻孔主孔轨迹距离煤层5 m左右、多段均匀压裂、压裂范围全孔监测和孔内事故高效处理。以此为基础,在韩城桑树坪二号井开展2孔次的工程实践：压裂主孔深度588 m、距3号煤层2 m左右,单孔压裂6段,压裂范围探查深度381 m、压裂影响半径20 m以上;压裂后,钻孔抽采瓦斯平均体积分数40%以上、瓦斯抽采量1 m3/min以上,抽采效果是常规钻孔的4倍,120 d瓦斯抽采有效半径可达9 m,实现了碎软煤层瓦斯区域高效抽采。并提出了适用于碎软煤层大区域瓦斯抽采以及高瓦斯压力碎软强突煤层远程区域抽采卸压等规模化应用技术思路。     

高产高效矿井煤层瓦斯抽采工艺优化

瓦斯灾害因成灾类型多,瓦斯矿井分布广,灾害事故影响大,已成为我国多数煤矿常见自然灾害之首。当前瓦斯治理较为广泛的方法是运用瓦斯抽采技术,降低煤层残余瓦斯含量,而采用何种抽采工艺既能高效的消除瓦斯灾害威胁,又能保证良好的效益是需要权衡的关键问题。以我国高产高效工作面为试验区,通过开展多种瓦斯抽采工艺的对比试验,揭示了各类抽采钻孔在不同抽采孔径、不同间距、不同布置类型等工艺条件下的抽采参数特征,进而得出符合矿井实际的最优工艺类型及最优参数,为矿井的高效抽采提供重要依据。     

废弃井“一井多用”瓦斯抽采关键技术及应用

煤矿区地面瓦斯废弃井改造再利用,可进行采动区瓦斯抽采,具有保障回采工作安全生产,瓦斯资源有效利用,减少瓦斯逸散对环境压力等经济环保多重效益。针对这一目的,结合采动区地面井和废弃井的特点,提出废弃井“一井多用”瓦斯抽采技术思路。通过分析试验工作面开采工艺、覆岩结构及废弃井的基本情况等条件,研究并提出了废弃井优选及判识、地面井改造工艺、防护装置安设、抽采系统布置及抽采控制技术等,改进了废弃井改造射孔造缝段长度确定方法。研发了基于油套环空动态调节、组合套管双重防护及筛管分级优化的安全防护方法,形成了废弃井“一井多用”地面井瓦斯抽采技术。选取晋城矿区岳城煤矿作为试验对象,完成了3口废弃井(井号为YC-50、YC-52、YC-54)再利用改造试验,其地面井瓦斯抽采量累计分别为257.88万、172.50万、129.60万m3。YC-50井改造运行后,地面井抽采范围内工作面上隅角瓦斯体积分数最大值从0.77%降至0.40%,降幅48.05%;YC-52井改造运行后,采煤工作面上隅角瓦斯体积分数降幅为52.38%,有效保障了回采工作面安全生产,实现了废弃井“一井多用”目标,取得了良好的经济与社会效益...     

穿层爆破在南桐矿瓦斯抽放中的应用与数值模拟

穿层抽放是一些高突矿井常用的瓦斯治理手段,在穿层抽放时采用爆破技术已被证明具有良好的抽放效果。以重庆市南桐矿穿层爆破为背景,建立了穿层深孔爆破数学模型;利用数值计算和现场实测抽放数据相结合的方法,分别研究了各爆破孔、控制孔动应力的变化以及爆破应力场强度与抽放效果的关系。研究结果表明,穿层抽放的特点决定了爆破孔与抽放孔的布孔方式。由于炮孔斜穿煤层,煤层各断面动应力场分布极不均匀,药包中心控制孔所受动应力为控制孔中最大。在南桐矿薄煤层试验条件下,药包长度为3.2 m的爆破孔平均破坏半径为0.57 m,较其他两排炮孔大20%以上。炮孔中药包长度是影响瓦斯抽放量的重要因素。爆破孔的平均单孔抽放量较控制孔高55%,爆破钻场较非爆破钻场平均单孔流量大49%。     

利用瓦斯抽采钻孔资料和Matlab预测隐伏小断层

煤层隐伏小断层的精细探测和准确预测,对预防煤矿地质灾害性事故至关重要。基于煤矿现行施工的穿层瓦斯抽采钻孔资料,利用Matlab数值计算和图形处理功能,通过编程计算煤层(顶)底板控制点三维坐标,绘制高精度煤层等高线图、等厚线图和三维立体图,进而实现定量预测煤层隐伏小断层位置、产状和性质。煤矿实例模型计算验证了利用瓦斯抽采钻孔资料预测煤层隐伏小断层的有效性和可行性。     

沁水盆地南部煤层气直井合层排采产气效果数值模拟

随着煤层气勘探开发的深入,多煤层合层排采受到广泛关注。合层排采管控工艺是确保煤层气合采井高产稳产的关键,而多煤层组合条件下复杂的地质条件增加了合层排采管控的难度。数值模拟技术是研究煤层气井合层排采管控工艺的有效手段,科学、可靠的模拟结果可为合采井排采管控提供依据。考虑温度效应、煤基质收缩效应、有效应力作用对煤层流体运移规律以及渗透率等煤层物性参数的影响,建立煤层气直井合层排采生产动态过程多物理场耦合数学模型,并进行有限元法的多物理场耦合求解。通过对沁水盆地南部郑庄区块煤层气合采井组的模拟,探讨不同排采速率下煤层气直井合层排采产气效果及渗透率等煤层物性参数动态演化特征,提出煤层气直井合层排采工程建议。模拟结果显示,郑庄区块3号、15号煤层整体含气量较高,煤层气合采井组具有较大增产潜力,提高排采速率对提高煤层气采收率的效果不显著;排采过程中,煤基质收缩效应对渗透率的影响强于有效应力作用,是提高煤层气井排采速率的保障,在确保排采速率不超过煤层渗流能力上限的基础上,适当提高排采速率可实现煤层气井增产。基于模拟结果,建议排采速率的调整以控制动液面或液柱压力为主;以3号、15号煤层气合采井增产为目标,产水阶段和憋压阶段,郑庄区块煤层气直井合层排采速率以液柱压力降幅0.12~0.20 MPa/d或动液面降幅12~20 m/d为宜,既可实现煤层气增产,又可避免储层伤害。      

我国煤矿瓦斯灾害超前大区域精准防控技术体系及展望

为满足煤矿自动化、智能化生产的快速发展及区域防突的迫切需求,推动煤矿大区域瓦斯灾害治理技术体系发展,针对传统煤层钻孔瓦斯抽采技术“钻不深、抽不出、检不了”等技术难题,系统分析近年来定向钻进、地面井、分段水力压裂、深孔取样、随钻探测等技术与装备在各大矿区不同地质条件下的应用效果。结果表明：目前已形成了基于大区域超前随钻地质勘探及预测、大区域地面及井下瓦斯抽采、非接触式连续在线动态预测等关键技术组成的煤矿瓦斯大区域治理技术体系,为推动煤层瓦斯治理技术的升级变革,实现不用或少用专用瓦斯治理巷道综合治理煤矿大区域瓦斯的目的奠定了基础。最后指出未来将发展核磁探测、伽马、雷达、深孔光纤等探测技术,以实现煤岩及地质异常体识别、瓦斯参数精确测定;发展地面水平井体积压裂高效开发及井上下联合增渗等技术,以提升井上下联合预抽效果;发展区域化超大流量压裂泵组或压裂工厂、连续油管压裂等技术与装备,以提升煤矿井下区域化增渗效果;发展风险信息融合感知、突出前兆特征智能识别、瓦斯超限预警等技术,以实现区域连续精准预测及智能预报警。