“三软”单一煤层水力冲孔卸压增透机理及现场试验

水力冲孔是实现"三软"煤层瓦斯高效抽采的有效途径之一。通过应力应变-煤体结构-渗透率的耦合实验,揭示了"三软"煤层渗透率随煤体结构和应力变化的演化规律,发现软煤在卸压后渗透率得到大规模提升。以Hoek-Brown准则为理论依据,通过数值模拟,发现水力冲孔出煤后的卸压增透范围显著增加。采用自主研发的"瓦斯抽采孔水力作业机",在郑煤集团大平煤矿21141底板抽放巷进行了水力冲孔试验,使得水力冲孔更加安全、高效,并使得老孔的修复成为现实。现场试验充分检验了装备的可靠性和理论分析的准确性,显著提高了煤层瓦斯的抽采效率。      

CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。     

沿抽采井筒的煤储层渗透率模型研究

渗透率是表征瓦斯流动的重要参数,为保证煤矿瓦斯安全高效抽采,有必要探究距抽采井筒不同位置处煤层瓦斯渗流演化特征。然而,瓦斯抽采过程中伴随有效应力、煤基质对瓦斯的吸附/解吸能力以及煤储层温度的不断变化,甚至出现抽采损伤,使得煤层瓦斯运移行为异常复杂。为探究抽采过程的煤层瓦斯渗流特性,在圆柱坐标系下,考虑压力场与温度场变化对煤储层渗透率的影响,构建温度影响的孔隙压力时空演化函数,据此建立应力与温度作用下的煤储层渗透率模型。结果表明:建立的模型能合理描述沿抽采井筒孔隙压力的演化规律以及瓦斯的运移特性,即在恒定外应力的条件下,随抽采时间增加,不同位置处孔隙压力先降低后变化平缓,煤储层渗透率先降低后升高;此外,同一煤储层位置处,考虑温度比不考虑温度的渗透率计算值更低;通过讨论发现,随抽采时间增加,根据裂隙压缩与基质收缩对渗透率演化的不同效应,设置合理的负压抽采方式可提高瓦斯抽采量。      

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。     

孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明:在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。      

不同含水率煤体液氮致裂渗透率变化规律及应力敏感性分析

液氮致裂煤体技术是一种新型的煤层增透技术,含水率、煤阶、温度梯度等因素都会影响液氮的增透作用。其中,煤体含水率对液氮致裂的增透效果影响尤为显著。为研究含水率对液氮致裂的影响效果和机制,对含水率分别为0%、2%、4%及6%的4组煤样进行液氮溶浸处理,使用渗透率测试仪进行气相渗透率测试,对不同压力点煤样渗透率及应力敏感性变化规律进行讨论分析。试验结果表明：(1)在相同围压条件下,煤体气相渗透率随有效应力的变化趋势整体上符合负指数函数k=ae^-bσ+c,拟合后相关指数均大于0.95;(2)当有效应力超过一定临界值,煤体气相渗透率会受克林伯格效应影响,随有效应力的增大呈现上升趋势;(3)煤体自身含水率的增加会对液氮致裂效果产生明显促进作用,最明显的是,当含水率从2%提升到4%时,煤样液氮致裂前后渗透率增幅从92.88%增大到357.12%;(4)对液氮致裂前后煤样的渗透率进行归一化处理后,发现煤体水分同时具有阻碍渗流的消极作用与提升致裂效果的促进作用,在水分的复合作用下致裂前后煤样归一化渗透率变化规律比较复杂;(5)在相同孔隙压力下,煤体有效应力敏感性随有效应力的增大逐渐...     

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究

为解决我国高瓦斯煤层渗透性差导致瓦斯抽采率低的难题,利用超临界二氧化碳强扩散和溶解增透等独特优点,采用自制三轴渗透实验装置,开展不同温度下超临界二氧化碳作用后煤的宏观增透实验,在宏观增透实验基础上进行煤微观扫描成像实验。结果表明:恒定体积应力和孔隙压力条件下,不同温度超临界二氧化碳作用后,煤的渗透率较增透前提高一个数量级,但在二氧化碳的超临界温度范围内,煤的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。超临界二氧化碳作用后,煤微观孔隙率较增透前提高两个数量级,随着温度增加,煤微观孔裂隙的演化速率减慢,孔隙率随温度增加呈负指数变化规律。宏微观实验数据同时表明,煤宏观渗透率随微观孔隙率增加而增大。超临界二氧化碳增透过程中,孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用。      

煤层瓦斯卸压抽放动态过程的气-固耦合模型研究

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体孔隙变形与透气性演化的耦合作用方程,建立了考虑煤层吸附、解吸作用的含瓦斯煤岩固-气耦合作用模型。应用该模型模拟研究了不同压力影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,其结果对于深入理解瓦斯抽放作用机制并采取相应的瓦斯预防和控制措施等具有重要的理论和实践意义。     

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。     

煤层高压水力割缝增透技术地质条件适用性探讨

我国煤层透气性差,煤层瓦斯预抽难度大,提高煤层透气性是提高瓦斯抽采效果的关键,煤层高压水力割缝增透技术的应用取得较好的效果,但因矿井地质条件的差异,也存在部分矿区应用效果不理想的情况。通过理论分析、数值模拟和工程实例,研究了不同地质条件下高压水力切割煤层后地应力、煤层位移的变化规律,采用储层数值模拟软件进一步研究了水力切割后钻孔的产气效果,分析了国内工程应用效果。研究结果表明,煤层高压水力割缝增透技术能有效提高煤层透气性能,大幅提升瓦斯抽采效果;在煤层较厚、瓦斯含量大、煤体碎软及低渗的煤层中应用效果更为显著。     

开采扰动下考虑损伤破裂的深部煤体渗透率模型研究

为了研究深部煤体在开采扰动影响下的渗透率演化规律,以三向应力条件下的煤体渗透率模型为基础,从吸附解吸作用引起裂隙变形和损伤破裂造成煤基质弹性模量劣化的角度进行理论推导,引入内膨胀应变系数的概念,同时基于Drucker-Prager破坏准则的损伤本构关系建立了两种考虑煤体损伤破裂的渗透率演化模型——指数型和立方型,并且对常规三轴加载、开采扰动加卸载和改变气体压力下的瓦斯渗透试验结果进行了拟合分析。结果表明：所构建的两种模型可以较好地反映常规三轴加载和开采扰动加卸载下煤体渗透率的分区段变化特征,也可以描述有效围压恒定条件下煤体渗透率随气体压力升高而降低的规律。在开采扰动加卸载和改变气体压力的试验中,指数型的拟合效果略优于立方型。研究结果可为深部煤炭开采及瓦斯抽采的工作提供指导。     

可控电脉冲波增透技术在低透气性煤层中的应用

可控电脉冲波增透技术作为低透气性煤层增透改造的理想措施之一，施工方案优化问题亟待解决。选择山西保德煤矿低透气性煤层，采用可控电脉冲波增透技术开展钻孔增透施工方案优化。试验结果表明，在钻孔内平均增透作业范围为131 m、冲击密度为0.5次/m条件下，增透钻孔组日均瓦斯抽采量较常规孔提高4.7倍，可控电脉冲波增透效果最佳。增透钻孔组日均瓦斯抽采量由高到低依次是5 m观测孔、15 m观测孔、30 m观测孔和增透孔，表明增透效果随着距离的增加逐渐衰减，影响半径确定为大于30 m。结合对比验证试验综合分析认为，可控电脉冲波能够显著提高煤层瓦斯抽采量，而冲击密度和钻孔内增透作业范围是增透效果的重要影响因素。在较硬煤层中以钻孔内平均增透范围100 m、0.5次/m冲击密度作业增透效果最佳。研究成果为可控电脉冲波增透技术在我国低透气性煤层的增透施工方案设计中提供参考。      

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。     

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。     

损伤和剪胀效应对裂隙煤体渗透率演化规律的影响研究

煤层瓦斯渗透率是影响瓦斯抽采和动力灾害防治的重要参数。为了研究煤体损伤和剪胀变形对渗透率的影响,首先引入损伤变量反映煤体损伤破坏状态,建立了基于体应变增量的煤体损伤本构模型。并采用Hurst指数表征裂隙表面粗糙度,基于裂隙表面的分形特征,建立了裂隙渗透率在压缩和剪切作用下的演化模型。通过对TOUGH2和FLAC3D软件进行二次开发,建立了基于双重孔隙模型的TOUGH2(CH4)-FLAC气-固耦合数值分析工具。采用本软件对煤样单轴压缩过程进行模拟分析,结果表明：煤体的破坏是损伤单元累积和贯通的结果,最终形成贯通煤体的损伤带是造成煤体失稳破坏的主因;围岩内的渗透率增加区域与损伤区位置基本一致,其中裂隙系统的渗透率增加幅度最大可达2个数量级;剪切破坏区的裂隙发生剪胀变形,引起裂隙渗透率大幅增加。建立的理论模型与数值计算工具为制定瓦斯治理措施提供了理论指导。     

高瓦斯低透气性煤体定向聚能爆破增透机制

针对传统煤层预裂爆破增透存在的问题,对定向聚能爆破控制裂纹演化方向的理论和方法进行研究,即通过聚能射流的初始导向裂纹与后续高压气体形成的气楔联合作用,达到控制裂纹演化方向和长度的目的。基于模型试验和数值模拟,探讨了定向聚能爆破聚能方向和非聚能方向裂纹演化的机制。在潘三矿掘进工作面现场运用定向聚能爆破技术,达到增加煤体裂纹与保护围岩稳定性有机的统一。试验结果表明：爆破后3 h内抽采瓦斯量变化最为明显,其中最大抽采量是原始抽采量的470倍。有效抽采半径为7 m以内,爆破后顶板振幅约为0.23 cm。     

液氮溶浸对不同煤阶含水煤样渗流特性的影响

中国包含多种煤阶煤层,由于煤质、地质条件等差异,不同煤层中的水分赋存情况也具有较大差异性。煤阶、饱水度作为影响液氮低温致裂效果的两个重要因素,有必要对其进行深入研究。为此,分别选择褐煤、烟煤与无烟煤3种煤阶煤样,并制备得出饱水度分别为0%、33%与99%的煤样进行液氮溶浸处理,使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙处理前后的演化规律,并对煤样进行氮气渗流试验。试验结果表明：液氮溶浸后褐煤因产生的一条与多条贯穿裂隙发生整体结构上的断裂,烟煤表面有新裂隙产生,原生宏观裂隙有一定的扩展与延伸,无烟煤表面宏观裂隙无明显发育;煤样饱水度越高,液氮的致裂增透效果越显著;液氮溶浸对3种煤阶煤样的致裂增透效果关系为：褐煤>烟煤>无烟煤,在完全干燥状态下,由于热应力不足以破坏颗粒间链接,烟煤与无烟煤的增透效果近似相等;对于褐煤,液氮溶浸处理对完全干燥状态下的煤体即产生有效致裂,渗透率平均增幅高达559.35%,对于烟煤,在饱水度为33%和99%的状态下,液氮溶浸对煤体具有明显致裂效果,渗透率平均增幅分别为330.60%和448.77%,对于无烟煤,在饱水度为99%的状态下液氮溶浸处理才能对煤体产生有效致裂,渗透率平均增幅为185.53%。     

基于两能态吸附热理论的煤层瓦斯流动热-流-固多场耦合模型

为了研究煤层瓦斯流动过程中温度与渗流场和应力场的耦合作用变化规律,引入煤层瓦斯两能态吸附热理论,重新构建煤层温度场控制方程,推导了温度场控制方程中解吸微分热能项的理论求解方法,改进了煤层瓦斯流动的热-流-固多场耦合数学模型;从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制;利用该模型研究了煤层瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流动时的煤层温度、瓦斯压力、煤层渗透率的变化规律;结合已有试验研究结果,对比验证了模型的精确性和合理性;研究结果表明,在煤层瓦斯抽采过程中,煤层温度下降的快、慢受煤层原始瓦斯含量和压力及煤层渗透率的共同影响,煤层渗透率越大,温度下降越快,煤层瓦斯压力和含量越大,温度下降越快;同时,煤层渗透率随抽采时间的增长而增加,越靠近钻孔壁面煤层渗透率增加幅度越大。     

采动煤岩渗透率演化模型及数值模拟

为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。