低渗煤层压裂增透新技术研究

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低渗煤层压裂增透新技术研究【收藏】【共0条评论】【我要评论】来源：zgmt.com.cn作者：王思鹏时间：2010-07-2719:01:14浏览：383王思鹏1,2（1河南理工大学，河南省焦作市，454003；2河南省煤层气开发利用冇限公司，河南省郑州市，450016）摘要介绍了水力压裂增透新技术的特点，在平顶山等矿区共实施了250余次工业性试验,结果表明，水力压裂增透新技术可使煤层透气性系数增加近千倍，单孔瓦斯抽釆量增加上百倍，是突出煤层实现区域消突的一条有效途径。关键词：低渗煤层，增加透气性，瓦斯抽采率忖前，我国高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井总数有6000余座，占我国煤矿总数的一半左右。随着开采深度和强度的逐步增加，瓦斯治理的难度将越來越大。《防止煤与瓦斯突出规定》要求：“防突工作坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则”，“区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围内釆取的防突措施。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯”。开采保护层技术目前己经应用的相当成熟；对于没有保护层的单一煤层，如何提高抽采率以达到消突的目的，是多年來煤矿技术人员一直研究的问题。1增加煤层透气性是提高瓦斯抽采率的关键我国82%的煤层透气性小于1mD,国内透气性最好的抚顺煤R1也仅有0.54~3.8mD,比美国低2〜3个数量级。多年来，为提高瓦斯瓦斯抽采率，科研工作者、工程技术人员采用了提高抽采设备功率、增大抽采孔径、增加抽采孔数、严格封孔、釆用新技术等措施，但是我国矿井瓦斯平均抽采率仅有23%,而美国、澳大利亚等主要产煤国家的抽釆率均在50%以上,尽管存在设备和工艺等差异，但进一步的煤层透气性低是影响瓦斯抽采率的根本原因。因此，提高瓦斯抽采率，关键是研究出低渗煤层增加透气性的实用技术。2传统增透技术概要我国自20世纪70年代以來对低透气性、难抽、高瓦斯和突出危险煤层进行了多种瓦斯抽采卸压增透技术的探索性试验研究。基于对突出机理认识，目前防治瓦斯灾害遵循：卸压、增透并强化抽采瓦斯、提高煤体稳定性、改变煤体性质等基本原则，对于单一煤层采用了诸如：水力冲孔、水力割缝、水力挤出、深孔松动爆破和深孔控制爆破等增透、增加抽采 率措施。这些措施把水作为湿润剂或者动力来改造煤体，起到了一定效果，但是未能从根木上解决区域性瓦斯治理难题，未能整体卸圧增透、大幅度提高煤层瓦斯抽放率：水力冲孔技术在钻冲影响范］韦I内地应力降低、使煤层透气性增高，促进瓦斯解吸和排放，煤体强度增高和湿度增加，但是一般只能应用f值小于0.5的软煤层，适用性差、工艺复杂，主要用于石门揭煤或自喷能力强的软分层;水力割缝技术能提高瓦斯口然排放量，起到增透与卸压的效果,但割缝深度不够，保护距离不足，工作量大；水力挤出技术对以造成煤体位移，为瓦斯运移提供通道，但效果不明显。重耍的是上述措施导致操作工人与煤体“短兵相接”，作业现场极可能因孔口突然喷出的大量高压力煤与瓦斯酿成重大事故，危险性极大；而且这些措施的卸压影响半径不大，在“区域防突措施先行、局部防突措施补充”、“不掘突出头、不采突出面”的要求下，局限性非常明显。3水力压裂增透新技术1.理论研究和设备研发井下水力定向压裂增透新技术的基本原理是借助高压流体对煤层双重介质体的劈裂作用，通过气固液多相多场耦合，使弱面发生张开、扩展和延伸，一方面原生孔裂隙的张开和扩展,增加了煤体孔隙率，另一方面原生孔裂隙的延伸增加了裂隙之间的连通，从而形成相互交织的多裂隙连通网络，增加了瓦斯的运移通道（见图1）,正是由于这种裂隙连通网络的形成,致使煤层渗透率大大提高，煤体实现整体均匀卸压，吸附瓦斯快速解析，从而增加瓦斯抽采量，降低煤与瓦斯突出的危险性。图1压裂增透示意图在理论研究的基础上，受地面打井、压裂、正压排采煤层气技术的启发，结合煤矿井下负压抽采瓦斯系统、采动影响下的I韦I岩运移规律，研发了适用于井下环境的打钻、封孔、压裂、抽采等环节的成套设备；设计了工艺流程，制订了技术标准和作业规程；为了在提髙瓦斯抽采率的同时增加该技术的防煤尘防口燃效果，我们研制了针对不同煤层的系列压裂液；为了确保安全，我们研制了转杯远程视频功能的操作指挥车，远离压裂现场，实现第2作业地点远程操作。见图2、图3所示。 图2压裂泵组图3指挥舱1.应用实例自2008年9月开始实施以来，该技术先后在平顶山、鹤壁、郑州、焦作、宜洛、禹县等矿区共实施了250余次工业性试验，基本涵盖了河南省不同地质类型的矿区。下血就平煤十矿和鹤煤六矿为例说明试验结果。实例1。平煤十矿位于平顶山矿区东部，瓦斯含量127〜30m3/t,瓦斯压力1.5〜2.4MPa,透气性0.0013〜0.0019mD,极难抽采，属突出煤层。目前矿井涌出量占平煤集团公司涌出总量的1/5,位列河南省第2,是平顶山矿区瓦斯灾害最为严重的矿井，历史上发生煤与瓦斯突出事故逾50次，突出最大煤量2000to2008年10月，在24110工作面机巷、风巷、对应的底抽巷进行井下定向压裂增透，经强化抽采并效检后，消除了工作面的突出危险，压裂效果参数对比见表1。表1十矿压裂前后情况对比 压裂前压裂后对比透气性系数/mD0.00151.2800实际单孔抽采fi/m320025000125抽采浓度/%23553.48单孔最大流M/m3.min-10.130.786衰减系数/d-10.24220.03257.45百米钻孔抽采M/m3.min-10.210.874.14瓦斯含M/m3.t-120〜235.38〜6.47瓦斯压力/MPa1.5〜240.56〜0.7预抽率/%20552.7回采速度/m/月55801.45透气性系数/mD实际单孔抽釆tt/m3抽采浓度/%单孔最大流量/m3.min-1衰减系数/d-1百米钻孔抽采量/m3.min-1瓦斯含量Zm3.t-1瓦斯压力ZMPa预抽率/%回采速度/m•月压裂刖0.0015200230.130.24220.2120〜231.5〜2.42055压裂后1.225000550.780.03250.875.38-6.470.56〜0.75580增大倍数8001253.4867.454.14—2.71.45对24110I作面剩余区段进行回采，统计90次效检指标，共有4个指标超标，超标率为4.4%,效检超标幅度显著降低，远远小于以前13.4-16%的效检超标率，大幅度降低了防突措施工程量，有效提高了回采生产效率。同时，压裂前后在压裂影响范围内进行各工序粉尘含量监测，压裂后割煤、钻孔施工工序粉尘含量均有大幅度降低，最大降幅达58.18%,有效改善了工作面作业环境，降低了职业病害发生率。实例2。鹤煤六矿21151作面位于煤与瓦斯突出危险区域，煤层瓦斯含量高、压力大，掘进期I'可煤与瓦斯突岀危险性效检指标经常超标，消突工程量大、周期长、效果差，掘进速度极低，9个月累计总进尺110.5m。于2008年10月底，在2115下顺槽通尺110.5m处巷道迎头进行井下压裂增透技术应用。截至2009年8月17日，2115下顺槽压裂6次，瓦斯抽釆总量72万m3,实现安全 掘进巷道逾400m。巷道掘进速度提高3〜4倍，压裂后共效检142次，其中超标5次，效检超标率3.2%,与压裂前超标率35%相比，突出危险性效检指标超标率显著下降，大大提 高了掘进速度，有效缓解了采掘工作面接替紧张的局面，效检情况见图4。一g临界值sX§CN9110—600、二丄—600296176000OCLSOC00CM64—8—800、0二XOOC-J=—10200、L寸CCOO®二—甲X00CX1K—E—SS1JEE・T;5•浚楚三谟岳富呻皋图4压裂前后q值效检情况+△力2(P“)—W临界值O605000400002001J身|9|60厅g—g—60只9Z-izLMROOZOGTI2IOO003務—甲800沁0一|2|£5沁石丄|冬OZ-寸XOOZ二ZXOOZ務—?UIZOOZ二丄00沁图5压裂前后4/?2值效检情况 掘进工作面粉尘危害严重，掘进工作面压裂有效降低了粉尘浓度，改善了作业环境。2115下顺槽掘进头圧裂抽采后，炮后煤尘浓度由压裂前4.36〜10.44mg/m3,降低到了0.78〜268mg/m3,降尘率74.33〜8211%。4结论井下定向水力压裂增透新技术，可以均衡压裂煤体并沟通C有裂隙，为瓦斯运移提供通道，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。通过在河南煤矿300余次不同地质条件下的井下成功压裂，技术的有效性、适用性、安全性。统计数据表明，实施该技术，煤层渗透系数可提髙近千倍，单孔瓦斯抽采量可提高上百倍，衰减系数可降低7.45倍。参考文献[1]煤矿安全监察局.《防治煤与瓦斯突岀规定》读木[M].北京：煤炭工业出版，2009[2]石必明，成新龙，任克斌.低透气性高瓦斯突出煤层快速掘进综合防突技术[J].煤炭工程，2002(11)[4]张德江.大力推进煤矿瓦斯抽采利用[J].求是，2009(24)[5]冯增朝.低渗透煤层瓦斯强化抽采理论及应用[M].北京：科学出版社，2008[6]于不凡，王佑安•煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2002[7]国家安全生产监替管理总局，国家煤矿安全监察局•防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009[8]煤矿井下定向压裂增透消突成套技术研究报告[R]・河南：河南省煤层气开发利用冇限公司，2009作者简介：王思鹏(1963-),男，河南汤阴人，河南理工大学在读博士，教授级高工，主要从事煤矿安全方面的研究工作，现任河南煤层气开发利用公司总经理，