煤層井下水力增透理論及應用研究.pdf

1、瓦斯是制約煤礦安全生產(chǎn)的一個重要因素，同時又是一種不可再生的清潔能源。抽采瓦斯是防治瓦斯災害事故的根本措施，而煤層透氣性是決定抽采瓦斯效果的關鍵因素。我國煤層的高瓦斯、低透氣、強吸附特性，極大增加了瓦斯的抽采難度，因此，改善煤層透氣性成為煤礦井下瓦斯抽采的重要研究內(nèi)容。
　　目前，對于無開采解放層條件的單一煤層，井下增強煤層透氣性的方式通常為：煤層松動爆破、二氧化碳炮相變致裂、縮短鉆孔間距、增大鉆孔直徑等，這些措施增加了大量的工程

2、量，但提升抽采效果的作用十分有限。井下水力壓裂措施工藝相對簡單，可以有效增強煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，但尚需進一步研究增透理論、完善技術工藝，達到廣泛推廣應用的目的。
　　本論文以河南能源化工集團所屬的焦煤公司中馬村礦與鶴壁中泰礦業(yè)為試驗區(qū)，以研究煤巖體結(jié)構(gòu)的定量表征和瓦斯運移為出發(fā)點，揭示了煤層透氣性水力增透規(guī)律，構(gòu)建礦井煤層水力增透理論；根據(jù)煤層水力增透理論，研究確定了礦井抽采瓦斯水力增透技術工藝，研發(fā)了煤層水力增透技術關

3、鍵裝備；提出了煤層瓦斯抽采水力增透技術效果評價指標，并通過現(xiàn)場工業(yè)試驗進行驗證和完善。具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）研究煤體結(jié)構(gòu)特征和瓦斯運移機理，構(gòu)建礦井煤層水力增透理論。
　　針對煤巖體結(jié)構(gòu)難以定量表達的問題，引入煤層地質(zhì)強度指數(shù)（GSI）對煤巖體結(jié)構(gòu)進行定量表征，討論分析流動狀態(tài)的識別方法和標準，揭示瓦斯運移流動狀態(tài)類型，研究低透氣性煤層增透前后的GSI變化規(guī)律，并以此建立基于GSI的煤體破裂壓力、延伸壓力、濾失系數(shù)、

4、裂縫參數(shù)、壓降方程等煤層水力增透理論參數(shù)，完善煤層水力增透理論，為瓦斯抽采水力增透技術的形成提供理論支持。
　　通過進行煤體應力應變-煤體結(jié)構(gòu)-滲透率耦合實驗，得出GSI與煤體滲透率關系：煤體GSI值從0-100，煤體的滲透率呈正態(tài)分布規(guī)律，煤體滲透率最大值所對應的GSI峰值為52.7，對于GSI值小于52.7的煤體通過卸壓進行增透，對于GSI值大于52.7的煤體通過壓裂進行增透；當100≥GSI≥65時，煤層中瓦斯運移方式主要為

5、擴散-滲流或者擴散，當65≥GSI≥45時，煤層中瓦斯的運移方式主要為滲流，當0＜GSI＜45時，煤層中瓦斯運移方式主要為擴散。
　?。?）基于礦井煤層水力增透理論，研究形成煤層瓦斯抽采水力增透技術工藝。
　　根據(jù)煤層水力增透理論，按照優(yōu)化煤層GSI的原則，分別對煤礦井煤層常規(guī)水力壓裂、水力吞吐、水力壓沖、水力噴射等水力化工藝的增透機理和多重效應進行討論，對比分析了不同增透方法，確定了硬煤通過形成裂隙體系與卸壓增透，對于軟煤

6、則主要通過卸壓增透；并且針對不同煤體結(jié)構(gòu)采用對應增透工藝，分別進行本煤層順層與穿層孔的水力增透試驗；最終形成一套基于特定煤層瓦斯抽采水力增透的技術工藝，并對工藝中的關鍵技術裝備進行了研發(fā)和定型。
　　（3）針對煤層瓦斯抽采水力增透技術，提出并確定了增透效果評價指標體系，并通過試驗對理論進行驗證和完善。
　　在煤層井下水力增透理論支撐下，研發(fā)確定煤礦井下水力增透的配套設備和技術方案，包括增透裝備、鉆孔布置、封孔工藝、增透類型選