高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术研究高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术研究 申请人姓名 张军胜 指 导 教 师 曹运兴 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 瓦斯灾害预测及防治 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二二○一四年一四年十十月月 万方数据 中图分类号中图分类号TD712 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽采 技术研究 The Rapid Gas Drainage Technology Reaearch On Increase Coal Gas Permeability By Vapor Hpase Fracturing in Gaohe Coal Mine 申请人姓名申请人姓名 张军胜张军胜 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 瓦斯灾害预测及防治 瓦斯灾害预测及防治 导导 师师 曹运兴曹运兴 职称职称 教授教授 提交日期提交日期 20142014 年年 9 9 月月 答辩日期答辩日期 20142014 年年 1212 月月 4 4 日日 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽 采技术研究 ，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 三年的研究生生活即将结束。经历了找工作的喧嚣与坎坷，我深深体会到了 论文写作时的那份宁静与思考。回首三年的求学历程，对那些引导我、帮助我、 激励我的人，我心中充满了感激。 本研究及学位论文是在我的导师曹运兴教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和 激励着我。从论文选题到论文的最终完成，曹老师都给予我细心的指导和不懈的 支持。两年来，曹老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给 我以无微不至的关怀，在此谨向曹老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始选题到论文的顺利完成， 有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意 感谢我生活学习的河南理工大学，给了我一个宽阔的学习平台，让我不断吸取新 知，充实自己。同时，要感谢培养我的安全科学与工程学院，感谢学院给予过我 帮助的学院领导和所有老师。感谢团队田林、方红磊、崔宏伟、孙兵周、杜景卫、 吴阳、苏恒、刘艳伟、郭德涛、王建涛、刘炎杰、马兵、路遥、杜冬冬等对我的 帮助。感谢河南方舟各位领导的帮助，感谢潞安集团领导的指导帮助，感谢潞安 瓦斯研究院傅国廷院长、霍灵军院长；潞安工程公司领导赵岗飞总经理、郭继荣、 徐计连；高河能源领导冀敏俊、孙文忠、刘旭刚、崔永国的指导和帮助。感谢我 的家人，我的朋友，在我面临人生选择的迷茫之际，为我排忧解难，他们对我无 私的爱与照顾是我不断前进的动力。感谢本文所引用参考文献的所有作者们及潞 安高河煤矿工作人员的支持。 最后，我要感谢参与我论文评审和答辩的各位老师，他们的点拨给我了更多 的思考。我将在今后的工作学习中加倍努力，以期能够取得更多成果回报他们、 回报社会。再次感谢他们，祝他们一生幸福、安康 万方数据 I 摘 要 气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术的核心是利用二氧化碳致裂器（二氧化 碳开采器）瞬间产生高压气体作用于煤层，重新开启煤层原始割理和裂隙系统。 通过高压爆破改变煤体基质孔隙结构特性，大幅度提高煤层透气性和渗透率，提 高瓦斯抽采浓度、瓦斯纯流量、抽采速度和抽采率。 本文通过对高河 3煤层瓦斯地质和瓦斯抽采现状的系统研究。 在 1305 工作面 分别制定了 3 种不同的试验方案，并做了工业性试验。试验期间对整个工作面的 瓦斯抽采参数进行全面的监测和分析，考察气相压裂强化增透的抽采效果，重点 是瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯流量。试验共取得一下成果 1. 试验钻孔瓦斯抽采浓度由普通钻孔的 15提高到了 50以上，提高 3 倍以 上。 单孔瓦斯抽采量由试验前的 14m3/d 提高到了 150～278m3/d 以上， 提高了 10～ 20 倍。 2. 压裂区域试验钻孔抽采 210 天后，瓦斯含量由原来的 11.73m3/t 降低到了 6.5m3/t，抽采率高达 45，实现了快速抽采和瓦斯综合治理的技术目标。 3. 气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术是煤矿瓦斯治理的一种新技术，它可 以大幅提高瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和抽采率，快速降低煤层瓦斯含量和 瓦斯压力，同时可以使煤层地应力重新分布，消除局部地应力集中状态，起到消 突效果，使高瓦斯突出煤层变为低瓦斯煤层，保障安全开采。 关键词关键词气相压裂；卸压增透；快速抽采；透气性；渗透率 万方数据 III Abstract The core technology of AR vapor fracturing strengthen for gaw drainaing rapidly is the use of carbon dioxide-induced cracking unit carbon dioxide extraction unit instantly generate high pressure in coal seam gas effect,re-open the original coal cleat and fracture systems. By changing the high pressure blasting coal matrix pore structure characteristics, greatly improve seam permeability and permeability, improve gas drainage concentration, pure gas flow, drainage rate and pumping rate. Systematic study of Gao he caol mine No.3 coal seam gas drainage situation and geology of this paper. The site of 1305 were developed three different test programs, and industrial test done. The entire site gas drainage during the test parameters comprehensive monitoring and analysis, study of gas-phase fracturing AR strengthen the effect of extraction, concentration focused on gas drainage and gas drainage net traffic. Test a total of about outcomes 1.Test drilling gas drainage concentration was increased from 15 of normal drilling to more than 50 percent, more than three times. Hole gas drainage volume increased from 14m3/d before the test to 150 278m3/d or more, increased by 10 to 20 times。 2. fracturing drilling drainage area of 210 days after the test, the gas content of the original 11.73m3/t reduced to 6.5m3/t, pumping rate up to 45, to achieve the goal of rapid extraction technology and comprehensive management of gas. 3. The core technology of AR vapor fracturing strengthen for gaw drainaing rapidly is a new coal mine gas control technology, which can substantially increase the concentration of gas drainage, gas drainage and drainage net flow rate, rapid reduction seam gas content and gas pressure,while allowing coal to stress redistribution, eliminate stress locally concentrated state, played eliminate sudden effect, so high gas outburst coal seam gas goes low, safety mining. Keywords gas fracturing; relief AR; efficient drainage; permeability; penetration 万方数据 V 目录 Abstract ......................................................................................................................... III 1 引言引言 .............................................................................................................................. 1 1.1 项目研究背景及意义 ........................................................................................ 1 1.1.1 项目研究的重要性和紧迫性 ................................................................. 1 1.1.2 本项目对安全生产重大事故防治的作用和意义 ................................. 2 1.2.低渗煤层瓦斯抽采国内外研究现状 ................................................................ 3 1.2.1 低透气性煤层瓦斯抽采仍然是煤矿瓦斯治理的重大技术难题 ........ 3 1.2.2 开采解放层瓦斯快速抽采技术 ............................................................ 3 1.2.3 水力压裂强化增透瓦斯快速抽采技术 ................................................ 4 1.2.4 水力割缝卸压增透瓦斯快速抽采技术 ................................................ 5 1.2.5 水力冲孔卸压增透瓦斯快速抽采技术 ................................................ 6 1.2.6 深孔控制预裂爆破强化增透瓦斯快速抽采技术 ................................ 7 1.2.7 目前瓦斯抽采技术存在的问题 ............................................................ 8 1.3 研究内容及预期目标 ....................................................................................... 9 1.3.1 主要研究内容 ......................................................................................... 9 1.3.2 研究预期目标 ....................................................................................... 10 1.4 技术路线 ......................................................................................................... 10 2 矿井概况矿井概况 .................................................................................................................... 11 2.1 煤矿位置及交通 ............................................................................................. 11 2.2 井型、开拓方式及生产能力 ......................................................................... 11 2.3 矿井通风和瓦斯 ............................................................................................. 12 2.3.1 通风方式 .............................................................................................. 12 2.3.2 矿井设计供风量 .................................................................................. 12 2.3.3 矿井瓦斯等级 ...................................................................................... 12 2.4 矿井瓦斯地质规律 ......................................................................................... 12 2.4.1 3煤层瓦斯含量 ............................................................................................ 12 2.4.2 瓦斯赋存分布规律及预测 .......................................................................... 14 3 矿井瓦斯抽采矿井瓦斯抽采 ............................................................................................................ 17 3.1 矿井瓦斯抽采参数 ......................................................................................... 17 万方数据 VI 3.2 矿井瓦斯抽采方法 .......................................................................................... 17 3.2.1 抽采瓦斯方法选择 ............................................................................... 17 3.2.2 抽采参数的确定 .................................................................................... 19 3.2.3 抽采钻孔布置及施工 ............................................................................ 21 3.3 矿井瓦斯抽采现状 .......................................................................................... 23 3.3.1 E1305 工作面瓦斯抽采现状 ................................................................ 23 3.3.2 高河全煤矿工作面瓦斯抽采总体情况 ................................................ 29 4 气相压裂增透瓦斯抽采实施方案气相压裂增透瓦斯抽采实施方案 ............................................................................. 31 4.1 气相压裂试验工作面瓦斯地质特征 .............................................................. 31 4.1.1 试验工作面 E1305 瓦斯地质概况 ....................................................... 31 4.1.3 试验工作面 E1305 水文地质情况 ...................................................... 34 4.1.4 试验工作面 E1305 通风情况 .............................................................. 34 4.2 气相压裂增透瓦斯抽采实施过程 ................................................................... 34 4.2.1 预抽采工作面密集钻孔段 ................................................................... 35 4.3 未抽采工作面原始煤体巷道段气相压裂试验 .............................................. 36 4.4 掘进工作面气相压裂试验 .............................................................................. 37 4.5 数据监测 .......................................................................................................... 37 5 气相压裂瓦斯抽采效果分析气相压裂瓦斯抽采效果分析 ..................................................................................... 41 5.1 瓦斯抽采支管路参数分析 .............................................................................. 41 5.1.1 E1305 辅助运输巷道支管路抽采效果分析 ........................................ 41 5.1.2 E1305 瓦斯排放巷道主管路抽采效果分析 ........................................ 42 5.2 气相压裂单孔抽采效果分析 .......................................................................... 46 5.2.1 E1305 辅助运输巷道压裂单孔抽采效果分析 .................................... 46 5.2.2 E1305 瓦斯排放巷道压裂单孔抽采效果分析 ................................. 51 5.3 掘进工作面压裂瓦斯抽采效果分析 .............................................................. 62 5.3.1 E1305 胶带运输巷道迎头压裂抽采效果分析 .................................... 62 5.3.2 E1305 回风巷道迎头压裂抽采效果分析 ............................................ 63 6 结论和展望结论和展望 ................................................................................................................. 65 6.1 结论 .................................................................................................................. 65 6.2 展望 .................................................................................................................. 65 作者简历作者简历 ......................................................................................................................... 71 万方数据 VII 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 85 万方数据 1 引言 1 1 引言 1.1 项目研究背景及意义 防治煤与瓦斯突出规定中明确指出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。未采取区域综合防突措施的，严禁进行采掘活动，做到 不掘突出头，不采突出面‖。区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽 尽抽、效果达标‖。山西高河能源有限公司（以下简称高河矿） ，矿井历年瓦斯等 级鉴定结果 2007 年矿井绝对瓦斯涌出量为 23.12 m3/min，为低瓦斯矿井； 2008 年矿井绝对瓦斯涌出量为 46.80 m3/min，为高瓦斯矿井； 2009 年矿井绝对瓦斯涌出量为 65.27 m3/min，为高瓦斯矿井； 2010 年矿井绝对瓦斯涌出量为 145.42 m3/min，为高瓦斯矿井。 瓦斯问题已成为制约现代化矿井高产高效发展的主要因素之一，同时瓦斯灾 害是矿井重大安全隐患之一。瓦斯是影响煤矿生产和安全的首要危害，实施井下 瓦斯抽采在目前是解决这一问题的有效途径。井下瓦斯有效抽采目前还有一些问 题未能很好的解决，提高瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量是其中重要的一个问题， 主要通过提高封孔质量和有效的抽采管理解决。其中提高封孔质量是重点，从确 定合理封孔深度和封孔材料、封孔工艺上来解决封孔问题是可行的，这些是保证 瓦斯抽采浓度的基本条件。通过对高河煤矿 3 号煤层瓦斯基础参数的测定，瓦斯 含量大、压力高，煤层裂隙很发育，但裂隙多呈闭合状态。瓦斯放散初速度、吸 附常数、百米钻孔瓦斯衰减系数比较大，属于难抽采型煤层。为了在防治、利用、 抽采矿井瓦斯过程中避免盲目性，做到有效、可靠、有预见性和针对性，就要求 对煤层的瓦斯赋存情况有一个全面的了解。煤层瓦斯赋存受地质构造、沉积、煤 体赋存状态及煤质等因素影响，为此需要对各个因素进行单独分析，综合得出控 制瓦斯赋存的主控因素，即关键地质体。在此基础上，利用气相压裂强化增透技 术对高河煤矿 E1305 工作面进行煤层改性，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采浓度、 瓦斯抽采纯流量和瓦斯抽放率。 1.1.1 项目研究的重要性和紧迫性 瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的根本途经，也是最重要的手段。在现阶段煤炭仍 然是我国的主要能源，在我国能源结构中仍然占据 70的比重，这一现实在短期 内仍不可能改变。随着矿井采深和开采强度的增加，瓦斯问题日益严重，解决煤 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 矿瓦斯问题，保障煤矿企业安全生产的根本措施是实施瓦斯抽采，这已经是行业 共识。 瓦斯抽采分为地面瓦斯抽采（煤层气工程）和井下瓦斯抽采，目前还以井下 瓦斯抽采为主。由于我国煤矿大部分煤层属于低压、低透气性煤层，本煤层瓦斯 抽放较为困难。对单一煤层，目前所采取的措施主要是密集钻孔和长时间抽采， 抽采成本极高。在透气性较好的煤矿，本煤层瓦斯抽采也存在同样的问题。因此， 提高低透气性煤层的瓦斯抽采效率已成为共性问题，是亟待解决的技术难题。另 外，在瓦斯透气性较好的煤矿（煤矿） ，迫切需要开发成本更低、效率更高的瓦斯 抽采新技术和新工艺，提高瓦斯浓度和增加抽采量。 瓦斯既是煤矿安全的元凶，但也是宝贵的清洁能源。要实现瓦斯抽采量最大 化和瓦斯利用率最大化，关键在于提高煤层透气性，增加瓦斯抽采浓度和流量。 提高煤层透气性的途径目前有两种方法一是开采解放层；二是地面钻孔水力压 裂、井下钻孔水力压裂。对于潞安矿区的单一煤层，无法实施开采解放层增透技 术；采用地面打钻压裂技术是一种提高煤层透气性的有效方法，但抽采时间长， 有时受地面环境影响，合理的钻孔位置选择较困难；井下钻孔水力压裂能够很好 的增加的煤层透气性，提高抽采率，但施工工程量大，周期长。 气相压裂强化增透是提高低渗煤层瓦斯抽采率的新工艺和新技术。该技术工 艺简单、可靠易行、安全、综合成本较低，可大幅度提高瓦斯抽采率和抽采速度， 降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力；气相压裂使煤层产生大量裂隙，煤层地应力重新 分布，消除局部高应力状态，起到消突效果，保障突出工作面安全掘进和回采。 气相压裂强化增透技术不仅对煤炭企业产生巨大的经济效益，社会效益更大。在 解决安全难题的前堤下对环保低碳、能源开发利用等有重大意义，附合国家的产 业政策。 这项技术研究成功，将是我国煤炭行业瓦斯治理安全难题的重大突破，是国 家急需的，也是煤炭行业急需的。因此该技术具有广泛的推广应用前景。应用和 推广这一技术，可以使我国高瓦斯煤矿早日实现煤、气安全高效共采。 1.1.2 本项目对安全生产重大事故防治的作用和意义 （1）大幅度提高瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和抽采率，快速降低煤层瓦 斯含量，使高瓦斯煤层变为低瓦斯煤层，有效降低突出危险，减少煤矿突出事故， 保障突出工作面安全开采。 万方数据 1 引言 3 （2）气相压裂后，使煤层产生大量裂隙，使煤层地应力重新分布，消除局部 高应力状态，起到消突效果，保障突出工作面安全掘进和回采。 （3）抽出瓦斯可以直接民用。高瓦斯煤矿气相压裂后的瓦斯抽采浓度到达 50以上，经提纯后用于汽车燃料，实现瓦斯的变害为利。 （4）气相压裂强化增透瓦斯抽采技术不仅对煤炭企业产生巨大的经济效益, 社会效益更大。在解决安全难题的前堤下对环保低碳、能源开发利用等有重大意 义,附合国家的产业政策。 这项技术研究成功，将是我国煤炭行业瓦斯治理安全难题的重大突破，是国 家急需的，也是煤炭行业急需的。因此该技术具有广泛的推广应用前景。 1.2.低渗煤层瓦斯抽采国内外研究现状 1.2.1 低透气性煤层瓦斯抽采仍然是煤矿瓦斯治理的重大技术难题 我国煤系地层普遍属于低渗透性煤层，煤层瓦斯预抽难以实施，效果很差。 几十年来，为解决煤矿安全问题，针对低透气性煤层瓦斯抽采和消突问题，国内 多数煤矿企业曾研究实施过相当多的技术措施，例如开采解放层、水力压裂、 水力割缝、水力冲孔、控制预裂爆破、密集钻孔等强化增透方法。 针对低渗透高瓦斯煤层瓦斯抽采的问题，国内外有关专家进行了大量科研工 作，取得了许多宝贵的经验，但效果仍不理想，因此，低透气性煤层瓦斯抽采成 为国际技术难题 [2]。对于我国低透气性高瓦斯煤层特点，应力求找到能够实现煤 层卸压增透快速抽采的方法和途径，对煤层进行强化增透，达到卸压的目的，增 加煤层透气性，大幅度提高瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和瓦斯抽放率，同时 消除或降低瓦斯突出危险倾向，实现煤与瓦斯共采，达到矿井安全生产和不可再 生的高效清洁能源的充分利用[3,4]。 1.2.2 开采解放层瓦斯快速抽采技术 关于低渗煤层瓦斯治理技术有两种，一是区域治理技术，二是局部治理技术。 在煤层发育的矿区或煤矿，开采解放层（保护层）是应当优先考虑选择的区域瓦 斯治理技术[5,6,7]。该技术是在多煤层群中，选择比较安全的没有突出危险或危险较 小的煤层首先进行开采, 形成采空区和自然冒落拱后发生卸荷作用， 使上部或下部 被解放的煤层和邻层围岩体的弹性能得以释放并发生膨胀和既存裂隙张开，降低 主采煤层的应力集中状态，大幅度提高（成百上千倍） ）煤层渗透率或透气性系数， 提高瓦斯抽采速度和抽采率，迅速降低瓦斯含量和瓦斯压力，缓解冲击地压和瓦 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 斯突出。 开采解放层是我国行至有效的瓦斯综合治理技术，是国家安监部门优先倡导 或者强制执行的技术措施，在我国防止煤与瓦斯突出领域广泛应用。我国在上世 纪 50-60 年代最先在北票、南桐、中梁山、天府、松藻等高突矿区研究解放层开采 技术治理瓦斯，取得了显著效果。在上世纪 70-80 年代，以中国矿业大学、煤炭科 学研究院为主的研究院所在上述典型矿区进行了深入研究和重点实验，该技术获 得了长足进步，日臻成熟。进入上世纪 90 年代和 21 世纪，我国经济快速发展， 煤炭开采速度和深度增加，煤矿瓦斯灾害频繁发生，煤矿安全要求进一步提高， 瓦斯治理技术水平进一步升级。在这种背景下，开采解放层瓦斯治理技术在淮南、 淮北、阳泉、沈阳红菱等矿区得到了广泛应用，获得了良好的效果。 在最近几年，我国瓦斯灾害事故仍然频繁发生，一些单煤层突出煤矿开始研 究开采薄煤层解放层技术，也获得了较好的效果，例如河南的焦作、郑州和平顶 山等矿区，但是成本高昂。 对于潞安矿区的单煤高瓦斯煤层，目前余吾煤矿试验了顶板岩石巷道瓦斯抽 采试验，并进行了地面水平钻井替代高抽巷道的试验，都获得了效果，由于成本 高昂，该技术距离全面推广应用还有相当的难度。 1.2.3 水力压裂强化增透瓦斯快速抽采技术 煤矿井下定向水力压裂强化增透瓦斯快速抽采和消突技术，经国内科研工程 单位的进一步研发，已经形成了配套的煤矿瓦斯综合治理新技术系列。煤矿井下 定向压裂增透技术主要针对低渗透高瓦斯突出煤层。通过实施井下定向压裂增透， 使工作面前方压裂增透区域的煤体卸压，提高煤层透气性，瓦斯得到释放，提高 瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯流量和瓦斯抽采率，进而降低工作面瓦斯突出和冲击 地压危险性[8,9,10]；由于注水作业，煤尘和煤层自燃发火有效降低。所以，水力压 裂是集煤层强化增透、消突、降尘、抑制煤层自燃发火、防治冲击地压等多目标 为一体，在低渗煤层瓦斯区域治理具有较强可操作性。 煤矿井下定向压裂增透消突技术是把高压水作为动力，在煤层中形成人工裂 隙或扩大已有的裂缝或使煤体发生位移。经压裂后的煤层，其内部能出现众多且 延伸很远的裂缝，在瓦斯抽采时使得钻孔周围出现大面积的压力下降，解吸瓦斯 通过压裂形成的裂隙运移至钻孔中，保证了瓦斯能迅速并持久地解吸、释放，抽 出量较压裂前大幅度增加，从而起到卸压和抽采瓦斯的作用，最终达到防治突出、 万方数据 1 引言 5 解除局部应力集中、增加煤体水份、降低粉尘浓度的作用[11,12,13]。 煤矿井下水力压裂系统由高压压裂泵、供水系统、压裂管路系统等组成，连 接形式如见图 1-1 所示。专用封孔器、压裂压裂管路长度，无缝压裂钢管长度、添 加剂用量等根据需要配备。