煤礦瓦斯抽采新技術(shù)研究 new technologies for

1、煤礦瓦斯抽采新技術(shù),胡千庭重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2016.07.28,一、引言二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備三、井下抽瓦斯提濃增量技術(shù)四、井下水力壓裂增滲技術(shù)五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),目 錄,1、煤礦瓦斯抽采的意義是預(yù)防煤礦瓦斯事故的治本之策；是將瓦斯變?yōu)橘Y源的重要途徑是減少溫室氣體排放的重要內(nèi)容,一、引言,2、煤礦瓦斯抽采存在的主要難題順煤層抽瓦斯鉆孔施工深度

2、難以滿(mǎn)足高效區(qū)域抽采的要求，使得大量采用抽瓦斯專(zhuān)用巖巷，工程成本高、施工時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)生大量廢渣；缺乏長(zhǎng)鉆孔軌跡測(cè)定技術(shù)，使得抽瓦斯難均勻、易留事故隱患；井下鉆孔施工存在風(fēng)險(xiǎn)，遠(yuǎn)程（或地面）操控成為趨勢(shì)和難點(diǎn)；井下抽采的瓦斯?jié)舛鹊?，不利于安全抽采與輸運(yùn)，也給資源化利用帶來(lái)困難；煤層透氣性低，抽瓦斯效果較差，提高透氣性和抽采效果是難題；地面井抽采動(dòng)區(qū)瓦斯效果好，但易受采動(dòng)破壞，提高其高效服務(wù)壽命是難題。,一、引言,1、適用于中硬較穩(wěn)

3、定煤巖層的水平定向復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù),孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿和孔底馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，使鉆頭在復(fù)合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)；僅孔底馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)斜。在寺河煤礦順煤層定向鉆進(jìn)主孔孔深達(dá)到1881 m，基本滿(mǎn)足了f=0.8-6的中硬較穩(wěn)定煤巖層順層瓦斯抽采鉆孔施工的要求。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,整體式鉆機(jī)適用于大斷面空間,復(fù)合鉆進(jìn)原理,技術(shù)發(fā)展方向：減少巖巷工程，以鉆孔代替巷道，減少井下作業(yè)人員,技術(shù)特點(diǎn)：鉆機(jī)具有適應(yīng)于不同施工

4、空間條件的大功率整體式和分體式結(jié)構(gòu)；最大輸出轉(zhuǎn)矩12000Nm，能滿(mǎn)足不同規(guī)格鉆具孔口回轉(zhuǎn)、孔底馬達(dá)回轉(zhuǎn)和復(fù)合驅(qū)動(dòng)三種定向鉆進(jìn)工藝的要求。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,配備孔外供電的高可靠隨鉆測(cè)斜實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)軌跡。,分體式鉆機(jī)適用于小斷面空間,多分支鉆孔,可從主孔鉆進(jìn)許多分支鉆孔，擴(kuò)大鉆孔控制范圍。提高孔底鉆具切削速度，中硬煤層綜合鉆進(jìn)效率較滑動(dòng)鉆進(jìn)提高10%，頂板巖層提高50%。 鉆孔軌跡平滑，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具阻力小，鉆機(jī)系統(tǒng)壓

5、力小。,應(yīng)用途徑：盡可能減少巖巷工程，減少矸石外排、緩解接替關(guān)系、降低工程成本。,走向多分枝定向水平長(zhǎng)鉆孔，可用于煤巷條帶或采煤工作面大面積預(yù)抽煤層瓦斯。,淮北頂板梳狀鉆孔,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,晉城遞進(jìn)式預(yù)抽本煤層瓦斯,寺河礦頂板水平長(zhǎng)鉆孔,2、適宜于松軟突出煤巖層鉆孔施工的高轉(zhuǎn)速異形鉆桿壓風(fēng)排渣鉆孔技術(shù)問(wèn)題：對(duì)f<0.8、尤其是f<0.5的松軟煤層，鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁變形嚴(yán)重，極易使鉆桿抱死，深孔成孔困難，通

6、常為40～60 m，鉆孔覆蓋范圍難以滿(mǎn)足采掘前大面積區(qū)域預(yù)抽煤層瓦斯的要求。原因：鉆孔壁變形大，鉆孔縮徑嚴(yán)重，沿程鉆桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中阻止旋轉(zhuǎn)的阻力大。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,研制成大功率高轉(zhuǎn)速鉆機(jī),功率90kw、最高轉(zhuǎn)速達(dá)700r/min，轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)，提高排渣速率；對(duì)高轉(zhuǎn)速動(dòng)力頭軸承強(qiáng)制供油潤(rùn)滑與冷卻，避免高轉(zhuǎn)速軸承升溫易損。,高轉(zhuǎn)速大功率全液壓鉆機(jī),研制成具有高強(qiáng)度、可正反轉(zhuǎn)、參數(shù)優(yōu)化的寬葉片螺旋鉆桿、三棱螺旋鉆桿等異形鉆

7、桿，使鉆桿在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中具有切削孔壁變形煤巖的功能，確保鉆孔不縮徑；同時(shí)螺旋鋼帶或螺旋槽的鉆桿結(jié)構(gòu)形成機(jī)械螺旋強(qiáng)力排渣的有利通道。研制成易破碎煤塊的鉆頭，預(yù)防產(chǎn)生大塊鉆渣卡堵排渣通道。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,采用合理參數(shù)的霧化壓風(fēng)排渣工藝，減少水對(duì)孔壁煤體的破壞，提升排渣速度，確保排渣及時(shí)。,研制成回轉(zhuǎn)鉆機(jī)用的無(wú)磁隨鉆測(cè)斜技術(shù)，測(cè)定數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在測(cè)管的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，待鉆桿全部退出后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，并繪制鉆孔軌跡，但難以實(shí)現(xiàn)隨

8、鉆糾偏。,儲(chǔ)存式無(wú)磁隨鉆測(cè)斜技術(shù),二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,無(wú)線(xiàn)軌跡隨鉆測(cè)定系統(tǒng),隨鉆測(cè)定信息無(wú)線(xiàn)傳輸原理,,研制成回轉(zhuǎn)鉆機(jī)用的無(wú)線(xiàn)隨鉆實(shí)時(shí)測(cè)定軌跡技術(shù)，測(cè)管測(cè)定的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射管實(shí)時(shí)發(fā)射到外側(cè)鉆桿，外側(cè)鉆桿傳輸?shù)娇卓诮邮掌鳎邮掌鲗⑿盘?hào)傳輸?shù)诫娔X，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)隨鉆實(shí)時(shí)測(cè)斜。解決了回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)測(cè)軌跡難題。,無(wú)線(xiàn)測(cè)定技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸不受鉆孔介質(zhì)影響，在井下試驗(yàn)傳輸距離可達(dá)200m以上，依據(jù)測(cè)定的軌跡信息，可利用導(dǎo)向塊等進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)向。松

9、軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在淮南丁集礦f=0.28-0.4的煤層中鉆孔26個(gè)，孔深200 m以上的22個(gè)，200 m以上孔深成孔率為84.6%；在淮南張集礦f=0.6-0.8的煤層中鉆孔18個(gè)，孔深250 m以上的14個(gè)，250 m以上孔深成孔率77.8%。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,應(yīng)用,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,對(duì)f＜0.3時(shí)，短工作面遞進(jìn)式預(yù)抽煤層瓦斯,對(duì)f=0.3-0.5時(shí)，正常工作面遞進(jìn)式預(yù)抽煤層瓦斯,對(duì)f=

10、0.5-0.8時(shí)，長(zhǎng)工作面遞進(jìn)式預(yù)抽煤層瓦斯,對(duì)f＞0.8時(shí)，多工作面遞進(jìn)式預(yù)抽煤層瓦斯,應(yīng)用,對(duì)符合規(guī)程要求的突出煤層也可應(yīng)用于煤巷條帶預(yù)抽煤層瓦斯，節(jié)省巖巷工程。由此也可看出，順煤層鉆孔深度對(duì)有效預(yù)抽煤層瓦斯，降低抽采成本具有非常重要的意義。,3 、遠(yuǎn)控自動(dòng)化鉆孔技術(shù)減人是高安全、高效益生產(chǎn)的方向。 利用傳感和視頻技術(shù)，將相關(guān)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)視頻通過(guò)安全監(jiān)控的以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)控操作地點(diǎn)，操作人員在操作地點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)觸發(fā)電動(dòng)閥門(mén)控

11、制液壓油路的導(dǎo)通與關(guān)斷、控制電機(jī)和泵組的啟停。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)裝卸鉆桿，自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)開(kāi)孔位置、傾角、方位，自動(dòng)移動(dòng)鉆機(jī)、固定鉆機(jī)等。對(duì)固定程序的操作設(shè)計(jì)了一鍵遠(yuǎn)控的智能化操作。,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,ZYWL-4000SY雙履帶式全自動(dòng)鉆機(jī),鉆機(jī)采用履帶車(chē)整體結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)控點(diǎn)也可設(shè)置在地面。通過(guò)超聲測(cè)距儀和云臺(tái)攝像儀，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控鉆機(jī)移機(jī)；通過(guò)壓力、角度傳感器等，實(shí)現(xiàn)錨固和傾角調(diào)節(jié)；采用抓取式自動(dòng)裝卸鉆桿、輸送鉆桿和調(diào)整鉆桿傾角（0 ～

12、90° ）；鉆桿箱通過(guò)滑軌實(shí)現(xiàn)換列；儲(chǔ)存鉆桿數(shù)量可根據(jù)需要調(diào)整；采用姿態(tài)儀確定開(kāi)孔位置。,,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,遠(yuǎn)控自動(dòng)化鉆機(jī)采用原150鉆機(jī)功率,在松藻煤電公司逢春煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用地面遠(yuǎn)控方式共施工29個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺3192 m，其中150 m以上鉆孔3個(gè)，最深孔進(jìn)尺167 m，,二、井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)及裝備,地面遠(yuǎn)控站,井下主機(jī),終孔直徑都在Ф94 mm以上。在淮南礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，采用

13、井下遠(yuǎn)控方式，月均臺(tái)進(jìn)尺達(dá)到3000 m以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了一鍵遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)控移機(jī)、固機(jī)、定位等功能。,三、 井下抽瓦斯提濃增量技術(shù),問(wèn)題：我國(guó)煤礦井下抽采的瓦斯量約60%以上濃度低于30%，這將至少帶來(lái)四個(gè)方面的不利因素： a. 濃度低于30%的瓦斯易燃易爆，抽采、輸送等各環(huán)節(jié)都存在安全風(fēng)險(xiǎn)； b. 濃度低于30%的瓦斯利用困難，目前主要用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電或僅作乏風(fēng)利用的摻混瓦斯，利用價(jià)值較低； c. 抽采低濃

14、度瓦斯單位體積抽采量的成本高； d. 井下抽采瓦斯的現(xiàn)場(chǎng)極易引發(fā)煤炭自燃火災(zāi)。 提高抽采瓦斯的濃度是非常必要的。技術(shù)發(fā)展方向：綜合措施實(shí)現(xiàn)抽采高濃度瓦斯,1. 抽采高濃度瓦斯的方法盡可能不采用采空區(qū)埋管、插管抽瓦斯方法。應(yīng)采用高冒帶、裂隙帶低負(fù)壓抽采空區(qū)瓦斯工藝；盡可能選擇卸壓開(kāi)采抽采鄰近層瓦斯方法、預(yù)抽煤層瓦斯方法等。,三、 井下抽瓦斯提濃增量技術(shù),2. 封孔技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯封孔深度應(yīng)超過(guò)采掘空間圍巖的卸壓區(qū)，

15、同時(shí)采用兩堵一注的封孔工藝，即在封孔段的兩端分別設(shè)置A、B化學(xué)漿液反應(yīng)形成的堵頭，中間高壓注入封孔材料，使鉆孔封孔嚴(yán)實(shí)。天固系列封孔材料和對(duì)應(yīng)的封孔設(shè)備，能夠?qū)︺@孔起到較好的封堵效果。,3. 松軟突出煤層鉆孔下護(hù)孔篩管技術(shù)對(duì)松軟突出煤層，鉆孔不護(hù)孔會(huì)塌孔，鉆孔被堵塞使瓦斯流動(dòng)困難，降低了抽采瓦斯?jié)舛?。加工成大通孔鉆桿以及帶單向開(kāi)啟功能的鉆頭，鉆孔到位后，從鉆桿中心通孔插入帶有大量篩眼的非金屬護(hù)孔小管到孔底，鉆桿退鉆時(shí)護(hù)孔管雞爪反刺入

16、孔壁使其不會(huì)被帶出。試驗(yàn)表明：該技術(shù)使鉆孔抽瓦斯?jié)舛瓤商岣叩?0%以上，效果顯著。,三、 井下抽瓦斯提濃增量技術(shù),篩管下放過(guò)程模擬,4. 管網(wǎng)故障診斷技術(shù)抽瓦斯管網(wǎng)有許多接頭、管網(wǎng)可能破損，空氣漏入負(fù)壓管網(wǎng)使瓦斯?jié)舛缺幌♂尅Ｘ?fù)壓管網(wǎng)內(nèi)還可能吸入煤巖渣塊等，管內(nèi)低洼處易積水，會(huì)造成管路堵塞，影響抽瓦斯效果。管網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)管網(wǎng)內(nèi)的流量、濃度、負(fù)壓、溫度等，分析判定管網(wǎng)泄漏、堵塞等故障區(qū)域，及時(shí)處理故障可顯著提高抽瓦斯?jié)舛群托Ч?/p>

17、增加煤層滲透率、提高預(yù)抽煤層瓦斯效果也是提高抽采煤層氣濃度的一條有效途徑。,三、 井下抽瓦斯提濃增量技術(shù),管網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行分析與故障診斷、調(diào)控系統(tǒng),高壓水力壓裂在地面井得到大量應(yīng)用，然而，對(duì)井下松軟突出煤層水力壓裂卻沒(méi)有取得顯著效果。許多人認(rèn)為水力壓裂不適用于軟煤。研究認(rèn)為：松軟突出煤層水力壓裂呈現(xiàn)“微縫網(wǎng)循環(huán)延展塑性固化”增透機(jī)理，與通過(guò)原生裂紋脆性拉張破壞擴(kuò)展成線(xiàn)裂紋的巖層增透機(jī)理不同。高壓水浸潤(rùn)煤體，與應(yīng)力、瓦斯共同作用使浸水煤體屈

18、服并發(fā)生應(yīng)力峰后應(yīng)變軟化的塑性破壞，形成難以閉合的體微裂隙網(wǎng)。隨著水壓和流量的維持，體裂隙網(wǎng)不斷擴(kuò)大與延展，總體沿最大主應(yīng)力與最小強(qiáng)度方向發(fā)展。水還具有驅(qū)替置換甲烷的能力。,四、井下水力壓裂增滲技術(shù),基于機(jī)理的認(rèn)識(shí)，研究形成了中低壓水力壓裂的工藝設(shè)計(jì)、實(shí)施工藝與設(shè)備：壓裂水的壓力應(yīng)高于煤體塑性破壞的起裂壓力，且具有足夠保壓時(shí)間實(shí)現(xiàn)預(yù)期壓裂范圍，足夠的水流量確保具有合理的擴(kuò)展速度。較低的起裂壓力也能使軟煤產(chǎn)生體裂紋網(wǎng)，只是成網(wǎng)速度要降低

19、，需延長(zhǎng)保壓時(shí)間。因此，低水壓也能壓裂增透，可應(yīng)用于順煤層壓裂，提高壓裂的安全性。壓裂孔的封孔工藝及封孔效果直接影響水壓力的大小與保壓的持續(xù)性。,四、井下水力壓裂增滲技術(shù),穿層鉆孔采用圖7所示封孔結(jié)構(gòu)和工藝，在煤巖交界面處加入多孔柔性阻隔填料，利于排出泵入封孔漿料時(shí)被擠壓的孔內(nèi)氣體和漿料中分離出來(lái)的水，也可避免漿料進(jìn)入煤層影響壓裂效果。采用多次高壓泵注入漿料工藝，使注入漿料密實(shí)度增加，采用適度水灰比漿料，既利于注漿流動(dòng)，也利于提高封孔

20、質(zhì)量。,四、井下水力壓裂增滲技術(shù),多次柔性帶壓封孔工藝,在松藻進(jìn)行穿層鉆孔壓裂應(yīng)用，設(shè)計(jì)起裂壓力為30～35 MPa、用水量200 m3、壓裂水流量為400 L/min。效果表明：滲透率增加了29.5～60倍，壓裂有效半徑達(dá)40～60 m，壓裂區(qū)瓦斯抽采平均濃度達(dá)20%～90%以上，百孔抽瓦斯純量增加1～3倍。在鉆孔工程量縮減1/3的前提下，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間縮短1/3，沒(méi)有出現(xiàn)一次安全隱患。已在重慶地區(qū)全面推廣，并在淮南、陽(yáng)泉等礦區(qū)進(jìn)行了有

21、效的推廣應(yīng)用。同時(shí)在松藻礦區(qū)也進(jìn)行了低壓順煤層鉆孔的壓裂試驗(yàn)，取得初步成功。技術(shù)發(fā)展方向：低壓長(zhǎng)時(shí)水力壓裂或注水增透-增塑-卸壓-降塵以及高壓水力壓裂破巖降低頂板沖擊地壓危險(xiǎn)性。,,四、井下水力壓裂增滲技術(shù),壓裂系統(tǒng)與效果,,技術(shù)發(fā)展方向：采動(dòng)區(qū)地面直井、L型井，老采空區(qū)地面井，消滅瓦斯超限、實(shí)現(xiàn)瓦斯資源化高質(zhì)量規(guī)模開(kāi)發(fā)采前施工好地面井接入抽采系統(tǒng)，進(jìn)行未采動(dòng)預(yù)抽、采中高效抽-采后緩慢衰減抽采瓦斯。井底的目標(biāo)層位可以是開(kāi)采層上覆煤巖

22、層、或開(kāi)采層采空區(qū)裂隙帶。但煤炭開(kāi)采會(huì)引發(fā)頂板巖層移動(dòng)變形，切斷損壞鉆井。因而鉆井的布置及防護(hù)以及老采空區(qū)抽瓦斯井的施工及儲(chǔ)量、可抽量評(píng)價(jià)等將成為難題。,五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),形成采動(dòng)影響區(qū)地面井井位層位優(yōu)選技術(shù),五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),應(yīng)用：晉城礦區(qū)的優(yōu)選區(qū)域?yàn)榛仫L(fēng)巷側(cè)40～80m的一個(gè)“L”型區(qū)域。2011年以來(lái)，在上述區(qū)域范圍內(nèi)施工、運(yùn)行了28口地面抽采井，抽采效果驗(yàn)證了優(yōu)選布井區(qū)域。,地面抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行

23、技術(shù),發(fā)明專(zhuān)利“煤層氣安全抽采智能控制系統(tǒng)及控制方法”能實(shí)時(shí)地面監(jiān)控抽采中采空區(qū)安全參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)區(qū)煤層氣安全抽采。,五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),剪切模式,拉伸模式,拉剪綜合模式,擠壓模式,套管防護(hù)裝置加工,形成了抗剪切及抗拉伸厚壁剛性及柔性綜合防護(hù)結(jié)構(gòu)的裝置。,五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),晉煤共施工33口采動(dòng)區(qū)地面井，運(yùn)行采動(dòng)區(qū)地面井28口，有4口井變形嚴(yán)重不可抽采，24口井均暢通可抽采，采動(dòng)區(qū)地面井抽采成功率達(dá)85%。,

24、五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),地面單井抽采純量最高達(dá)3萬(wàn)m3/d左右（平均0.85萬(wàn)m3/d），采氣濃度最高達(dá)93%（平均75%），單井最大抽采純量900萬(wàn)m3，單井平均抽采純量220萬(wàn)m3，提高了煤礦區(qū)煤層氣抽采效率。,五、地面鉆井抽采采動(dòng)區(qū)瓦斯技術(shù),針對(duì)寺河煤礦地質(zhì)條件特點(diǎn)，在3313工作面設(shè)計(jì)施工1口頂板“L”型地面井。,,抽采氣量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)本煤層采動(dòng)影響區(qū)、采空區(qū)連續(xù)抽采，鉆井結(jié)構(gòu)完好；平均采出氣濃度80%；平均抽采純量