煤層井下水力增透理論及應(yīng)用研究.pdf

1、瓦斯是制約煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，同時(shí)又是一種不可再生的清潔能源。抽采瓦斯是防治瓦斯災(zāi)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(guān)鍵因素。我國煤層的高瓦斯、低透氣、強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)煤層透氣性，提高瓦斯抽采效果，但尚需進(jìn)一步研究增透理論、完善技術(shù)工藝，達(dá)到廣泛推廣應(yīng)用的目的。
　　本論文以河南能源化工集團(tuán)所屬的焦煤公司中馬村礦與鶴壁中泰礦業(yè)為試驗(yàn)區(qū)，以研究煤巖體結(jié)構(gòu)的定量表征和瓦斯運(yùn)移為出發(fā)點(diǎn)，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(shù)工藝，研發(fā)了煤層水力增透技術(shù)關(guān)

3、鍵裝備；提出了煤層瓦斯抽采水力增透技術(shù)效果評價(jià)指標(biāo)，并通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(yùn)移機(jī)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(dá)的問題，引入煤層地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)（GSI）對煤巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征，討論分析流動狀態(tài)的識別方法和標(biāo)準(zhǔn)，揭示瓦斯運(yùn)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(shù)的形成提供理論支持。
　　通過進(jìn)行煤體應(yīng)力應(yīng)變-煤體結(jié)構(gòu)-滲透率耦合實(shí)驗(yàn)，得出GSI與煤體滲透率關(guān)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(yīng)的GSI峰值為52.7，對于GSI值小于52.7的煤體通過卸壓進(jìn)行增透，對于GSI值大于52.7的煤體通過壓裂進(jìn)行增透；當(dāng)100≥GSI≥65時(shí)，煤層中瓦斯運(yùn)移方式主要為

5、擴(kuò)散-滲流或者擴(kuò)散，當(dāng)65≥GSI≥45時(shí)，煤層中瓦斯的運(yùn)移方式主要為滲流，當(dāng)0＜GSI＜45時(shí)，煤層中瓦斯運(yùn)移方式主要為擴(kuò)散。
　　（2）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(shù)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(jī)理和多重效應(yīng)進(jìn)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(yīng)增透工藝，分別進(jìn)行本煤層順層與穿層孔的水力增透試驗(yàn)；最終形成一套基于特定煤層瓦斯抽采水力增透的技術(shù)工藝，并對工藝中的關(guān)鍵技術(shù)裝備進(jìn)行了研發(fā)和定型。
　?。?）針對煤層瓦斯抽采水力增透技術(shù)，提出并確定了增透效果評價(jià)指標(biāo)體系，并通過試驗(yàn)對理論進(jìn)行驗(yàn)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(shè)備和技術(shù)方案，包括增透裝備、鉆孔布置、封孔工藝、增透類型選