文摘

先进的支承压力的影响下,钻孔的紧张被摧毁了,所以需要二次钻孔密封;然而,二次钻孔密封的合适的时间尚不清楚。此外,当前borehole-sealing设备没有二级borehole-sealing功能。本文一个机会选举模型,建立了二次钻孔密封,和一个动态辅助borehole-sealing设备开发。在开元煤矿3908工作面进行了原位动态二级borehole-sealing测试。试验结果表明,钻孔的密封密封high-water-expansion浆显然是比这更好的水井和水泥砂浆和聚氨酯密封。钻孔时被先进的支承压力峰值,二级borehole-sealing措施可以显著提高钻孔抽吸压力,气体浓度和瓦斯抽放多先进的支承压力加载阶段。

1。介绍

煤层气是一种非常规天然气与煤炭和吸附在煤层中,国家和世界各地的开发利用它作为一种新能源替代战略(1,2]。在中国煤层开采深度的增加意味着增加煤层气的压力梯度,并相应地从挖掘增加煤层气发射(3,4]。在中国,从煤层瓦斯抽放通常是通过沿煤层钻孔。然而,煤层在中国普遍的特点是低渗透,所以沿煤层钻孔的气体流速非常低。此外,巷道变形的不断增大,沿煤层钻孔的紧密性减弱,和新鲜空气进入通过排水井排水管道,所以开采煤层的气体浓度降低而吸入压力损失增加,大大增加成本的利用天然气从开采煤层(5]。因此,如何提高开采煤层的气体流量和浓度,减少吸入管道的压力损失已成为需要迫切解决的关键方面。

当提取煤,煤炭质量体验一个原位应力阶段,一个先进的支承压力加载阶段,卸载阶段先进的支承压力峰值后的垂直(图1)[6]。在卸载阶段的先进的支承压力峰值后,煤的渗透率群众逐渐增加;特别是在卸载后期阶段,煤煤壁附近的群众被破坏由于水平应力减少,煤的渗透率与群众可能会增加2 - 3个数量级,展示减压和渗透率增加,气体流速从水井在这个范围内成为一个数量级大于地应力地区的水井。然而,在卸载阶段的先进的支承压力峰值后,煤的渗透率的质量增加,而紧张的井眼被摧毁了,所以大量的新鲜空气进入井眼,导致大幅减少吸入压力和钻孔瓦斯抽放浓度,和高渗透的优势在先进的支承压力加载阶段不能有效利用。


图1
变化的压力和抽吸压力在工作面前。

受损的钻孔应密封。选择正确的时机的关键是提高钻孔的紧张。然而,二次钻孔密封的合适的时间尚不清楚。此外,与现有borehole-sealing设备,不能采取补救措施钻孔密封后被先进的支承压力,和瓦斯抽放的有利的机会在先进的压力卸荷阶段是错过了。本文一个机会选举模型,建立了二次钻孔密封,和二次钻孔密封的临界气体浓度是最后通过计算获得。此外,还开发了动态二次borehole-sealing装置。二级borehole-sealing测试是由使用high-water-expansion borehole-sealing材料钻孔闷被摧毁后,二级后,瓦斯抽放钻孔密封了。

2。二级Borehole-Sealing选举模型的机会

选择正确的时机是至关重要的二次钻孔密封。为了获得一个合理的时间,一个机会选举模型,建立了二次钻孔密封。

2.1。模型的建立

提取煤时,工作面不断进步,煤炭质量在工作面前经历弹性变形阶段和塑性变形阶段先进的垂直支承压力峰值之后,反过来,这对应于弹性变形区和塑性变形区,分别。促进发展的模型,广义过程设计的假设 组的水井被铺设在弹性变形区,只有1组水井被铺设在塑性变形区在开煤矿工作面(图2)。的流程介绍如下:(1)气体流速的水井弹性变形面积:进行现场试验气体流速的水井在弹性变形区吸入呼吸道的3710工作面和气体流速曲线的水井和吸入压力得到弹性变形区域,如图3(一个)。从图可以看出3(一个)之间的相关性,从每个钻孔气体流速和吸入压力并不明显的弹性变形区域。水井减毒的气体流速与排水时间根据指数定律,气体流速 (在米3/分钟)我th群排水井的主要管道可以表示如下: 在哪里 是初始气体流量的我组排水井m3/分钟, 的衰减系数的气体流速我th群排水井 是排水时间天。(2)气体流速从水井在塑性变形区:在塑性变形区,煤的渗透率质量迅速提高了2 - 3个数量级,表现出“减压和渗透率增加”效应;气体流量从水井吸入压力在这个领域非常敏感。测试结果表明,气体流量 (在米3/分钟)从水井增加吸入压力根据对数函数(图3 (b)),所以 在哪里 是分组的吸入压力钻孔在帕斯卡在塑性变形区,然后呢 和 拟合系数。


图2
原理图的气体的排水井排水分区特征和分布开采煤层。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
气体流速之间的关系从一个钻孔和吸入压力的弹性变形区和塑性变形区。(一)弹性变形区域。(b)塑性变形区域。

现场试验结果表明,该气体流速从水井在不同的地区有不同的吸入压力的敏感性;气体流速的水井在弹性变形区吸入压力不敏感,而塑性变形区域的吸入压力非常敏感。因此,为了减少管道摩擦阻力,提高钻孔抽吸压力在塑性变形区,低浓度气体的钻孔应在合适的时间再次密封。然而,我为一个特定的临界气体浓度二次钻孔密封尚不清楚。

根据范宁方程,摩擦阻力 (pa)的气体流在圆管层流状态下了 在哪里 在米管道的长度, 气体的动态粘度在吗 , 气流速度在m / s,然后呢 管道直径的米。

管道摩擦阻力 (pa)的收敛的气体造成的我th群水井到主要管道可以通过在弹性变形区(1),可以表示如下: 在哪里 和 拟合系数, 在几天的时间。

吸入压力 (pa)分组水井的塑性变形区域可以表示如下: 在哪里 吸入压力(pa)的主要管道mining-stop-line一侧。

这是假设的气体浓度我th群水井在弹性变形区拒绝 ,这样渗入新鲜空气流量从这群水井可以表示如下:

吸入压力损失 (pa)在钻孔漏气引起的塑性变形区通过我th的水井在弹性变形区可以通过替换(6)(4): 在哪里 动态粘度的空气在吗 。

根据气体流速之间的关系从水井在塑性变形区和吸入压力,减少气体流量 (在米3/分钟)漏风引起的塑性变形区通过我th的水井在弹性变形区域可以表示如下:

如果 ,那么它是必要的,以保持从这群水井排水,因为这组钻孔的存在有一个积极的影响的增加总在开采煤层气体流速。

如果 再次,那么这群水井应该密封提高吸入压力在塑性变形区域,增加气体流量在塑性变形区。

2.2。示例验证和应用程序

验证的可靠性机会选举模型二次钻孔密封,3710工作面开煤矿作为一个例子用于计算在这个研究。从326年开始进行了开采煤层的瓦斯抽放钻孔53组吸入呼吸道的煤矿3710工作面开10月29日,和总气体流量的主要管道吸入气道是3.6米3/分钟。

负面分配系数的值的指数函数和对数函数模型可以根据现场试验数据的拟合结果获得气体流速的水井在3710工作面各领域。气体的值分配给所有流体性质得到在正常温度和正常压力。表列出了模型参数1。

表1
模型参数。

吸入压力损失引起的新鲜空气的渗入管道吸入呼吸道的3710工作面在10月29日可以计算用模型参数值表1到(7),然后吸入压力的衰减曲线的摄入量气道3710工作面可以计算。现场测试结果和模型的结果之间的对比曲线如图所示4。从测试结果可以看出,吸入压力在第一组水井开采停止线附近的4个kPa,水井减毒的吸入压力管道的不断扩展,以及钻孔的52组吸入压力下降到2.8 kPa, 30%的吸入压力低于1组钻孔。测试结果基本上同意模型的结果。


图4
现场试验结果和模型之间的比较结果。

吸入压力损失的变化引起的新鲜空气的渗入52组钻孔和气体流速下塑性变形面积可以计算不同浓度(5)和(2),如图5。从图可以看出5气体浓度下降,造成的吸入压力损失52组钻孔逐渐增加;特别是,吸入压力损失低浓度急剧上升的阶段,大大影响了气体流量在塑性变形区。


图5
吸入空气泄漏造成的压力损失曲线通过52批钻孔和气体流速在塑性变形区(PDA)在不同浓度。

漏气造成的气流损失可以计算通过钻孔的52组(8),如图6。从图可以看出6,当气体浓度在52组钻孔< 15%,塑性变形区域的气流损失通过这组钻孔漏气造成的不仅仅是这个群的气体流速水井;此时此刻,这组钻孔应密封再次提高管道中的气体浓度在开采煤层,总的气体流量是保证。


图6
曲线漏气造成的气流损失通过52组不同浓度下水井。

3所示。试验研究动态二次钻孔密封

3.1。二次钻孔密封实验装置

先进的支承压力的影响下,钻孔的紧张被摧毁,所以二次钻孔密封是必要的。然而,目前borehole-sealing设备没有二级borehole-sealing功能。解决上述问题,次要borehole-sealing实验设备(图7)开发。这个实验设备使用一个铁管模拟排水钻孔。6米的长度和内径120毫米,铁管分为上下两半沿中心轴和拼接与矩形法兰密封垫片(数字7(一)和7(c))。主井眼的时候密封,泥浆填充袋的袋内部分和中间部分。当达到设计压力,爆炸阀门打开和泥浆填充两个包之间的空间。二次钻孔密封时,泥浆填充外袋接近孔。当达到设计压力,爆炸阀门打开和泥浆填充外密封部分。填充borehole-sealing管外的空间后,泥浆进入铁管之外的附加设备(数据7(b)和7(d))。浆的流动条件下可以观察到通过这些额外的设备。在二级borehole-sealing实验中,发达borehole-sealing装置工作准确,提供二级borehole-sealing功能保证修复失败的钻孔在先进的支承压力加载阶段。


图7
原理图以及实验设备的照片。(a, c)二次钻孔密封装置。(b, d)额外的设备。
3.2。Borehole-Sealing材料

在过去的几十年里,一些密封材料已经开发出来。翟等人开发了一个灵活的粘贴密封材料(7]。太阳等人研究了氢氧化钠含量的影响borehole-sealing材料凝结时间和得出结论,氢氧化钠可以加快结晶水泥型borehole-sealing材料(8]。任等人使水泥型borehole-sealing材料以低成本,使操作简单(9]。Stryczek等人研究了新鲜的封釉浆的流变参数,改善其流动性的方法通过使用一个适当选择第三代强塑剂(10]。Pusch延迟水化和成熟的技术描述井眼海豹粘土(11]。范Geet等人研究了封闭的可行性钻孔在塑料繁荣粘土通过准紧膨润土块(12]。Akgun和德门研究了高温的影响和饱和度borehole-sealing水泥浆液的性能,发现轴向强度随增加固化和测试温度(13,14]。然而,干燥收缩会出现密封材料在设置过程中,导致钻孔紧张持续下降。为了解决上述问题,high-water-expansion材料开发(15]。high-water-expansion浆具有一定程度的可扩展性最后设置后,克服其他borehole-sealing材料的干燥收缩的影响。

high-water-expansion材料是由添加物质C(膨胀剂)到高水位的材料作为辅助材料。添加材料C使高潮材料浆扩大在固化过程中,提高了密封性能的泥浆的骨折周围煤岩体瓦斯抽放钻孔。high-water-expansion材料的水化产物主要是钙矾石,和它的分子式是(Ca6艾尔2(哦)12∙24小时2O)∙(4)3∙2 h2o .钙矾石展览强结晶溶解在水中时。结晶后,形成针状晶体,交织成一个网络结构,如图8。研究表明,钙矾石晶体可以保留自己的水相当于75%质量即使他们完全压缩压力下(16]。


图8
网络结构的钙矾石晶体。
3.3。原位试验
3.3.1。实验工作面概况

调查的影响,应用不同的borehole-sealing材料和borehole-sealing技术,比较测试high-water-expansion borehole-sealing效果的材料,水泥砂浆,聚氨酯和动态二级borehole-sealing测试进行返回气道开煤矿3908工作面。的平均厚度煤层工作面3908 2.34米。工作面海拔702 - 749米,和地面海拔1109 - 1172米。罢工的长度~ 1469米,倾斜的长度是220米,面积323180米2。的倾角煤层平均4°水平煤层钻孔长度是120米,钻孔直径是120毫米。

3.3.2。实验方案

比较不同borehole-sealing材料的影响,成立了一个测站在远处的100工作面切孔的3908,和六个沿煤层钻孔钻在观测站:水井HW-1和HW-2密封high-water-expansion泥浆,水井cm - 1和CM-2密封与水泥砂浆和水井PU-1 PU-2与聚氨酯密封,如图9。


图9
钻孔测站的布局。

探讨二级borehole-sealing效果,二次钻孔密封进行钻孔HW-1 HW-2当他们紧张被先进的支承压力(密封的长度8米),但没有二次钻孔密封进行钻孔cm - 1, CM-2 PU-1, PU-2。比较测试方案如图不同borehole-sealing材料和技术10。


图10
比较测试方案不同borehole-sealing材料和技术。
3.3.3。实验结果分析

钻孔密封后立即进行钻孔的施工,然后钻孔管道上的阀门关闭。从钻孔气体排放的数量增加,正压开始建立井眼内。调查的气密性测试钻孔,钻孔的内部压力是通过一个喷嘴管道,观察和观测结果如图(11日)。从图可以看出(11日),积极的压力在水井HW-1和HW-2明显高于水井cm - 1, CM-2 PU-1, PU-2。积极压力平均水井HW-1 HW-2 139.5和116毫米汞柱,分别而在水井cm - 1, CM-2, PU-1,和PU-2 31日分别为62.3,2.3,和1.0毫米汞柱。与high-water-expansion钻孔的正压密封材料100倍大于在钻孔与聚氨酯密封。因此,可以看出high-water-expansion材料可以更好地密封排水管道和井壁之间的差距。high-water-expansion浆具有一定程度的可扩展性最后设置后,克服干燥收缩缺陷设置后水泥砂浆和更好的密封井眼周围的差距。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
紧张和钻孔的瓦斯抽放效果在不同borehole-sealing材料和borehole-sealing技术。(一)积极的压力。(b)吸入压力。(c)气体浓度。(d)气体流量。

随着工作面推进的,站不断靠近工作面。在这个过程中,吸入压力,气体浓度,在测试钻孔瓦斯抽放数量持续观察。观测结果如图11 (b)- - - - - -11 (d)。后排水系统在负压下,吸入压力和气体浓度在水井HW-1 HW-2明显高于在水井cm - 1, CM-2, PU-1 PU-2,充分说明,紧张的钻孔密封high-water-expansion泥浆相对较好。然而,由于先进的支承压力的影响,测试钻孔的密封性不同程度的损坏,导致减少吸入压力和气体浓度测试钻孔,但减少吸入压力和气体浓度测试钻孔密封high-water-expansion泥浆相对较小(数字11 (b)和11 (c))。

当测试孔是32 m远离工作面,气体浓度测试钻孔突然下降,因为先进工作面支承压力峰值,这表明紧张的测试井眼被摧毁(图11 (c))。气体浓度在水井HW-1和HW-2 < 15%,气体浓度低于二级borehole-sealing临界气体浓度。因此,二次钻孔密封进行钻孔HW-1和HW-2此时,吸入压力和气体浓度在水井HW-1 HW-2二次钻孔密封后显著增加。钻孔HW-1的吸入压力从7.6增加到11.3 kPa,和钻孔HW-2吸入压力从8.5增加到13.2 kPa(图11 (b))。钻孔HW-1中的气体浓度从14%上升至92%,和钻孔HW-2气体浓度从13%上升到65%(图11 (c))。

随着工作面继续进步,测试钻孔进入先进的支承压力加载阶段,钻孔周围的煤岩体的渗透性增加,和瓦斯抽放数量开始不断增加(图11 (d))。吸入压力越高增加气体的数量从水井中提取HW-1 HW-2相比,从其他钻孔(cm - 1, CM-2 PU-1, PU-2)。水井的平均数量排水HW-1和HW-2先进支承压力加载阶段达到1.3米3/分钟,高出3.61倍(0.36 m3/分钟)比较水井的先进的支承压力加载阶段。

总之,由于high-water-expansion泥浆的流动性好,合并身体的高强度设置后,水井的紧张与high-water-expansion密封泥浆显然优于钻孔密封的水泥砂浆和聚氨酯。钻孔时被先进的支承压力峰值,二次钻孔密封可以显著提高钻孔抽吸压力,气体浓度和瓦斯抽放多先进的支承压力加载阶段,可以充分利用减压和渗透率的增加煤炭质量在工作面前提高煤层瓦斯抽放。

4所示。结论

(1)本文进行了现场试验来确定吸入压力如何影响开采煤层瓦斯抽放,和测试结果表明,吸入压力气体流量的影响从水井在弹性变形区是相对较小的,和气体流速的水井在弹性变形区减不断排水时间根据负指数函数;吸入压力气体流量的影响从水井在塑性变形区是相对较大的,水井的气体流速增加根据对数函数与吸入压力增加。(2)一个机会建立了二级borehole-sealing选举模型,模型结果验证和测试结果从排水管道的摄入量气道开煤矿3710工作面。测试结果同意模型的结果。二次borehole-sealing的临界气体浓度是通过模型计算获得的。第二个borehole-sealing实验设备开发。发达borehole-sealing装置工作准确,提供二级borehole-sealing功能保证修复失败的钻孔在先进的支承压力加载阶段。(3)比较不同borehole-sealing材料的应用效果和borehole-sealing技术,比较测试high-water-expansion borehole-sealing效果的材料,水泥砂浆,聚氨酯和动态二级borehole-sealing测试进行的返回气道开煤矿3908工作面。测试结果表明,钻孔的密封密封high-water-expansion材料明显优于钻孔密封的水泥砂浆和聚氨酯。钻孔时被先进的支承压力峰值,二次钻孔密封可以显著提高钻孔抽吸压力的先进支承压力加载阶段,可以充分利用减压和渗透率提高煤炭质量在工作面前提高煤层瓦斯抽放。

数据可用性

所有相关数据可从FigShare, DOI: (https://figshare.com/s/e72c1f8e7c8ed0bcf963)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

金融支持这项工作是由基础研究提供资金用于中央大学(没有。2015 xkzd04),和优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(没有。SZBF2011-6-B35)。作者感谢彭x援助的实验和y盾有价值的讨论。