文摘

切片机械化放顶煤开采是一个标准的高效ultrathick煤层的开采方法。然而,瓦斯治理的有效性强调的困难完全机械化放顶煤开采过程的低渗透性ultrathick煤层。这项研究集中在矿业Liuhuanggou煤矿9 - 15号煤,中国新疆。这一目标,理论分析和现场测试的结果结合探索综合机械化放顶煤瓦斯治理方法的低渗透性ultrathick煤层。没有。(15)06面板是top-slicing面板9 - 15号煤的开采9米的高度。气体分析结果显示,在没有气体排放。(15)06面板主要来自煤壁、屈服前煤采空区,邻近煤层。基于气体源分离,提出了一种综合瓦斯治理方法。该方法是基于气体predrainage与煤层的结合,近钻井,preburial采空区的管道,压力平衡通风。 The permeability and gas predrainage were enhanced by hydraulic fracturing in low-permeability coal seams. According to the characterizations of coal seam and crustal stress distribution, the arrangement of the boreholes and backward-segmented fracturing technology were designed. From the field results, the coal seam presented a remarkable prefracturing under hydraulic fracturing. Besides, the mean gas predrainage from the boreholes was enhanced by four times compared to the prehydraulic fracturing state. Finally, using the proposed comprehensive control method based on the gas sources, field tests were performed in the No. (9-15)06 panel. The measured results demonstrated that gas concentration in the return airflow is fluctuated within a range of 0.05% to 0.35%. The proposed gas control method can provide an insightful reference for other similar projects.

1。介绍

切片完全机械化开采是一个高效采矿方法ultrathick接缝在中国。然而,大多数的中国煤炭领域包括高气体和低渗透率(1,2]。Ultrathick接缝与低渗透气predrainage通常缺乏。当使用完全机械化采矿方法,大量的气体释放的煤层。气体的浓度高和积累骨折容易引发可怕的事故,如瓦斯爆炸的上覆地层采空区和威胁着煤矿的安全生产3,4]。之前已有无数人尝试开发有用的瓦斯抽放和放电方法,实现足够的气体控制完全机械化开采的低渗透性ultrathick煤层。

粉丝和关注完全在大山ultrathick煤矿机械化开采矿山和提出采空区的瓦斯可以控制通过结合垂直表面钻近瓦斯抽放道路(5]。然而,对于大埋深的矿井,瓦斯抽放的钻井成本相当数量的垂直孔高。根据长壁采煤的特点在澳大利亚,郭等人预计采空区的瓦斯抽放和放电方法使用水平钻孔[6]。他们表现出良好的钻井作业的建筑屋顶压裂区。此外,张等人研究了屋顶的发展规则压裂区当使用high-dipping长壁煤屈服和相关影响瓦斯抽放7]。他们设计一个最优施工层在近开采瓦斯抽放和放电从704号面板Baojishan矿(7]。此外,刘解决气体积累在采空区上隅角完全机械化面板ultrathick倾斜煤层(8]。该技术已成功应用于Wudong我(8]preburying采空区瓦斯抽放和排放管道。

在先前的研究中,直线建设进行了瓦斯抽放的表面和地下钻井作业。最近,新方法在煤矿瓦斯抽放是由定向钻井提供。在这方面,可以钻钻孔煤层连同一个预设的方向(9]。大宁煤矿,Shanzi,中国,作为一个例子,陆等人进行的定向钻井煤层天然气predrainage和取得良好的成果10]。李等人提出了一种新的逆 - - - - - -类型钻井模式综合实现了气体和瓦斯抽放和放电控制通过传递屈服区,断裂区,和煤层工作面(11]。与传统钻井、定向钻井的煤层展品的一系列优势,包括适应性强,钻井比例高,良好的瓦斯抽放效率。虽然这些优点是适当的在定向钻井的煤层瓦斯治理,他们应该很渗透。

一起为低渗透性煤层钻孔煤层瓦斯抽放的性能很差;因此,一些压裂技术在煤层压裂前的必要条件,提高渗透率。深孔松动爆破是一种常见的煤层压裂前技术(12,13]。然而,这种方法有一定的缺点。动态深孔爆破产生的冲击波可以很容易地破坏隧道的围岩和控制岩石变形导致更多的困难。同时,不合理的深孔爆破方案引发很多交通事故,比如天然气爆炸和煤炭和天然气爆发。许多学者进行了大量研究和探索一些方法,如水力压裂提高煤层的渗透率(14- - - - - -16]。水力压裂是指煤层钻探钻孔,其次是通过高压水作为媒介产生裂缝。在这些封闭的水井,利用液压克服周围岩石的抗拉强度(17]。水力压裂后,初始裂缝形成的煤,产生大量的二次骨折(17]。气体传输通道可以增加而促进吸附气体的解吸,从而导致煤渗透率的增加和范围(18,19]。近年来,一些学者开发定向水力压裂和脉冲水力压裂技术20.,21]。

此外,有效的气体控制一直是完全机械化开采的技术难度低渗透性ultrathick煤层。如前所述,一些学者提出了大量的瓦斯治理方法和获得有利的结果。完全机械化开采的低渗透性ultrathick煤层,气体有各种来源和显著的挑战来控制。目前,一个方法解决多源气体的控制工作面临缺乏。这项研究集中在矿业Liuhuanggou煤矿9 - 15号煤,新疆,中国,创新提出了瓦斯综合治理方法。它是基于气体的气体排放分析predrainage与煤层,近钻井顶部,preburial采空区的管道,压力平衡通风相结合。考虑到低渗透性煤层气体predrainage效果差,渗透率和天然气predrainage由水力压裂提高。在这方面,水力压裂设计方案,压裂前的性能和煤层渗透性增强通过实地测量验证。最后,提出了源分离综合瓦斯治理方法的有效性和可靠性验证使用长期的实地测试。拟议中的气体控制概念和方法可以为其他类似工程提供有价值的参考。

2。案例研究

2.1。采矿和地质条件

如图19 - 15号煤层,平均厚度32.94米,平均24°倾角,是主要的可开采的煤层Liuhuanggou煤矿。煤层具有优良的硬度和未开发的骨折。同时,测量瓦斯含量和瓦斯压力在9 - 15号煤层3.85³分别/ t 0.5 MPa。此外,渗透系数从0.011814到0.061668米不等²/ MPa²d和气体流量的衰减系数是1.03 - -1.28 d¹在钻孔,暗示低渗透性煤层。

7号和4 - 5号煤层上方的15号煤层的平均厚度2.31米和7.18米,分别。具体来说,7号煤层是不可恢复的。7号的瓦斯含量和4 - 5号煤层为4.14 m³/ t和3.5³分别/ t。之间的距离4 - 5号和7号煤层为1.85 m,而距离7号和15号煤层为20.95 m。如图2,9 - 15号煤层的顶板地层主要由粉砂岩和泥岩。

在这项研究中,作为操作背景。(15)06小组被选中,60米离没有(15)04采空区。北部(15)06面板unmin的面积是煤炭。没有。(4 - 5)04采空区位于北部的斜顶,没有。(4 - 5)02采空区上方是正确的。(15)06面板。的后挡板。(15)06面板内交错的后挡板。(4 - 5)02面板的距离23米,而headgate没有。 (9-15)06 panel is inside staggered the headgate in the No. (4-5)02 panel with a distance of 11 m. A slicing mining method was used for the No. 9-15 coal seam. In the No. (9-15)06 panel, a fully mechanized longwall caving method was used to top-slicing the No. 9-15 coal, with a mining height of 9 m and a mechanized mining height of 3 m. The strike length and inclined length of the working face were 1045 m and 100 m, respectively.

2.2。煤层力学参数

测量相关9 - 15号煤层的力学参数,9 - 15号煤样本收集后挡板。因为重要的样品厚度、煤样品切成三层:上面,中间,和降低片。煤炭样本加工成标准圆柱标本不同大小(例如, 和 )。然后,MTS815电液伺服岩石试验机用于执行单轴抗压、三轴抗压和巴西磁盘分割测试。由于参数被收购标准样本,包括单轴抗压强度( ),抗拉强度( ),弹性模量( ),泊松比( ),凝聚力( ),和内摩擦角( )。每个测试重复了五次,然后结果是平均的。表1列出了9 - 15号煤层的力学参数。平均15号煤的单轴抗压强度为35.35 MPa,表明优秀的煤层硬度。由于渗透性差,气体predrainage表现煤层远非理想。在矿业。(15)06面板中,气体控制至关重要。

2.3。原位测量地壳压力

获得深入的知识我Liuhuanggou地壳应力分布,进行了原位测量。原位测量的准确性与选择方法和传感器。作为CSIRO中空的减压方法,包含压力计被用来拥有众多优势,包括精度、合理的分配大量的应变仪,应用范围很广。测量分应该选择远离地区复杂的地质结构和重要的矿业对这个主题的影响。图3显示五个计量点的地壳应力选择在这个研究。同时,地应力测量的地壳应力和钻孔布置参数表中列出2。钻探深度范围从10米至12.8米之间的主要岩性细砂岩和粉砂岩。此外,图4原位显示地壳应力测量结果Liuhuanggou我的 , ,和表示最大水平应力、最小水平应力,分别和主要的垂直压力。占主导地位的方位角和方向和分别为230°和140°。图4在每个测点显示了地壳应力方向。

此外,图5说明了Liuhuanggou矿山的应力场 。如图5,垂直压力主导着地壳应力场,以及各种主要强调随着埋深增加而增加。因此,垂直应力略小于单位面积上的上覆地层的重量。基于最小二乘回归的方法( ),以下方程写各主要主要压力与埋深( )。

2.4。分析气体来源。(15)06面板

许多学者认为气体排放源在工作面开采煤炭的墙壁,煤炭,采空区,邻近煤层(22]。四个主要气体排放源在没有被确定。(15)06工作面通过分析安排及周边开采条件。

2.4.1。气体排放数量从煤壁( )

当工作面推进,新鲜煤壁被暴露在空气中。然后,重温岩石压力后压力平衡被打破了。由于天然气压力梯度的煤炭,天然气是通过向工作面煤骨折发出的。

2.4.2。气体排放数量从放顶煤开采过程( )

在屈服前煤工作面之前,顶部煤是第一个完全破碎的压力支持。煤层原始瓦斯压力平衡被打破在破碎的煤。因此,煤层的吸附气体被转化成一种稳定状态的自由气体然后排放到工作面放顶煤开采过程。

2.4.3。从采空区气体排放数量( )

采用机械化放顶煤法,没有采收率。(15)06面板是85%左右,和大量的煤将在采空区。因此,气体从unmin煤采空区的排放气体的主要来源。同时,顶层在9 - 15号煤层开采影响下煤层开采通过生成大量的骨折和排放大量的气体。

2.4.4。从邻近煤层气体排放数量( )

如图27号和4 - 5号煤层定位正上方9 - 15号煤20.95米和22.8米的距离,分别包括一个高含量的气体。在矿业。(15)06面板中,7号和4 - 5号煤层位于冒顶区,没有之间的连接。(15)06面板和没有。(4 - 5)02采空区。此外,气体从7号发出,4 - 5号煤层在采空区上覆地层的积累。(15)06面板。

最后,总的气体排放( )从没有。(15)06面板=气体排放的和从上面的来源,也就是说, 。 和可以降低气体predrainage与煤层(23]。气体从后两个来源上覆采空区地层堆积在骨折。由于这种积累,骨折的摩擦表层迅速引发采空区的瓦斯爆炸,威胁到工作面安全生产。因此,需要有效措施排水或稀释气体积累在采空区的顶部(例如, )。

3所示。通过水力压裂煤层的渗透性增加

从15号煤层气体的性能predrainage疲软是由于高强度和渗透性差。因此,压裂前的首次演出是提高渗透率的煤层水力压裂和提高煤层的气体predrainage效果。

3.1。裂纹萌生的压力

裂纹萌生压力指的是水力压裂期间最大的水压力。许多因素影响启动压力,包括煤层的埋藏深度,地壳应力、煤炭机械性能和原始裂缝。根据水力压裂理论(14,24- - - - - -26),拉伸裂缝控制水力压裂过程。水压作用下的钻孔和地壳应力场,当拉应力超过抗拉强度的裂缝 ,裂缝逐渐发展。启动压力可以估计(方程(2)),忽略了水渗流效应从水井周围的媒体(26]: 在哪里和分别表示最大和最小主应力表示煤的抗拉强度。

此外,气体压力显著影响水力压裂(以下裂纹萌生和传播27]。基于统计数据的大量煤矿在中国,李等人进行了回归分析,确定以下裂纹开裂压力之间的关系 ,煤层的埋藏深度 ,和气体压力(19]:

根据最小压力原理,最小值之间和被选为煤层的起始压力( ):

在这项研究中,平均埋深的工作面大约是420米,上覆地层的意思是单位重量是23 kN / m³,煤层的瓦斯压力为0.5 MPa。此外,最大和最小主应力在研究区10.54 MPa和6.34 MPa,分别。从表1,9 - 15号煤的平均抗拉强度为1.97 MPa。和分别等于10.45 MPa和10.74 MPa。因此,is10.45 MPa。

3.2。通过水力压裂提高煤层渗透率

3.2.1之上。水力压裂钻孔的布置

空间位置的水力压裂和近在钻孔瓦斯抽放的屋顶上分析了工作面,以避免损害瓦斯抽放钻孔。这个分析是基于地质和工程条件的不。(15)06面板和煤层特征。图6显示了一个安排在水井水力压裂。一组钻孔直径75毫米被安排在内部的后挡板和headgate。第一组的水井被安排15米的设置房间没有。(15)06小组,每两组钻孔之间的间隔是8米。表3列出了钻孔的详细参数。

3.2.2。主要设备

许多领域设备集用于水力压裂,包括高压水喷射泵、水箱、流量控制器、压力表、高压水管。水喷射泵的最大压力是35 MPa,水流速度是200 L / min。

3.2.3。密封的水井

钻孔密封是成败的一个关键步骤,确定水力压裂的效果。目前,水泥和其他特殊孔封隔器被用于密封(19]。后者用于目前的现场试验。根据高压水,橡胶垫片压缩,然后扩展径向孔的封隔器,达到孔的内壁,实现密封。使用这种方法提供了一个密封效率高在水井用一个简单的操作过程。然而,这个过程集高要求钻孔,如施工质量高和井壁光滑。

3.2.4。压裂技术

空间传播的液压骨折直接影响煤层的渗透性增强。液压骨折总是传播最大主应力平行和垂直于最小主应力17,28- - - - - -30.]。

根据现场测量结果,垂直应力主要是地壳应力Liuhuanggou我的。最小水平应力的主要角为140°。的主导方向的夹角最小水平应力和面板的门轴约为84°。液压骨折最有可能从井眼径向传播;因此,采用backward-segmented压裂技术提高水力压裂的性能。图7说明了目前钻孔密封方法。两眼封隔器连接在系列,以及它们之间的间隔距离(表示 )长度是分段压裂。在这项研究中,= 8 - 10米。如图7的起始压力阀在洞洞封隔器=封口机B,和都是小于起始压力阀c .因此,当地井的压裂和密封。

3.3。验证通过水力压裂煤层的渗透性增强

评价增强煤层透气性的水力压裂,以下两种方法被用于精度:管道镜检查和测量井下气体排放数量。

3.3.1。管道镜检查

地层检测器是用于研究压裂井下水力压裂前后的结果。这项研究强调了裂纹萌生和钻孔的传播行为。图8显示了裂缝的分布在井下水力压裂前后。最初的钻孔完成内壁的形状,而一些原始裂缝在钻孔中被发现。水力压裂后裂缝是径向传播从井壁或螺旋模式。这个结果与试验地区的地壳应力的分布,这与上述预测结果是相一致的。总之,煤层显示满意压裂前的性能。

3.3.2。从钻孔测量气体排放数量

水力压裂前后、天然气predrainage流动监测使用孔板流量计(31日]。钻孔的气体流量可以计算方程(5)和(6): 在哪里和表示排水的流动气体混合物和纯净的气体,分别在m³/分钟。表示气体浓度(%)在气体混合物,和是实际的孔口流量系数特征。校正系数的气体浓度( ),和之间的区别是测量压力(嗯₂O)前后两端的孔板。表示气体压力的修正系数( )。760年是标准大气压力。表示测量绝对压力(毫米汞柱)迎风孔板。表示温度的修正系数( )。293年是标准的绝对温度(°C)。同时,表示温度测点的(°C)天然气管道。

此外,u型差动压力计的读数是获得和代入方程(5)和(6)计算精疲力竭的气体混合物和纯气体。图9提出了一种阴谋的结果中的各种气体predrainage规则质量钻孔水力压裂前后。实施水力压裂后,意味着天然气predrainage数量的提高了钻孔原始价值的近四倍。除此之外,在低渗透性硬煤炭,骨折在井下水力压裂后的传播。因此,周围煤层的渗透率增加,predrainage气体的性能明显改善。

4所示。基于源瓦斯综合治理

提出了一种综合瓦斯治理方法通过分析四个主要气体排放源。(15)06面板(图10)。在开采前面板的数量和降低了气体在煤层predrainage表演。工作面开采过程中,气体积累在屈服区。在这一过程中,破裂带( )出院通过近在屋顶上钻孔。与此同时,排水管道被埋的后挡板的面板解决上隅角瓦斯积聚。此外,压力平衡通风工作面开采过程中实施。防止采空区漏风和气体排放,测量压力的两个门之间的差异降低了道路调整通风参数。

4.1。气体Predrainage煤层

水力压裂钻孔也用作气体predrainage洞前工作面开采煤层中的天然气predrainage(图11)。因此,两个目的是通过predrainage洞:增强气体predrainage体积和减少建设。

系统的气体predrainage煤层主要由排水管、过滤管,收集管和封孔材料(图11)。辅助设备包括流量计、浓度计,压力表。同时,直径40毫米的金属套管的壁厚3毫米是每个钻孔,骨折和直径较小的孔被安排在一个袖子的结束。两个部分每个钻孔周围的袖子被安排,每个部分是3 - 4米长。安装后的袖子,钻孔密封使用聚氨酯(PU)。重要的是要注意,封孔深度不应超过气体的埋藏深度钻孔引流管。最后,袖子与瓦斯抽放头管道,提供25个kPa的负压。

4.2。排水的气体通过近水井屈服区

气体排放从煤层的卸压层是一个重要的气源矿业面板。工作面开采后,上覆地层进行了压裂和弯曲沉降区,形成断裂带和屈服区(32- - - - - -35]。与此同时,许多分层和垂直裂缝产生36,37在这些地区),气体积累。排放气体的积累从4 - 5号煤,7号煤,和9 - 15号煤瓦斯事故增加。因此,基于天然气predrainage煤层在开采前,长时间罢工孔钻在近钻井网站在屋顶上。这是进行放电气体积累在屈服和断裂区工作面采矿(图12)。近钻探地点是位于后挡板。(15)06面板。钻井地点设定在60米的间隔。在每个钻井现场,安排了16长钻孔4行与煤层的罢工一个扇形分布。

4.3。瓦斯抽放面板上的角落

中产生的气体压力释放从地板上可以冲到采空区,进入上层的角落里,导致大量的气体在角落里。为了避免上述问题,瓦斯抽放管道被埋在空气返回顶部角落的采空区工作面采矿(图12)。

4.4。压力平衡通风减少采空区漏风

空气供应通常增加稀释气体浓度在返回气流与u型通风板。这是一个错误的做法。在面板盲目增加空气供给的数量可以增加之间的测量气压的差异采空区和面板的面板和空气泄漏,导致采空区气体排放的增加,气体浓度的面板返回气流(38]。在此基础上,采用压力平衡通风减少双方之间的差异测量压力的进气和返回的道路。顺便说一下,通风系统的分布的压力变化39]。因此,抑制气体排放的空气泄漏可以降低采空区上部的角落。

4.5。气体分析

在没有进行长期的现场试验。(15)06面板使用综合控制方法基于气体来源。总的来说,气体充分控制。图13显示气体浓度的监测工作面开采过程中所示的面板。返回气流中的气体浓度在0.05%到0.35%范围内波动。最大的气体浓度不大于0.35%,低于0.5%的预警值。

5。结论

气体控制一直是一个关键的问题在ultrathick煤层分层开采高含量的气体。本研究调查了没有。(15)06小组平均厚度为32.94 m Liuhuanggou煤矿。9 - 15号煤层包括低渗透性ultrathick煤层气体含量高。没有。(15)06面板的top-slicing工作面9 - 15号煤,使用一个完全机械化放顶煤开采过程和一个9米的高度。气体排放的一个重要内容面板的工作面开采。

基于在没有安排。(15)06面板和周围的开采条件下,气体在面板上有四个排放来源:煤壁的气体放顶煤开采过程中,采空区,邻近煤层。在这项研究中,提出了一种综合控制方法基于天然气来源的面板。在工作面开采之前,气体排放的煤通过墙壁和放顶煤开采过程是降低天然气predrainage煤层。工作面开采后,气体积累在屈服和压裂区排水在近钻井现场使用长时间罢工水井。排水管道被埋在采空区上隅角,避免气体积累发出destressed地板煤层。工作面开采期间,压力平衡通风使采空区漏风,降低采空区气体排放。

由于伟大的硬度和9 - 15号煤层的渗透性差,常规天然气predrainage方法没有正确进行煤层。使用水力压裂引起煤层渗透率的提高。此外,backward-segmented技术为提高水力压裂性能而设计的。验证该方法的优越性,煤层压裂前性能的评估使用管道镜检查和气体排放测试。现场试验结果表明,煤层的骨折可以开发在水力压裂后钻孔。骨折主要是开始从井壁径向然后在螺旋模式传播与地壳应力测量结果一致。水力压裂后,意味着天然气predrainage增强了四次。

最后,长期在9 - 15号面板执行现场试验验证提出的综合控制方法的优越性的基础上,天然气来源。长期监测结果表明,返回气流中的气体浓度在0.05% ~ 0.35%范围内波动。没有过度的警告气体出现在面板。一个适当的气体控制可以有效地确保采矿安全的面板。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究支持中国的自然科学基金(52004144)、山东省自然科学基金,中国(ZR2019BEE001 ZR2018MEE009)和山东省重点研发项目,中国(2019 gsf111038)。作者感谢匿名裁判的仔细阅读本文的和有价值的建议。