煤矿以孔代巷瓦斯治理技术体系

煤矿以孔代巷瓦斯治理技术体系河南能源化工集团汇报人：马耕提纲1、技术背景2、煤矿瓦斯防治技术综述3、以孔代巷智慧抽采区域瓦斯治理技术体系4、瓦斯治理技术展望5、建议地面煤层气开发不理想，单井产量低，保护层开采难度大，推进慢，成本高；岩石抽采巷工程量大，速度慢，成本高；穿层钻孔工程量大，无效进尺多，成本高；软煤层钻孔难打，钻孔打不深，容易塌孔；软煤层瓦斯难抽，抽采浓度低，纯流量小；抽采达标周期长，达标煤量少，采掘紧张；抽采计量不精确，分区计量，抽采不明，消突评判无把握，地质不清楚，低指标突出；采煤工作面绝对瓦斯量大，限制产量；1、瓦斯治理的典型问题基础理论没突破，突出机理无定论，瓦斯运移产出规律不清晰；基础技术不扎实，瓦斯地质信息不准确，缺少地应力资料；仪器装备不先进，装备的自动化、信息化、智能化水平低；技术体系不健全，技术不成套，普适性，操作性不强；从业人员不专业，技术人员、操作人员很难适应复杂地质条件；现场管理不到位，技术措施执行不坚决，安全措施不能保证落实。2、瓦斯防治问题的深层次分析提纲1、技术背景2、煤矿瓦斯防治技术综述3、以孔代巷智慧抽采区域瓦斯治理技术体系4、瓦斯防治技术展望5、建议1、地面煤层气开发多分支水平井水力压裂洞穴完井裸眼扩径直井Ｕ型水平井丛式井煤层气地面抽采井类型上保护层卸压抽采瓦斯示意图下保护层卸压抽采瓦斯示意图2、保护层开采技术岩石抽采巷穿层钻孔条带抽采示意图3、岩石抽采巷穿层钻孔抽采河南省单一煤层工作面瓦斯抽采主流技术下帮16031运输巷16031运输巷B8B14B6B4B2B7B5B3B1B3B5B7B2B4B6B8B14B15B17B16B1810m4.2m3.61m4.2mBB30m1.67mB1B15B17B18B16B9B11B13B10B12B12B10B13B11B9138m下帮16031回风巷16031回风巷A8A10A12A14A6A4A2A13A11A9A7A5A3A1煤层6mA1A3A5A7A9A11A13A2A4A6A8A10A12A143.2m2.8m1mA15A16A17A18AA1.5m31mA16A18A17A152.6m6.76m2.5m平面图1:200剖面图1:200回风巷运输巷切眼顺层钻孔及交叉布孔预抽本层瓦斯示意图回下风抽放管卸压带运输巷回风巷山输山下运下山轨道斜向布孔交叉布孔平行布孔4、本煤层顺层钻孔抽采工作面浅孔抽采示意图5、工作面浅孔抽采走向顶板岩石高位巷裂隙带抽采示意图6、顶板岩石高位巷裂隙抽采采动区地面井裂隙带抽采示意图7、采动区地面井裂隙带抽采下沉带抽采井采空区冒落带裂隙带影响范围14该技术以煤岩长钻孔或岩石多分支穿层钻孔代替传统的岩石抽采巷道和岩巷穿层钻孔，可大大减少岩巷工程量，提高钻孔有效长度。8、“以孔代巷”区域瓦斯抽采技术“以孔代巷”走向长钻孔布置示意图钻孔沿煤层走向平行布置，压裂孔和抽采孔间隔布置，通过压裂孔大规模单孔压裂或小规模多点压裂增透，实现煤层-围岩层缝网体积改造；利用抽采孔高浓度连续长期预抽煤层瓦斯，实现瓦斯区域治理。智能化、可视化瓦斯抽采动态评判系统残余瓦斯含量及抽采云图动态实时监测技术智能化、可视化瓦斯抽采动态评判系统9、智能抽采计量与实时抽采云图10、四位一体防突技术四位一体防突技术措施地质测量管理系统煤与瓦斯突出预警平台提高各部门工作效率煤矿瓦斯地质分析系统防突管理系统采掘进度管理瓦斯涌出动态分析系统突出预警管理平台自动化管理功能专业分析功能突出预警功能安全信息集中管理与共享综合分析与突出预警DGC瓦斯含量测定仪地面局域网物探结果上传客户端安全监控环网无线基站监控分站无线基站地面交换机地面工作站安全监控系统服务器信息采集服务器突出预警服务器WTC和防爆手机激光测距仪随钻测量装置煤与瓦斯突出灾害监控预警系统整体结构预警数据库及预警平台11、煤与瓦斯突出综合预警技术某矿瓦斯抽采工程地质图12、瓦斯地质及抽采工程地质分析技术区域瓦斯地质图13、煤矿井下瓦斯抽采增透增产技术水力冲孔装备系统示意图1.水力冲孔卸压抽采技术下副巷底板岩巷穿层冲割钻孔水力割缝装备2.水力割缝卸压抽采瓦斯水力压裂装备系统示意图3.水力压裂增透抽采瓦斯爆破器（密封，P8MPa,T273K）起爆器(矿用本安）(u,i)加热装置(u,i)起爆头热量Q液态CO2气化膨胀泄能片(Pe)打开压力升高，Pi≥Pe高能气体泄放泄放头CO2气相致裂系统示意图4.CO2气相致裂深孔爆破装药结构示意图5.深孔爆破钻孔注气驱替系统示意图6.钻孔注气驱替加热煤层抽采瓦斯工艺示意图从地面向煤层实施多个垂直钻井。垂直钻井进入煤层后，煤层段下筛管套管，煤层以上下隔热套管，并进行相应固井。选择至少一个热源注入井(1)，其余为采气生产井(2)，向热源注入井(1)中注入高温高压的水蒸气，进行压裂，使网内的所有井全部连通。对采气生产井(2)进行排水降压抽采煤层气与水蒸气的混合气体。采用公知的冷却方法冷却煤层气与水蒸气的混合气体，即可得到气态的煤层气与液态的蒸馏水，实现混合气体分离。根据煤层温度的变化，调配热源注入井(1)和采气生产井(2)，可控制加热煤层，抽采煤层气。加快煤层气抽采速度，提高抽采率。7.加热煤层抽采瓦斯技术煤层—围岩缝网改造技术8.煤层—围岩缝网改造技术高压泵组高压水辩和割缝短接高压密封钻杆高压水管9.超高压水力割缝技术可控冲击波作业装备技术原理：高压储能电容器能量瞬间释放高压大电流脉冲在水中放电产生液电效应，将电磁能转换为机械能(强冲击波)，冲击波幅值压力达百MPa以上，脉冲宽度几百微秒。煤层10.可控冲击波提纲1、技术背景2、煤矿瓦斯防治技术综述3、以孔代巷智慧抽采区域瓦斯治理技术体系4、瓦斯治理技术展望5、建议河南省煤矿主采煤层基本都是单一低渗煤层，此类煤层的瓦斯治理通常采用底板岩抽巷+穿层钻孔预抽煤层瓦斯的方法，虽可达到治理效果，但存在巷道和钻孔工程量大、瓦斯治理成本高、抽采周期长等方面的问题。在当前经济形势下，为实现企业的可持续发展，必须依靠科技进步，探寻一种性价比更好的区域瓦斯治理新途径。以孔代巷区域瓦斯抽采技术是在有安全屏障的前提下以超长抽采钻孔代替岩石抽采巷，超前预抽煤巷条带和工作面煤层瓦斯。旨在提高瓦斯抽采的效率和效益，使矿井瓦斯抽采由原来的高成本“抽得出”向“抽得快、抽得省”转变。以孔代巷智慧抽采区域瓦斯治理技术指的是用超长钻孔代替岩石抽采巷实施瓦斯规模化抽采的区域瓦斯治理技术。核心技术主要包括：瓦斯抽采工程地质保障技术、煤与瓦斯共采设计、长钻孔智能钻进技术、扰动增透增产技术、智能化抽采评价技术。通过以孔代巷超前抽采模式的推广应用，优化采掘工程部署，大规模提高抽采强度，保障矿井安全高效生产。技术涵义：√1）通过对瓦斯抽采地质条件的分析，持续优化抽采工艺，应用于工作面采前、采中、采后瓦斯治理各个环节2）依托千米定向钻机和智能化回转钻机，可确保钻孔施钻到位，不留空白带，实施超前预抽4）应用煤层长钻孔密闭保压取样技术和可视化瓦斯抽采系统，综合分析地质环境，确保区域瓦斯抽采达标评价可靠在煤巷条带瓦斯治理方面，与底板岩抽巷+穿层钻孔预抽技术相比，预计可缩短瓦斯治理时间30%、减少区域瓦斯治理岩巷工程量80%，减少瓦斯抽采钻孔工程量60%，降低吨煤瓦斯治理成本50%。以孔代巷技术优势3）采取靶向增透增产措施，可有效提高瓦斯抽采效率抽采地质可行性评估煤与瓦斯共采设计ADBCE定区评价定向钻进定位扰动定量抽采定点取样“五定”原则：抽采地质精细分析和煤与瓦斯共采设计定向钻进长钻孔钻进保障技术定位扰动深孔增透增产关键技术定量抽采自动计量实时瓦斯云图定点取样长钻孔深孔取样技术定区评价区域瓦斯抽采评价技术“以孔代巷”智慧抽采区域瓦斯治理技术体系：瓦斯抽采工程地质分析技术体系瓦斯抽采地质单元逐级划分标准基于抽采强度的瓦斯抽采难易程度评价、扰动工艺优选煤与瓦斯共采设计未采区抽采设计采动区抽采设计采空区抽采设计煤矿井下地质雷达1、基于抽采工程地质分析的煤与瓦斯共采设计煤层渗透率测定仪及参数设定界面瓦斯含量快速测定装置地应力测量系统抽采地质单元划分实例以孔代巷区域抽采钻孔类型顶板围岩抽采层地面水平井1）地面U型井2）井地联合抽采钻孔井地联合抽采技术示意图3）本煤层长钻孔煤巷条带本煤层长钻孔（智能回转钻机）煤巷条带本煤层长钻孔（千米钻机）41工作面顺层长钻孔（千米钻机）软煤底板围岩梳状钻孔4）围岩梳状孔井下梳状钻孔—井下煤层钻孔联合抽采44位于煤层上方3-7倍采动高位裂隙抽采孔，可以实现采中+采后卸压抽采。布置在煤层顶板岩石中沿走向长钻孔，压裂增透后可以预抽煤层瓦斯，随着采煤工作面推进，采场支承压力不断前移，煤岩体透气性迅速提高成百上千倍，瓦斯在“O型圈”内聚集，此时走向长钻孔一孔多用，达到采前抽、采动抽、采后抽最佳效果，巧妙地实现先抽后采。“多功能钻孔抽采技术示意图5）一孔多用抽采钻孔454、大直径自动掏槽卸压技术煤巷抽采条带预抽瓦斯达标之后，开始掘进施工。为了实现掘进工作面前方充分卸压，加快煤巷进度，创新煤巷掘进工作面掏槽方式，开发专用大直径（φ）800-1000mm掏槽钻机，一次掏槽深度20米，智能钻进，远程控制、实现无人化自动掏煤，之后使用高倍发泡充填材料快速充填，彻底改变水力掏槽施工瓦斯大，掏槽深度、直径、瓦斯涌出量不能控制，掏槽后形成瓦斯集聚的难题。大直径自动掏槽钻孔示意图6）大直径掏槽钻孔中深孔定向钻进技术分支长钻孔钻进技术常规回转钻机钻孔测斜技术矿用钻孔测斜仪矿用回转钻机测斜仪2、复杂地质条件下的长钻孔钻进保障及护孔技术中深孔定向钻机ZDY12000千米定向钻机ZDY3500LP煤矿用深孔钻车ZDY3000LG高速钻机长钻孔分段压裂增透技术；围岩抽采层—煤层缝网改造技术；软煤顶（底）板岩层多分支压裂技术；阶段抽采负压调控技术；长钻孔气驱法高效抽采技术；长钻孔注入表面活性剂改性技术；可控冲击波增透增产技术3、长钻孔瓦斯抽采增透增产关键技术围岩抽采层—煤层缝网改造技术压裂钻孔压裂钻孔软煤底板岩层多分支压裂技术可提供40MPa的压力流量可达1m3/min水力强化全程可实现自动化远程控制，确保强化工艺科学精确执行、人员及设备安全煤矿井下专用压裂泵组煤矿井下封压一体化分段水力压裂封孔器8416107652538912111-连续油管，2-第一封隔胶囊，3-单向阀，4-第二封隔胶囊，5-出水孔，6-高压管箍，7-丝扣，8-注液孔，9-压裂泵，10-孔口锚固器，11-丝堵，12-钻孔可控冲击波装备1.破裂煤层(冲击波应力区)：冲击波直接冲击煤层中形成一定的裂缝，使钻孔与更多的煤层沟通。2.撕裂煤层(压缩波作用区)：在幅值低于煤层抗压强度、但高于抗张、抗剪强度的区域，以剪切、撕裂的模式导致煤层破裂，形成多方向的多条裂隙。3.剪切解堵作用(弹性声波作用区)：在煤层中不同杂质的界面上产生剪切力，可剥离煤层渗流通道中的煤粉，强烈激励煤层，改善偶电层吸附滞留效应，提高储层渗流能力，促进吸附气体解吸。4.重复作用：每一次冲击波作业对下一次作业都是一次疲劳的过程。冲击波对煤层的四种增透效应地层中冲击波传播衰减与演化冲击次数150175200225250PMWYM无烟煤冲击150次冲击175次冲击200次冲击225次冲击250次贵州水矿集团中井矿(煤与瓦斯突出矿井)10903回风/运输顺槽，806工作面，K9煤层―煤层厚度3m，深度200m，碎裂煤～糜棱煤为主―肥焦煤，瓦斯含量10.99m3/t―钻孔工程量节约20倍，冲击波作业井日抽采量平均提高2.48倍，最高达10倍以上可控冲击波增透技术实例冲击波作业之前抽采红线为增透孔运顺2号孔增透顺层孔长168m，增透130m；影响半径20m范围，单孔控制范围煤层原始瓦斯总量375858m3。―抽采孔布置：顺层，40m孔间距，冲击波作业9个钻孔―最佳加载条件：威力型含能弹，每点作业4次―两段式衰减模式：改变了流量指数型衰减传统模式，可长时间阻碍