碎软煤层如何实现瓦斯高效抽采?

2021-11-12 中国煤炭报 陈冬冬

日前,在中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定会上,中国煤炭科工集团西安研究院与陕煤集团韩城矿业公司联合研发的碎软煤层区域瓦斯超前抽采技术被认定达到国际领先水平。

一直以来,碎软煤层瓦斯抽采难题是制约我国煤矿安全和绿色开采的瓶颈。煤层碎软,瓦斯含量普遍较高、压力大,煤层透气性差等特点,导致瓦斯抽采效率低、治理难度极大。因此,业内亟待探索安全、高效又经济的碎软煤层区域瓦斯超前抽采技术。

陕西韩城矿区是典型的碎软煤层矿区,瓦斯灾害是矿区首要灾害,严重威胁着安全生产。该矿区主采的2号、3号煤层出现过各种类型的瓦斯动力现象,有记载的瓦斯突出事件约150次。

矿区现有的单一煤层和保护层瓦斯治理措施存在覆盖范围小(顺煤层钻进不超过100米、局部30米至40米),工程量大,串孔严重,抽采浓度低(一般不超过10%),辅助成本高等问题,直接导致矿井瓦斯抽采达标的煤炭资源量严重不足,无法超前释放。

韩城矿区特殊的瓦斯地质条件决定了常规方法难以有效解决抽采难题。因此,在该地区开展区域瓦斯超前抽采关键技术研究具有重要示范意义。西安研究院立足碎软、低渗透性、煤与瓦斯突出煤层的区域瓦斯超前防治需求,以韩城矿区单一煤层和保护层开采方式为研究对象,与陕煤集团韩城矿业公司展开了联合攻关。

针对该公司3号煤层碎软不易成孔、煤层顶板具备钻孔条件但难以实现瓦斯高效抽采的特点,研究人员转变思路,创新性地提出“碎软煤层顶板梳状长钻孔水力压裂”区域瓦斯超前抽采模式。同时,针对保护层卸压瓦斯抽采难题,他们提出中近距离上保护层开采底板水平长钻孔卸压瓦斯高效抽采技术。

不过,成套技术体系存在区域均匀增透和压裂范围连续监测难度大、裸眼压裂孔内工具事故率高、定向长钻孔层位精准控制难度大、围岩破碎带有效封孔和复杂地层钻进效率低等难题。因此,研究人员针对性地研发了集地质条件动态分析、封隔器遇阻解卡和孔内瞬变电磁压裂范围连续探查于一体的顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂技术,分段压裂钻孔主孔长度可达500米;开发了复杂地层开孔破碎段综合封孔技术和高效定向钻进与轨迹控制技术,封(固)孔耐压3.0兆帕,最高单日进尺达186米;形成了碎软、低渗透性、煤与瓦斯突出煤层定向长钻施工工艺和顶板定向长钻孔水力压裂工艺技术体系,钻孔覆盖范围整体大于500米。

该技术成果突破了碎软、低渗透性、煤与瓦斯突出煤层井下长距离、大范围瓦斯超前抽采的技术瓶颈,取代传统的利用保护层回采巷道向被保护层施工下向穿层钻孔方法,解决了工程量大、瓦斯抽采浓度和抽采量低等问题。成果还创立了碎软、低渗透性、煤与瓦斯突出厚煤层顶板梳状钻孔水力压裂区域瓦斯高效抽采模式,提出了中近距离上保护层底板水平长钻孔卸压瓦斯区域拦截抽采技术,开发了集裂隙预处理、稳压注浆、循环补浆、耐压检测于一体的开孔破碎综合封(固)孔工艺,提高了抽采效果。

2018年以来,技术成果在韩城矿区王峰矿、桑树坪二号井、下峪口煤矿3个矿井开展应用,煤层顶板梳状长钻孔裸眼分段水力压裂长度达588米,钻孔瓦斯抽采浓度大于40%,抽采量每分钟1立方米以上,压裂影响半径20米以上;保护层底板区域拦截抽采长钻孔平均孔深566米,钻孔瓦斯抽采浓度21.12%,抽采量每分钟3.7立方米,单日瓦斯抽采量为常规钻孔工艺的4倍左右。

相关人员表示,该套技术适用于碎软、低渗透性煤层区域高效预抽、强突煤层超前区域增透与卸压解危、煤矿瓦斯与矿压协同防治等领域,具有广泛的推广应用前景。

责任编辑:崔维维