水力化增透技术在区域瓦斯抽采中应用2014(王耀锋)

1、2014年全国煤矿安全学术年会 王耀锋 研究员煤科集团沈阳研究院有限公司二一四年十一月2014年全国煤矿安全学术年会 汇报提纲 1 1 国内煤矿瓦斯抽采现状国内煤矿瓦斯抽采现状 2 2 水力化煤层增透技术的进展水力化煤层增透技术的进展 3 3 在区域瓦斯抽采中的应用在区域瓦斯抽采中的应用 4 4 前景展望前景展望 2014年全国煤矿安全学术年会 1 国内煤矿瓦斯抽采现状 20042013年年，我国煤炭生产量呈持续增长态势，原煤生产量占能源生产总量，我国煤炭生产量呈持续增长态势，原煤生产量占能源生产总量的的75.677.8%。至。至2013年，全国煤炭产量已达年，全国煤炭产量已达36.8亿亿t。

2、据预测，。据预测，2030年我国的煤炭年我国的煤炭需求量将高达需求量将高达38亿亿t。因此，在未来较长的时期内，煤炭仍将是中国的主要能源。因此，在未来较长的时期内，煤炭仍将是中国的主要能源 。图1-1 近10年我国一次能源生产量及构成 图1-2 近10年我国煤炭生产量 2014年全国煤矿安全学术年会 1 国内煤矿瓦斯抽采现状 我国的煤矿约我国的煤矿约91%为井工矿，开采条件十分复杂。据统计，为井工矿，开采条件十分复杂。据统计，2012年全年全国共有国共有煤与瓦斯突出矿井煤与瓦斯突出矿井1191处，高瓦斯矿井处，高瓦斯矿井2093处处，高、突矿井约占全，高、突矿井约占全国矿井总数的国矿井总数的2

3、6.7%。 矿井瓦斯是煤矿的主要致灾因素之一。矿井瓦斯事故具有矿井瓦斯是煤矿的主要致灾因素之一。矿井瓦斯事故具有破坏强度大破坏强度大、影响范围广、影响范围广等特点。等特点。2013年，全国煤矿数量约年，全国煤矿数量约1.2万处，共发生各类事故万处，共发生各类事故604起、死亡起、死亡1067人，其中人，其中矿井瓦斯事故矿井瓦斯事故59起、死亡起、死亡348人人。 另一方面，作为一种高效、优质的能源，开发利用瓦斯资源具有另一方面，作为一种高效、优质的能源，开发利用瓦斯资源具有保证保证煤矿安全生产、改善能源结构和保护环境等煤矿安全生产、改善能源结构和保护环境等多重作用。根据多重作用。根据2005年

4、的评价年的评价成果，全国煤层埋深成果，全国煤层埋深2000 m以浅的瓦斯总资源量为以浅的瓦斯总资源量为36.8l万亿万亿m3，其中可采，其中可采资源量资源量10.87万亿万亿m3。2014年全国煤矿安全学术年会 1 国内煤矿瓦斯抽采现状 有效的瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的治本措施。根据有效的瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的治本措施。根据煤层气（煤矿瓦煤层气（煤矿瓦斯）开发利用斯）开发利用“十二五十二五”规划规划，2015年煤层气（煤矿瓦斯）产量将达到年煤层气（煤矿瓦斯）产量将达到300亿亿m3，其中，其中地面开发地面开发160亿亿m3，井下抽采，井下抽采140亿亿m3。 据统计，据统计，2013年全国抽采

5、量年全国抽采量156亿亿m3。其中，。其中，井下瓦斯抽采量井下瓦斯抽采量126亿亿m3，地面煤层气产量，地面煤层气产量30亿亿m3。截止到今年。截止到今年6月，全国开展瓦斯抽采的矿井月，全国开展瓦斯抽采的矿井1810处，瓦斯抽采量处，瓦斯抽采量仅为仅为58.5亿亿m3。显然，按照目前的抽采状况。显然，按照目前的抽采状况难以实现难以实现“十二五十二五” 目标目标。 目前的抽采状况是由多方面原因造成的，其中目前的抽采状况是由多方面原因造成的，其中煤层的渗透性煤层的渗透性是影响瓦是影响瓦斯开发量的最主要的自然因素。据统计，我国煤储层渗透率斯开发量的最主要的自然因素。据统计，我国煤储层渗透率小于小于1

6、.0mD的的层次占层次占72%。采取增加透气性措施。采取增加透气性措施，是解决我国低渗透性煤层瓦斯抽采难，是解决我国低渗透性煤层瓦斯抽采难题的关键。题的关键。2014年全国煤矿安全学术年会 汇报提纲 1 1 国内煤矿瓦斯抽采现状国内煤矿瓦斯抽采现状 2 2 水力化煤层增透技术的进展水力化煤层增透技术的进展 3 3 在区域瓦斯抽采中的应用在区域瓦斯抽采中的应用 4 4 前景展望前景展望 2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展 为提高低透气性煤层的瓦斯抽采率和防治煤与瓦斯突出，在学习和借为提高低透气性煤层的瓦斯抽采率和防治煤与瓦斯突出，在学习和借鉴鉴石油行业和国外石油行业和国

7、外先进技术及经验的基础上，试验应用了多种煤层增透技先进技术及经验的基础上，试验应用了多种煤层增透技术，多数从术，多数从降低煤层外在应力和改变煤体的物理力学性质降低煤层外在应力和改变煤体的物理力学性质入手，主要有：入手，主要有：开采保护层、卸压带抽采、深孔松动爆破、交叉钻孔、大直径钻孔和水力开采保护层、卸压带抽采、深孔松动爆破、交叉钻孔、大直径钻孔和水力化增透措施等。化增透措施等。 国内煤矿应用水力化煤层增透技术国内煤矿应用水力化煤层增透技术开始于开始于20世纪世纪50年代末年代末，至今大致，至今大致经历了经历了初期试验研究、尝试应用和高速发展这初期试验研究、尝试应用和高速发展这3个阶段个阶段，

8、正逐渐发展成为，正逐渐发展成为一种适用性强、效果显著的煤层增透和防突技术。一种适用性强、效果显著的煤层增透和防突技术。2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展初期试验研究阶段20世纪50年代末80年代末尝试应用阶段20世纪90年代初21世纪初高速发展阶段21世纪初至今2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展 上世纪上世纪50年代末至年代末至80年代末年代末，主要是作为，主要是作为局部防突措施局部防突措施应用于应用于煤巷掘煤巷掘进、石门揭煤等进、石门揭煤等地点。地点。p1958年年，设计出了简易的，设计出了简易的“轻变型轻变型”水力钻。水力钻。p1965年

9、年，用水射流预先冲刷煤体，安全揭开了具有突出危险的石门。，用水射流预先冲刷煤体，安全揭开了具有突出危险的石门。p抚顺煤炭研究所于抚顺煤炭研究所于1969年年在鹤壁六矿进行了水射流割缝试验；在鹤壁六矿进行了水射流割缝试验；1977年年，在红卫煤矿进行了水射流割缝防止煤与瓦斯突出试验；在在红卫煤矿进行了水射流割缝防止煤与瓦斯突出试验；在19781981年年期期间，先后在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行了水射流割缝试验；间，先后在鹤壁四矿、二矿及红卫煤矿进行了水射流割缝试验；1981年年研研制了液控水射流钻割机；制了液控水射流钻割机；p19701985年年，在白沙里王庙矿、阳泉一矿、抚顺北龙凤矿和焦作中

10、马，在白沙里王庙矿、阳泉一矿、抚顺北龙凤矿和焦作中马村矿进行了水力压裂开采煤层气试验。村矿进行了水力压裂开采煤层气试验。2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展 20世纪世纪90年代初至年代初至21世纪初世纪初，虽然前期取得了一定效果，但由于诸多，虽然前期取得了一定效果，但由于诸多原因，该技术只在抚顺、晋城等矿区的少数煤与瓦斯突出矿井和瓦斯治理原因，该技术只在抚顺、晋城等矿区的少数煤与瓦斯突出矿井和瓦斯治理困难的高瓦斯矿井进行了小范围尝试应用，未能大范围推广与应用，困难的高瓦斯矿井进行了小范围尝试应用，未能大范围推广与应用，主要主要原因：原因：p 当时煤炭行业发展正处于低谷

11、，现场需求相对较少；当时煤炭行业发展正处于低谷，现场需求相对较少；p 未能深入研究煤层卸压增透机理，缺乏必要的理论支撑；未能深入研究煤层卸压增透机理，缺乏必要的理论支撑；p 当时能在煤矿井下应用的高压水泵流量小、压力低，设备能力不能满足当时能在煤矿井下应用的高压水泵流量小、压力低，设备能力不能满足需要；需要；p 包括安全防护在内的配套设施不够完善。包括安全防护在内的配套设施不够完善。2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展 2003年以后，适应市场和国家政策的要求，在石油等行业取得多项年以后，适应市场和国家政策的要求，在石油等行业取得多项新突破的激励下，水力化煤层增透技术进

12、入了高速发展阶段。单项水力化新突破的激励下，水力化煤层增透技术进入了高速发展阶段。单项水力化增透技术不断完善，总体向着增透技术不断完善，总体向着集成化、多元化和智能化集成化、多元化和智能化的方向发展。的方向发展。 以中国矿业大学、沈阳研究院等为代表的十余家科研机构在水力化增以中国矿业大学、沈阳研究院等为代表的十余家科研机构在水力化增透方面进行了广泛深入研究，形成了水射流和水力压裂透方面进行了广泛深入研究，形成了水射流和水力压裂两大类共十余种两大类共十余种技技术，包括：水力冲孔、水力掏槽、水射流割缝、水射流扩孔、水力挤出、术，包括：水力冲孔、水力掏槽、水射流割缝、水射流扩孔、水力挤出、水力疏松、

13、水力压裂等，在水力疏松、水力压裂等，在全国三十余个矿区全国三十余个矿区进行了试验及应用，作业区进行了试验及应用，作业区域也由煤巷掘进、石门揭煤等局部地点发展到域也由煤巷掘进、石门揭煤等局部地点发展到地面钻孔抽采、煤层区域预地面钻孔抽采、煤层区域预抽、突出煤层消突抽、突出煤层消突等。等。2014年全国煤矿安全学术年会 2 水力化煤层增透技术的进展 各种单项增透技术既有其各种单项增透技术既有其优势优势，又难免存在，又难免存在自身的局限性自身的局限性。例如：对。例如：对于水射流割缝（或扩孔）来说，在其控制范围内煤体卸压充分、增透效果于水射流割缝（或扩孔）来说，在其控制范围内煤体卸压充分、增透效果明显

14、，但是它的影响半径小，仅有几米。水力压裂的控制范围大，影响半明显，但是它的影响半径小，仅有几米。水力压裂的控制范围大，影响半径能够达到几十米，但是以现有的技术水平，很难保证在它的控制范围内径能够达到几十米，但是以现有的技术水平，很难保证在它的控制范围内实现煤体均匀卸压、增透而不留空白带。实现煤体均匀卸压、增透而不留空白带。采用综合增透技术，能使不同的采用综合增透技术，能使不同的增透手段取长补短、优势互补增透手段取长补短、优势互补，但是怎样合理配置各种工艺参数才能真正，但是怎样合理配置各种工艺参数才能真正达到这一目的，仍需深入探索。达到这一目的，仍需深入探索。2014年全国煤矿安全学术年会 2

15、水力化煤层增透技术的进展p 水射流与水力压裂综合增透技术水射流与水力压裂综合增透技术。黄炳香提出在钻孔轴向或径向预割出。黄炳香提出在钻孔轴向或径向预割出给定方向的裂缝，然后再进行给定方向的裂缝，然后再进行定向压裂定向压裂的技术。王耀锋等提出了的技术。王耀锋等提出了预置导向预置导向槽定向水力压穿槽定向水力压穿技术，即利用技术，即利用导向槽和控制钻孔的共同定向作用导向槽和控制钻孔的共同定向作用将煤体压将煤体压穿，并通过高压水携带出大量煤屑，来实现煤层卸压和增透。刘勇等提出穿，并通过高压水携带出大量煤屑，来实现煤层卸压和增透。刘勇等提出采用水射流在煤孔采用水射流在煤孔中定向射孔来降低起裂压力中定向射

16、孔来降低起裂压力。p 综合压裂技术综合压裂技术。叶建平等开展了。叶建平等开展了氮气泡沫压裂氮气泡沫压裂技术的工业试验。许耀波技术的工业试验。许耀波等提出了等提出了液氮伴注辅助水力压裂液氮伴注辅助水力压裂复合增产技术。刘晓在中马村煤矿试验了复合增产技术。刘晓在中马村煤矿试验了重复水力压裂重复水力压裂技术。王保玉等提出了技术。王保玉等提出了地面压裂井下水平钻孔抽放地面压裂井下水平钻孔抽放煤层气方煤层气方法。林柏泉等提出了区域瓦斯治理法。林柏泉等提出了区域瓦斯治理钻爆压抽一体化防突钻爆压抽一体化防突方法，实现了松动方法，实现了松动爆破和定向压裂综合增透爆破和定向压裂综合增透 。2014年全国煤矿安全

17、学术年会 汇报提纲 1 1 国内煤矿瓦斯抽采现状国内煤矿瓦斯抽采现状 2 2 水力化煤层增透技术的进展水力化煤层增透技术的进展 3 3 在区域瓦斯抽采中的应用在区域瓦斯抽采中的应用 4 4 前景展望前景展望 2014年全国煤矿安全学术年会 3 水力化技术在区域瓦斯抽采中的应用 沈阳研究院沈阳研究院完成了完成了“十一五十一五”国家科技支撑计划子课题国家科技支撑计划子课题“低透气性煤低透气性煤层瓦斯增透及强化抽采技术与装备研究层瓦斯增透及强化抽采技术与装备研究”。承担了大型油气田及煤层气开。承担了大型油气田及煤层气开发科技重大专项课题发科技重大专项课题“低透气性煤层煤层气增产技术与装备低透气性煤层

18、煤层气增产技术与装备”和和“十二五十二五”国家科技支撑计划子课题国家科技支撑计划子课题“导向槽定向水力压穿防突技术和装备导向槽定向水力压穿防突技术和装备”。 采用前期的研究成果，在采用前期的研究成果，在焦作演马庄矿和淮南丁集矿焦作演马庄矿和淮南丁集矿进行了现场试验进行了现场试验，取得了较好的效果。，取得了较好的效果。 2014年全国煤矿安全学术年会 图3-2 叶轮和喷嘴的物理模型图3-1 高压旋转水射流喷头、喷嘴及叶轮图3-4 高压旋转接头图3-3 高压水射流专用钻杆3.1 高压旋转水射流扩孔及割缝装备2014年全国煤矿安全学术年会 图3-5 矿用移动式高压水力泵站图 3-6 水射流系统试验3

19、.1 高压旋转水射流扩孔及割缝装备2014年全国煤矿安全学术年会 该技术是在控制钻孔的导控作用下，对中心钻孔实施水力压裂，该技术是在控制钻孔的导控作用下，对中心钻孔实施水力压裂，将中心钻孔与控制钻孔之间的煤体压裂，形成贯穿裂隙，并通过高压将中心钻孔与控制钻孔之间的煤体压裂，形成贯穿裂隙，并通过高压水携带出大量煤屑，使煤体大范围卸压、增透。水携带出大量煤屑，使煤体大范围卸压、增透。图3-7 控制孔导控定向水力压裂模型图3-8 控制孔导控定向水力压裂模拟结果2014年全国煤矿安全学术年会 3.2.1 试验区概况试验区概况 该矿主采二该矿主采二1煤层。煤层的直接顶板由砂质泥岩和泥岩构成，厚度煤层。煤

20、层的直接顶板由砂质泥岩和泥岩构成，厚度大约大约3m。煤层的直接底板是由泥岩、砂质泥岩和粉砂岩构成的。煤层的直接底板是由泥岩、砂质泥岩和粉砂岩构成的。2011年矿井绝对瓦斯涌出量为年矿井绝对瓦斯涌出量为48.22m3/min，相对瓦斯涌出量，相对瓦斯涌出量24.5m3/t，属，属于煤与瓦斯突出矿井。于煤与瓦斯突出矿井。 试验区域选在试验区域选在27151运输巷顶板瓦斯抽采巷。运输巷顶板瓦斯抽采巷。27151工作面平均煤工作面平均煤厚厚3.7m、煤层倾角、煤层倾角713，实测工作面煤层，实测工作面煤层原始瓦斯含量为原始瓦斯含量为18.59m3/t，瓦斯压力，瓦斯压力0.85MPa，煤的坚固性系数，

21、煤的坚固性系数0.52，具有煤与瓦斯，具有煤与瓦斯突出危险性。突出危险性。煤层透气性系数为煤层透气性系数为0.30.457m2MPa-2d-1。2014年全国煤矿安全学术年会 3.2.2 钻孔布置与施工钻孔布置与施工 在在27151运输巷顶板瓦斯抽采巷里段运输巷顶板瓦斯抽采巷里段310m350m处，施工处，施工22个下个下向钻孔作为试验孔向钻孔作为试验孔 。试1试2试3试4试5试6试10试11试12试13试14试15试7试8试9试16试17试18试19试20补试6补试12补试1927151运输巷顶板瓦斯抽采巷终孔点岩孔开孔点煤孔压裂钻孔图3-9 试验钻孔实际施工平面图27151运输巷顶板瓦斯抽

22、采巷30m12.5m27151运输巷-200-210-220-230-240-250-200-210-220-230-240-250图3-10 试验钻孔剖面图2014年全国煤矿安全学术年会 3.2.3 瓦斯抽采效果对比瓦斯抽采效果对比 自今年自今年5.38.17， 22个试验钻孔累计抽采瓦斯个试验钻孔累计抽采瓦斯50574.92m3。压裂。压裂完成完成106天后，仍有天后，仍有45%（10个）的钻孔瓦斯浓度超过个）的钻孔瓦斯浓度超过80%，82%（18个）的钻孔瓦斯浓度超过个）的钻孔瓦斯浓度超过50%，而，而8个对比钻孔抽采浓度均降到了个对比钻孔抽采浓度均降到了50%以下，其中以下，其中2个钻

23、孔在抽采个钻孔在抽采67天后因瓦斯浓度过低而控制抽采试验钻孔天后因瓦斯浓度过低而控制抽采试验钻孔的的平均瓦斯抽采浓度为平均瓦斯抽采浓度为64.47%，而对比钻孔的仅为，而对比钻孔的仅为28.32%。22个试验个试验钻孔的百米钻孔平均流量为钻孔的百米钻孔平均流量为0.592m3/min0.176m3/min，平均，平均0.290 m3/min；单位面积内试验钻孔的密度仅为对比孔的；单位面积内试验钻孔的密度仅为对比孔的三分之一三分之一，试验钻，试验钻孔百米钻孔瓦斯流量为对比孔的孔百米钻孔瓦斯流量为对比孔的2.05.4倍，平均为倍，平均为3.67倍倍。2014年全国煤矿安全学术年会 3.2.3 瓦斯

24、抽采效果对比瓦斯抽采效果对比 图3-11 试验钻孔与常规钻孔百米钻孔平均瓦斯流量对比2014年全国煤矿安全学术年会 3.2.3 瓦斯抽采效果对比瓦斯抽采效果对比 图3-12 试验钻孔与常规钻孔单孔平均百米瓦斯流量对比2014年全国煤矿安全学术年会 该技术是先用水射流对中心钻孔扩孔，然后在控制钻孔的导控作该技术是先用水射流对中心钻孔扩孔，然后在控制钻孔的导控作用下，对中心钻孔实施水力压裂，将中心钻孔与控制钻孔之间的煤体用下，对中心钻孔实施水力压裂，将中心钻孔与控制钻孔之间的煤体压穿，形成贯穿裂隙，并通过高压水携带出大量煤屑，使煤体大范围压穿，形成贯穿裂隙，并通过高压水携带出大量煤屑，使煤体大范围

25、卸压、增透。卸压、增透。图3-13 水射流扩孔与水力压裂联作模型图3-14 水射流与水力压裂联作模拟结果2014年全国煤矿安全学术年会 3.3.1 试验区概况试验区概况 试验地点选在丁集煤矿西试验地点选在丁集煤矿西11-2运输大巷。运输大巷。11-2煤层为突出煤层煤层为突出煤层 ，平均煤，平均煤厚厚2.49m，煤层瓦斯含量在，煤层瓦斯含量在5.56.5m3/t之间，瓦斯压力为之间，瓦斯压力为1.36MPa，煤层透，煤层透气性系数为气性系数为0.00730.0075 m2/(MPa2d)之间，钻孔瓦斯流量衰减系数之间，钻孔瓦斯流量衰减系数为为0.4601d-1，属于较难抽放煤层，属于较难抽放煤层

26、。 共试验共试验20组（组（102个钻孔）。个钻孔）。在各组内控制钻孔与压裂钻孔见煤点的距在各组内控制钻孔与压裂钻孔见煤点的距离不同，其中离不同，其中S1S5组为组为47m，S6S17组为组为713m，S18S20组为组为813m。钻孔按照不同的倾角施工，直至钻孔按照不同的倾角施工，直至11-2煤顶板上方煤顶板上方0.5m处。处。 扩孔扩孔压力为压力为1228MPa，出煤量，出煤量0.333.11t，均孔出煤，均孔出煤0.90t，扩孔后钻孔，扩孔后钻孔直径由直径由113mm平均增加到平均增加到587mm；平均开裂压力为；平均开裂压力为18.53MPa，压裂半径在，压裂半径在713m之间，之间，

27、平均压裂半径为平均压裂半径为9.16m。 2014年全国煤矿安全学术年会 3.3.2 试验钻孔布置试验钻孔布置 +S6K23S20K24K25K26K80K81K82K79AA西 一 11-2运 输 大 巷西 一 11-2辅 助 运 输 大 巷+S1S5K1K2K3K4K5K6西 一 11-2回 风 大 巷图3-15 试验钻孔布置平面图2014年全国煤矿安全学术年会 3.3.2 试验钻孔布置试验钻孔布置 11-2煤K23西一11-2回风大巷西一11-2运输大巷K1 K2西一11-2辅助运输大巷K25图3-16 试验钻孔剖面图2014年全国煤矿安全学术年会 3.3.3 瓦斯抽采效果考察瓦斯抽采效

28、果考察 实验实验组数组数实验实验钻孔钻孔考察期考察期/d效果最好钻孔效果最好钻孔其它孔其它孔钻孔编号钻孔编号瓦斯浓度瓦斯浓度/%抽采量抽采量/m3平均抽平均抽采纯量采纯量/m3增长增长比例比例S7K27K3041K2891.3451535712.64S8K31K3430K3292.4242523710.25S10K39K4228K4132.57243362.16S14K55K5844S1460.511487631.51S15K59K6241K5936.811749021.30S16K63K6638K6524.312796322.03S17K67K7038K6752.522066213.55S18K71K7433K726831827224.41S19K75K7833S1956.3281912982.17平均平均19766524.452014年全国煤矿安全学术年会 3.3.3 瓦斯抽采效果考察瓦斯抽采效果考察 对完整进行增透试验和效果考察的各组钻孔统计分析可得，