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保德煤矿8号煤瓦斯抽采工艺优化及CO2增透煤层技术研究

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1 绪论

1.1 研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.2.1 矿井瓦斯抽采技术

1.2.2 煤层增透技术

1.3 主要研究内容(Main Research Contents)

1.4 技术路线(Technical Route)

2 矿井概况

2.1 矿井概况(Overview of Coal Mine)

2.2 矿井地质及煤层赋存条件(Mine Geology and Coal Seam Occurrence Conditions)

2.2 矿井开拓与开采(Mine Development and Mining)

2.3 矿井通风情况(Mine Ventilation)

2.4 煤层瓦斯赋存规律及基本参数(Coal Seam Gas Occurrence Law and Basic Parameters)

2.4.1煤层瓦斯压力直接测试

2.4.2 煤层瓦斯含量测试

2.4.3 钻孔流量衰减系数测定方法

2.4.4煤样吸附常数a、b值的测定

2.4.5煤体坚固性系数f值的测定

2.4.6 透气性系数的计算

2.5 瓦斯抽采系统(Gas Drainage System)

2.6 煤层自燃与爆炸特性(Coal Seam Spontaneous Combustion and Explosion Characteristics)

2.7 本章小结(Chapter Summary)

3 保德煤矿8号煤层工作面瓦斯抽采工艺优化

3.1 8号煤层瓦斯抽采工艺(No. 8 Coal Seam Gas Drainage Process)

3.2 试验工作面概况(Test Work Surface Overview)

3.3 试验工作面抽采工艺(Test Face Extraction Process)

3.4 瓦斯预抽钻孔封孔工艺参数优化(Parameter Optimization of Gas Pre-drilling Sealing Process)

3.5 钻孔抽半径考察(Borehole Radius Visits)

3.5.1 COMSOL模拟软件简介

3.5.2顺层抽采钻孔的几何模型

3.5.3瓦斯抽采数值模拟结果分析

3.6 本章小结(Brief Summary)

4 液态CO2压裂增透煤层技术研究

4.1.1 实验样本的选取

4.2 液态CO2增透效果考察分析(Investigation and Analysis of Liquid CO2)

4.2.1 CO2压裂参数优选

4.2.2 增透效果实验分析

4.2.3 经济效应

4.3 本章小结(Chapter Summary)

5 结论与展望

5.1 结论(Conclusions)

5.2 展望(Outlook)

参考文献

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摘要

保德煤矿位于山西省保德县,是神华神东煤炭集团唯一一座高瓦斯矿井。矿井现主要开采8号煤层,2018年瓦斯等级鉴定中瓦斯相对涌出量为11.08m3/t,绝对涌出量为78.48m3/min。随着工作面逐渐向深部延深,煤层瓦斯含量逐渐增加,瓦斯治理日益困难;加之煤层透气性差、钻孔布置不合理、封孔效果差等原因,煤层瓦斯抽采效果往往短时间内达不到预期的效果。本文以保德煤矿8号高瓦斯煤层81506备用工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场测试相结合的方法,对8号煤层瓦斯赋存规律、工作面瓦斯抽采工艺及优化、原始煤层液态CO2增透技术等进行系统研究分析,主要结论如下: 1)保德煤矿8号煤层实测最大瓦斯压力为0.40MPa,瓦斯含量为7.5m3/t,煤层透气性系数平均为0.4215m2/(MPa2·d),瓦斯衰减系数为0.0344d-1,属可抽采煤层。 2)以煤层瓦斯抽采参数为依据,在现有的抽采系统条件下,选取不同的封孔材料、封孔长度和封孔堵头进行18组对比试验,优选封孔工艺。结果表明采用AB新材料加囊袋封堵,封孔位置为8~16m时,钻孔密封性较好。 3)采用COMSOL模拟软件对优化封孔工艺后的8号煤层抽采半径进行考察,在抽采60天的有效抽采半径为3m,在抽采90天的有效抽采半径为5m,抽采180天的有效抽采半径为8m。 4)考虑到矿井的高产高效和正常的采掘接替,为进一步缩短抽采时间,以81506综放工作面为研究对象,进行液态CO2压裂增透试验,设置3因素3水平正交实验,当预裂钻孔长度为220m,预裂长度为40m,预裂深度为50m时,煤层透气性系数明显增加,钻孔平均瓦斯抽采浓度为80.8%,抽采效果较好。 在相同抽采范围(100m)内,考察不同钻孔间距压裂实验对抽采效果的影响,综合考虑钻孔数量、抽采时间、钻孔瓦斯抽采量因素,得出最合理的预裂钻孔间距为15m,此时百米钻孔瓦斯流量提高3~5倍。工作面达标钻孔量由34540m减少为11513m,钻孔施工时间由115天缩短到39天,缩短了工作面达标时间,保障了正常的生产接替,实现了矿井的高产高效生产。

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