高瓦斯煤层井下穿层水力压裂强化增透技术研究

摘要

本文运用理论研究、数值模拟与现场试验的相结合的方法，将新庄孜矿C13煤层作为试验对象，考察了水力压裂的实施起到的作用。事实证实，水力压裂工作实施后，C13煤层的瓦斯浓度大幅度降低、瓦斯抽采率大大提高、透气性明显有所改善，有效的预防了煤与瓦斯突出的可能性。
　　对水力压裂增透理论进行了研究，大直径钻孔能够使钻孔周围卸压范围增大;钻孔周围裸露的煤体大大增多;煤体内气体流动性增强，透气性大幅度改善。
　　运用RFPA2D软件进行模拟实验，煤层起裂压力为30MPa，压裂结束后，裂隙延伸扩展长度可达到35～40m左右;按照应力的分布情况把钻孔四周的煤体可划成四个区域，从中心位置到煤体深部依次为:卸压区(0～35m);集中区(35～50m);过渡区(50～62.5m);原始应力区(＞62.5m)。单孔水力压裂影响范围半径可达35m;通过水力压裂的实施，煤层渗透性一定程度上得到了改善，提高了将近25倍。压裂过程中，水流量最高可达400m3/(d·m)，说明煤体的渗透性显著得到改善。
　　根据压裂区域煤层含水率的变化规律，初步判断压裂半径大于50m;根据压裂区域煤体内的瓦斯含量变化规律得知，压裂半径在30～50m之间。钻孔40m区域内，压裂效果明显，瓦斯含量显著下降，说明在压裂孔影响范围达到40m。根据压裂区域煤层含水率的变化规律，初步判断压裂半径大于50m;通过测定未压裂的煤体的瓦斯压力为4.9MPa，水力压裂过后，通过求解，瓦斯压力急剧减小，减小至1 MPa;原始的透气性系数为0.032m2/MPa2·d，压裂过后，增大到0.840m2/MPa2·d，压裂效果显著，一定程度上改善了煤层的透气性。
　　通过水力压裂现场试验，证实了数值模拟的准确性，水力压裂技术的实施可有效改善煤层的透气性，提高瓦斯抽采率，降低了煤与瓦斯的突出危险性，保证了采煤工作可以安全高效的进行。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 瓦斯卸压抽采技术研究现状

1．2．2 水力压裂研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 研究的主要内容以及技术路线

1．4．1 研究的主要内容

1．4．2 技术路线

2 水力压裂增透理论研究

2．1 水力压裂卸压增透机理研究

2．2 大直径钻孔卸压增透机理研究

2．3 钻孔围岩任一点的应力研究

2．4 水力压裂过程的分析

2．5 本章小结

3 基于RFPA的水力压裂数值模拟

3．1 模型的构建

3．2 数值模拟结果分析

3．3 本章小结

4 水力压裂增透工艺

4．1 矿井概述

4．1．1 井田地理位置

4．1．2 新庄孜矿煤层群赋存状况

4．2 试验煤层概况

4．3 煤层底板巷加固

4．4 设备选型与工艺流程

4．4．1 水力压裂设备选型

4．4．2 水力压裂工艺流程

4．5 现场水力压裂试验

4．5．1 水力压裂实施方案

4．5．2 钻孔的布置

4．5．3 水力压裂工艺参数

4．5．4 压裂孔及辅助孔封孔工艺

4．6 水力压裂过程及分析

4．6．1 1#压裂孔水力压裂过程及分析

4．6．2 2#压裂孔水力压裂过程及分析

4．6．3 3#压裂孔水力压裂过程及分析

4．6．4 4#压裂孔水力压裂过程及分析

4．6．5 5#压裂孔水力压裂过程及分析

4．7 本章小结

5 水力压裂试验效果分析

5．1 原始瓦斯参数考察

5．2 压裂半径的考察

5．3 水力压裂效果考察

5．3．1 水力压裂后瓦斯压力测定

5．3．2 透气性系数计算

5．3．3 抽采效果考察

5．3．4 压裂后煤层瓦斯相关参数测试

5．4 安全技术措施

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果