《构造煤瓦斯动态运移规律及其配套抽采技术》

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华北板块煤田构造软煤发育,瓦斯富集,是中国煤矿瓦斯灾害防治重点区域之一,也是煤层气开发的主要靶区之一。但由于该区煤质松软、开采深度大、瓦斯含量高,透气性低,一直是煤层气开发和煤矿瓦斯灾害防治的重点和难点。而松软煤层的瓦斯含量测定误差大、效率低和瓦斯抽采效率低、抽采量衰减快是困扰以上难题解决的两个关键瓶颈问题。针对以上问题,基于气体在多孔介质的运移理论,开展了构造煤瓦斯动态运移规律及其强化抽采技术研究,解决了构造软煤瓦斯含量测定误差大、效率低和透气性低、瓦斯抽采量衰减快的难题。主要科技创新成果有:

1)揭示了华北板块构造煤发育的层域分布规律和机理,建立了煤全孔径孔隙结构差异测定方法,查明了典型软硬煤孔隙结构和力学特征等物性差异及其对瓦斯运移的影响。

2)构建了适合统一描述软、硬煤的煤粒和煤柱瓦斯动态扩散的物理和数学模型,研发了基于瓦斯动态扩散规律的瓦斯含量快速测定技术。

3)研发了基于渗透率时空变化规律的“一孔多措”动态煤层瓦斯卸压增透强化抽采技术,即分阶段采取中低压水射流切割构造煤掏槽、多次冲孔、注气增压驱气等工程技术措施与瓦斯抽采措施集成技术。

该项目在构造软煤瓦斯动态运移理论及强化抽采技术和装备方面取得了较大突破,形成了自主知识产权的构造软煤快速消突先进技术体系及装备,整体技术达到国际先进水平。

项目取得的技术指标如下:煤层瓦斯含量测定时间由原来的36小时/个,降到3小时/个,相对误差5%以内;由于构造软煤本身具有较强的塑性,在钻孔成孔及水力冲孔后,将产生动态蠕变变形,进而影响渗透率的动态演化。因此,建立了渗透率动态变化模型,计算了在抽采条件下,距离抽采钻孔不同距离,不同时间的瓦斯压力场分布,经检验与现场数据基本吻合;实施了“一孔多措”强化抽采措施后,煤层渗透性提高了50倍以上,煤层透气性衰减系数降到一半以下,瓦斯抽采率从措施前的30%提高到了58.6%,效果检验煤层瓦斯含量均降到6m3/t以下,巷道掘进速度达到100m/mon以上。

研究成果在义马、郑州、平顶山和淮南等构造煤发育的典型矿区应用效果表明,显著提高了煤层气(煤矿瓦斯)抽采和效果评价效率,在保障煤矿安全生产的前提下,提高了煤矿的采掘速度,节约了人工费、局部通风费、排水费、巷道维护费、掘进施工费等;提高了采掘出煤量,3年内确保矿井安全采出2000余万吨煤,新增销售额20余亿元,新增利润3.2亿元。研究成果的应用,显著提高了煤层气开发效率,保障了矿井的采掘接替,高效消除了工作面突出危险性,杜绝了采掘过程中瓦斯超限事故的发生,促进了煤矿的绿色开采和环境保护,取得了显著的社会效益。

研究成果获得授权专利10项,其中授权发明专利7项,实用新型专利3项;出版专著2部,发表学术论文21篇,其中SCI收录2篇、EI收录14篇,培养博士、硕士12。

成果说明

形成的研究成果,通过在河南省典型“三软”煤层高瓦斯、突出矿井-义马新安煤矿、郑州杨河煤业,平顶山十矿和安徽省淮南矿区潘四东煤矿等构造煤发育矿区应用,煤层透气性提高50倍以上,煤层气(煤矿瓦斯)抽采量和抽采效率显著提高了50%以上,缩短区域效果检验时间至原耗时的40%以下,推进了煤炭绿色开采,在保障煤矿安全生产的前提下,提高了煤矿的采掘速度,节约了人工费、局部通风费、排水费、巷道维护费、掘进施工费;提高了采掘出煤量,累计产生经济效益3亿元以上。

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