《深部煤层“强化增透-高效抽采”一体化关键技术及工程应用》

瓦斯(煤层气)是煤的伴生物,是煤矿主要灾害源,也是不可再生洁净能源和强温室效应气体。中国高瓦斯突出矿井占51%,国家规定:高瓦斯矿井必须先抽瓦斯后采煤。但是,中国煤层具有地质构造复杂、微孔隙、高吸附、低渗透的特点,平均开采深度650m,并且每年还以20-50m的速度向深部延深,深部煤层高瓦斯、高地应力、低透气性特征日益显现,常规钻孔抽采瓦斯钻孔卸压范围小、效率低、效果差,抽出瓦斯浓度低,难以资源化利用。

项目团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金、企业委托等项目支持下,以深部高瓦斯低渗透煤层强化增透和高效抽采为主线,采用理论攻关、试验探索、工程实践等方式取得了一系列面向工程应用的创新性技术、发明专利以及高水平论文等科研成果,形成了深部煤层“强化增透-高效抽采”机制及一体化关键技术。主要科技成果如下:

(1)提出了研究多孔介质孔隙-渗流耦合作用机制新方法。运用高分辨率显微CT成像技术,结合三维可视化软件AVIZO中内置的数学算法,提出了煤孔-裂隙结构定量表征方法,建立了煤三维孔-裂隙结构模型和具有拓扑结构的孔隙网络简化模型,揭示了煤孔隙度、渗透率与体积分形维数之间的数量关系;基于Navier-Stokes控制方程的ALE算法,建立了反映动态渗流过程的流固耦合模型,为研究多孔介质孔隙-渗流耦合作用机制提供了新的平台。

(2)揭示了煤体注水“损伤-渗流-驱气”的动力学特征。研发了深部煤体水压致裂增透-润湿动态实验系统,实现了加载控制装置边界效应的消除、各向异性渗流全密封和渗流性能的动态检测;分析了实验围压和孔隙水压对煤体结构损伤和渗流特性的影响规律,基于分形几何理论构建了渗透率的分形模型,建立了含瓦斯煤层注水的非线性渗流动力学模型,揭示了煤体注水驱气动力学特性。

(3)研制了解除水锁损害的复合酸化压裂液添加剂,提出了解锁评价方法。揭示了煤岩水力增透后期水锁损害效应机理及其影响因素,研发了适用于煤层特征的环保、清洁、高效型复合酸化压裂液添加剂,提出了采用NMR新技术考察压裂液解除水锁损害效果的评价方法。

(4)研发了煤层“钻-割-封-压-抽”融合增透一体化关键技术及装备。发明了预裂与高压注水相结合的煤层弱化增透技术,将高压水力割缝与高压注水技术相结合,精确确定了水射流割缝间距和合理封孔长度,提出了深部煤层“钻-割-封-压-抽”融合增透一体化技术,研发了关键技术装备。

经中国职业安全健康协会和中国煤炭工业协会组织多位专家评审,项目成果达到国际先进水平,获得国家授权发明专利11项;发表核心期刊以上学术论文80余篇,其中SCI收录16篇,EI收录10篇;培养博士研究生5名,硕士研究生36名。研究成果已应用于山能集团、兖矿集团、陕西正通煤业有限公司等三十多个矿井,近三年共新增销售额68914万元,新增利税32120万元,经济和社会效果显著,有力地推动了中国矿山安全生产的科技进步,在深部煤层瓦斯高效抽采与利用领域起到了重要的引领和示范作用,也将为山东省新旧动能转换提供重要支撑。

成果说明

该项目研究成果自2012年以来已在山东、山西等地区的多个矿井进行了工程实践及现场应用。现选择五个具有代表性的矿井(唐口煤矿、梁宝寺煤矿、高家堡煤矿、亭南煤矿、赵官煤矿)概述其应用情况。 唐口煤矿630采区3煤层的瓦斯赋存具有不均衡性,煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量的变化大,综放工作面的瓦斯涌出量为15.07m3/min,必须进行瓦斯抽采。本项目“钻-割-封-压-抽”融合增透一体化技术在唐口煤矿进行了应用,提高了煤层透气性,瓦斯抽采流量提高10倍以上,保障了工作面安全回采1212m,累计

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