构造煤层掘进工作面区域性顺层水力造穴强化瓦斯抽采机制与工程应用
发布时间：2020-12-20 15:34
我国含煤地层在成煤之后经历了多期强烈的地质构造运动。在构造应力作用下,煤体不断发生挤压、剪切、碎粒和揉皱等变形,其原生结构被破坏,导致构造煤广泛发育。构造煤层往往具有高地应力、高瓦斯、低力学强度和低渗透率特征,瓦斯抽采难度大,煤与瓦斯突出灾害严重。本文针对构造煤层掘进工作面煤与瓦斯突出防治和瓦斯抽采难题,以阳泉矿区新景矿、寺家庄矿和新元矿三个典型突出矿井为研究对象,通过理论分析、实验室实验和现场试验相结合的研究方法对阳泉矿区构造煤演化及突出灾害特征、构造煤体力学和渗透特性以及构造煤孔隙特征和瓦斯吸附解吸动力学特性进行了系统性研究,获得了构造煤的高效增透‐增扩‐增流途径,在此基础上提出了区域性顺层水力造穴瓦斯抽采技术,并采用数值分析方法揭示了区域性顺层水力造穴的强化瓦斯抽采机制,最后构建了钻冲一体化水力造穴技术体系,对造穴参数进行了优化,进而对新技术的瓦斯抽采效果和抽采成本进行了现场考察。本文的主要研究结论如下:1)阳泉矿区含煤地层在成煤之后主要经历了三期地质构造运动,导致褶皱构造广泛发育并相互叠加。在此过程中,含煤地层内水平应力可达垂向应力的1.42.0倍,构造煤...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：206 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
016年中国能源结构和世界主要产煤国煤炭产量占比情况[3]
博士学位论文2图1-2我国构造煤分布情况[5]Figure1-2DistributionoftectoniccoalinChina刘春等[7]进一步对全国重点煤炭企业的典型突出矿井进行了统计。根据其统计结果，在301个矿井中，有160个矿井内有构造煤发育，构造煤发育概率高达53.16%。构造煤的广泛发育使得我国煤层的瓦斯抽采非常困难。首先，构造煤具有更低的渗透率[5]。图1-3为当前主要煤层气生产盆地的渗透率数据[5]。一般认为这些盆地含煤地层所遭受的构造运动较弱，因此可以将图中的渗透率数据当作原生煤的渗透率。从图中可以看出，原生煤的渗透率一般在1.678×10-15m2以上。在国外的Sanjuan盆地和Bowen盆地中，煤层的渗透率甚至高达9.87×10-14m2以上。图1-4为我国构造煤发育矿区的井下渗透率实测数据[5]。从图中可以看出，构造煤的渗透率普遍低于1.0×10-14m2。对比图1-3和1-4中的渗透率数据可知，构造煤的渗透率一般比原生煤低1~2个数量级，这也与当前的普遍认知相吻合。此外，构造煤瓦斯抽采的困难还体现在钻孔的施工方面。前人的研究结果表明，
1绪论3与原生煤相比，构造煤通常具有更低的力学强度，更高的瓦斯压力/含量，并处于更高的地应力环境中[8]。因此，在构造煤中施工瓦斯抽采钻孔的过程中，常常会发生喷孔、顶钻、卡钻等瓦斯动力现象，对钻孔的正常施工造成了极大的阻碍[7,9,10]。图1-3原生煤渗透率测定结果[5]Figure1-3Permeabilitydeterminationresultsinintactcoal图1-4构造煤渗透率测定结果[5]Figure1-4Permeabilitydeterminationresultsintectoniccoal鉴于构造煤瓦斯抽采难度较大，因此在构造煤发育区域煤与瓦斯突出事故频发。表1-1中统计了近年来我国煤与瓦斯突出事故中突出点附近煤体的坚固性系数[8]。从表中可以看出，突出点附近煤体的坚固性系数均低于0.5。同时，就突出事故的发生地点而言，一般以掘进工作面居多。一方面，这是因为巷道掘进过程中很难精准地掌握其前方煤体内小构造的发育情况，如果瓦斯抽采结果稍有不足，遇到小构造时便可发生煤与瓦斯突出事故；另一方面，这也是因为不少矿井存在着采掘接替困难，从而人为缩短瓦斯抽采时间所造成的。因此，为了确保构造煤层的安全高效回采以及我国的能源安全，就必须设法实现其掘进工作面的瓦斯高效抽采。此外，瓦斯气体同样是一种清洁能源，但也是一种比CO2更为严重的温
【参考文献】：
期刊论文
[1]低透气性煤层顺层密集钻孔抽采及并管提压系统研究[J]. 谢生荣,杨波,张晴,宋海政,索海翔,张涛. 矿业科学学报. 2019(01)
[2]山西沁水盆地现今地应力特征[J]. 房璐,王硕,徐珂,张效恭. 断块油气田. 2018(04)
[3]Calculation method of proppant embedment depth in hydraulic fracturing[J]. CHEN Ming,ZHANG Shicheng,LIU Ming,MA Xinfang,ZOU Yushi,ZHOU Tong,LI Ning,LI Sihai. Petroleum Exploration and Development. 2018(01)
[4]煤巷工作面突出预测钻孔动力现象演化机制及关联性探讨[J]. 王超杰,杨胜强,蒋承林,杨丁丁,李晓伟. 煤炭学报. 2017(09)
[5]3D numerical simulation of boreholes for gas drainage based on the pore–fracture dual media[J]. Wei Jianping,Li Bo,Wang Kai,Sun Donghui. International Journal of Mining Science and Technology. 2016(04)
[6]低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附特性影响的试验研究[J]. 林海飞,蔚文斌,李树刚,成连华. 煤炭科学技术. 2016(06)
[7]平顶山矿区原生结构煤和构造煤孔渗实验对比[J]. 郭德勇,李春娇,张友谊. 地球科学(中国地质大学学报). 2014(11)
[8]煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析[J]. 王兆丰,武炜. 煤炭科学技术. 2014(06)
[9]水力冲孔在夹矸低透气性煤层中的应用[J]. 刘永江,戴广龙,聂凯强. 煤炭技术. 2014(06)
[10]煤矿瓦斯抽采钻孔封孔聚氨酯材料研究进展[J]. 李国法,郑化安,付东升,雷瑞,孙欣新,袁聪,蒋里锋. 洁净煤技术. 2014(02)
博士论文
[1]构造煤表观物理结构及煤与瓦斯突出层裂发展机制研究[D]. 涂庆毅.中国矿业大学 2019
[2]复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽采方法研究[D]. 张荣.中国矿业大学 2019
[3]基于等效物理结构的煤体瓦斯扩散特性及应用[D]. 董骏.中国矿业大学 2018
[4]煤与瓦斯突出过程中高压粉煤—瓦斯两相流形成机制及致灾特征研究[D]. 金侃.中国矿业大学 2017
[5]煤-气-水耦合作用下低阶烟煤力学损伤及渗透率演化机制研究[D]. 陈明义.中国矿业大学 2017
[6]基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用[D]. 卢守青.中国矿业大学 2016
[7]多重应力路径下双重孔隙煤体损伤扩容及渗透性演化机制与应用[D]. 刘清泉.中国矿业大学 2015
[8]高压旋转水射流破煤及其冲孔造穴卸压增透机制与应用[D]. 王伟.中国矿业大学 2016
[9]松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础[D]. 刘春.中国矿业大学 2014
[10]基于多物理场耦合的瓦斯抽采参数优化研究[D]. 郝富昌.中国矿业大学(北京) 2012
硕士论文
[1]不含瓦斯型煤渗吸高度及影响因素研究[D]. 岳基伟.河南理工大学 2017
[2]阳泉新景煤矿褶皱构造发育规律及其对瓦斯赋存的控制[D]. 史南南.中国矿业大学 2016
[3]阳泉新景煤矿矿井构造特征及其形成机制[D]. 李磊.中国矿业大学 2015
[4]水平井水力喷射分段压裂工艺研究[D]. 李楠.西安石油大学 2015
[5]穿层钻孔煤或瓦斯喷出机理及防治关键技术研究[D]. 郑春山.中国矿业大学 2014
[6]山西沁水盆地东缘太行大断裂构造变形特征及成因探讨[D]. 刘超.南京大学 2011
[7]淮南矿区水力冲孔技术参数优化及效果考察研究[D]. 刘国俊.河南理工大学 2011
[8]力热耦合作用下含瓦斯煤力学特性与渗流特性的实验研究[D]. 张丹丹.重庆大学 2011
[9]本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[D]. 张国华.辽宁工程技术大学 2004
本文编号：2928114
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：206 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
016年中国能源结构和世界主要产煤国煤炭产量占比情况[3]
博士学位论文2图1-2我国构造煤分布情况[5]Figure1-2DistributionoftectoniccoalinChina刘春等[7]进一步对全国重点煤炭企业的典型突出矿井进行了统计。根据其统计结果，在301个矿井中，有160个矿井内有构造煤发育，构造煤发育概率高达53.16%。构造煤的广泛发育使得我国煤层的瓦斯抽采非常困难。首先，构造煤具有更低的渗透率[5]。图1-3为当前主要煤层气生产盆地的渗透率数据[5]。一般认为这些盆地含煤地层所遭受的构造运动较弱，因此可以将图中的渗透率数据当作原生煤的渗透率。从图中可以看出，原生煤的渗透率一般在1.678×10-15m2以上。在国外的Sanjuan盆地和Bowen盆地中，煤层的渗透率甚至高达9.87×10-14m2以上。图1-4为我国构造煤发育矿区的井下渗透率实测数据[5]。从图中可以看出，构造煤的渗透率普遍低于1.0×10-14m2。对比图1-3和1-4中的渗透率数据可知，构造煤的渗透率一般比原生煤低1~2个数量级，这也与当前的普遍认知相吻合。此外，构造煤瓦斯抽采的困难还体现在钻孔的施工方面。前人的研究结果表明，
1绪论3与原生煤相比，构造煤通常具有更低的力学强度，更高的瓦斯压力/含量，并处于更高的地应力环境中[8]。因此，在构造煤中施工瓦斯抽采钻孔的过程中，常常会发生喷孔、顶钻、卡钻等瓦斯动力现象，对钻孔的正常施工造成了极大的阻碍[7,9,10]。图1-3原生煤渗透率测定结果[5]Figure1-3Permeabilitydeterminationresultsinintactcoal图1-4构造煤渗透率测定结果[5]Figure1-4Permeabilitydeterminationresultsintectoniccoal鉴于构造煤瓦斯抽采难度较大，因此在构造煤发育区域煤与瓦斯突出事故频发。表1-1中统计了近年来我国煤与瓦斯突出事故中突出点附近煤体的坚固性系数[8]。从表中可以看出，突出点附近煤体的坚固性系数均低于0.5。同时，就突出事故的发生地点而言，一般以掘进工作面居多。一方面，这是因为巷道掘进过程中很难精准地掌握其前方煤体内小构造的发育情况，如果瓦斯抽采结果稍有不足，遇到小构造时便可发生煤与瓦斯突出事故；另一方面，这也是因为不少矿井存在着采掘接替困难，从而人为缩短瓦斯抽采时间所造成的。因此，为了确保构造煤层的安全高效回采以及我国的能源安全，就必须设法实现其掘进工作面的瓦斯高效抽采。此外，瓦斯气体同样是一种清洁能源，但也是一种比CO2更为严重的温
【参考文献】：
期刊论文
[1]低透气性煤层顺层密集钻孔抽采及并管提压系统研究[J]. 谢生荣,杨波,张晴,宋海政,索海翔,张涛. 矿业科学学报. 2019(01)
[2]山西沁水盆地现今地应力特征[J]. 房璐,王硕,徐珂,张效恭. 断块油气田. 2018(04)
[3]Calculation method of proppant embedment depth in hydraulic fracturing[J]. CHEN Ming,ZHANG Shicheng,LIU Ming,MA Xinfang,ZOU Yushi,ZHOU Tong,LI Ning,LI Sihai. Petroleum Exploration and Development. 2018(01)
[4]煤巷工作面突出预测钻孔动力现象演化机制及关联性探讨[J]. 王超杰,杨胜强,蒋承林,杨丁丁,李晓伟. 煤炭学报. 2017(09)
[5]3D numerical simulation of boreholes for gas drainage based on the pore–fracture dual media[J]. Wei Jianping,Li Bo,Wang Kai,Sun Donghui. International Journal of Mining Science and Technology. 2016(04)
[6]低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附特性影响的试验研究[J]. 林海飞,蔚文斌,李树刚,成连华. 煤炭科学技术. 2016(06)
[7]平顶山矿区原生结构煤和构造煤孔渗实验对比[J]. 郭德勇,李春娇,张友谊. 地球科学(中国地质大学学报). 2014(11)
[8]煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析[J]. 王兆丰,武炜. 煤炭科学技术. 2014(06)
[9]水力冲孔在夹矸低透气性煤层中的应用[J]. 刘永江,戴广龙,聂凯强. 煤炭技术. 2014(06)
[10]煤矿瓦斯抽采钻孔封孔聚氨酯材料研究进展[J]. 李国法,郑化安,付东升,雷瑞,孙欣新,袁聪,蒋里锋. 洁净煤技术. 2014(02)
博士论文
[1]构造煤表观物理结构及煤与瓦斯突出层裂发展机制研究[D]. 涂庆毅.中国矿业大学 2019
[2]复合煤层水力冲孔卸压增透机制及高效瓦斯抽采方法研究[D]. 张荣.中国矿业大学 2019
[3]基于等效物理结构的煤体瓦斯扩散特性及应用[D]. 董骏.中国矿业大学 2018
[4]煤与瓦斯突出过程中高压粉煤—瓦斯两相流形成机制及致灾特征研究[D]. 金侃.中国矿业大学 2017
[5]煤-气-水耦合作用下低阶烟煤力学损伤及渗透率演化机制研究[D]. 陈明义.中国矿业大学 2017
[6]基于等效基质尺度的煤体力学失稳及渗透性演化机制与应用[D]. 卢守青.中国矿业大学 2016
[7]多重应力路径下双重孔隙煤体损伤扩容及渗透性演化机制与应用[D]. 刘清泉.中国矿业大学 2015
[8]高压旋转水射流破煤及其冲孔造穴卸压增透机制与应用[D]. 王伟.中国矿业大学 2016
[9]松软煤层瓦斯抽采钻孔塌孔失效特性及控制技术基础[D]. 刘春.中国矿业大学 2014
[10]基于多物理场耦合的瓦斯抽采参数优化研究[D]. 郝富昌.中国矿业大学(北京) 2012
硕士论文
[1]不含瓦斯型煤渗吸高度及影响因素研究[D]. 岳基伟.河南理工大学 2017
[2]阳泉新景煤矿褶皱构造发育规律及其对瓦斯赋存的控制[D]. 史南南.中国矿业大学 2016
[3]阳泉新景煤矿矿井构造特征及其形成机制[D]. 李磊.中国矿业大学 2015
[4]水平井水力喷射分段压裂工艺研究[D]. 李楠.西安石油大学 2015
[5]穿层钻孔煤或瓦斯喷出机理及防治关键技术研究[D]. 郑春山.中国矿业大学 2014
[6]山西沁水盆地东缘太行大断裂构造变形特征及成因探讨[D]. 刘超.南京大学 2011
[7]淮南矿区水力冲孔技术参数优化及效果考察研究[D]. 刘国俊.河南理工大学 2011
[8]力热耦合作用下含瓦斯煤力学特性与渗流特性的实验研究[D]. 张丹丹.重庆大学 2011
[9]本煤层水力压裂致裂机理及裂隙发展过程研究[D]. 张国华.辽宁工程技术大学 2004
本文编号：2928114
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/2928114.html
