突出煤层穿层钻孔诱导喷孔孔群增透机理及其在瓦斯抽采中的应用
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摘要
本文利用弹性力学、损伤力学、渗流力学和矿井瓦斯防治等相关理论,通过理论分析、数值模拟、现场试验和现场工业性试验等研究手段,系统研究了钻孔喷孔的力学作用机理及其控制诱导技术、孔洞周围煤体应力分布及裂隙发育特征、钻孔喷孔孔群增透方法与增透机理以及孔群增透范围内的瓦斯流动模式。研究成果消除了钻孔喷孔的不利影响,提高了孔群范围煤体的透气性,为突出煤层瓦斯抽采增透增流提供了一条新途径。本文的主要研究成果及结论如下:
钻孔喷孔属于煤与瓦斯突出的范畴,钻孔快速钻进或破裂区内煤体的失稳抛出使富含高压瓦斯的煤体突然暴露,地应力和瓦斯压力破坏、粉碎、抛出煤体,发动突出;突出的瓦斯急剧膨胀,推动、加速突出物向孔外运移,高速冲出孔口,形成喷孔。钻孔喷孔的控制可通过留设10m以上的安全岩柱、在孔外安装导喷系统以及改进喷孔时的钻进工艺来实现。钻孔喷孔的诱导可通过增大钻进水压(10～15MPa)、增大钻孔直径(90～100mm为宜)来实现。
获得了喷孔孔洞周围煤体的移动变形及应力分布规律。喷孔孔洞形成后,周围煤体向孔洞中心方向位移,距离孔洞越近,位移越大;距离孔洞越远,位移越小。喷孔孔洞周围形成破裂区,其范围随着孔洞半径、煤层埋藏深度以及煤层厚度的增大而增大,卸压质量比(喷出煤体的质量与卸压范围煤体的质量之比)随着孔洞半径的增加而增加。
提出了“诱导喷孔孔群增透方法”,该方法是在原底板穿层钻孔孔群布置基础上,应用喷孔控制诱导技术,诱导钻孔喷孔,排出煤体,形成若干个喷孔孔洞;煤体喷出,孔群范围剩余煤体流变、卸压、膨胀,裂隙扩展贯通、膨胀扩容,煤体透气性可增加近300倍。在此基础上,提出了“结合水力破裂的诱导喷孔孔群增透方法”,该方法将钻孔喷孔与水力破裂配合使用,喷孔形成自由面,水力破裂促使煤层裂隙张开、扩展、贯通,形成宏观裂缝通道,排出煤体;裂隙水疏干,应力的降低和煤体的排出使得裂隙系统维持开启状态,煤体透气性增加;然后再补充一定数量的抽采钻孔,可获得良好的瓦斯抽采效果。预计钻孔工程量可减少50%以上,孔群范围煤体透气性可增加几百倍。
诱导喷孔孔群增透范围煤体内大量的裂隙、裂缝如同是扩展了的抽采钻孔,这些“小尺度钻孔”深入煤体内部,抽采过程中处于负压状态,周围小区域内的瓦斯不断向其内部流动,最后汇集到钻孔中,瓦斯流动模式发生了根本性的改变。透气性的增加和瓦斯流动模式的改变为瓦斯抽采增流准备了条件。祁南煤矿水力诱导钻孔喷孔孔群增透及瓦斯抽采的现场试验表明,该技术的应用提高煤体的透气性55.6～292.7倍,平均提高152.6倍;单孔平均瓦斯流量提高4倍,瓦斯抽采时间缩短为4个月,钻孔钻进效率提高1倍以上,煤巷掘进速度达200m/月,煤层增透、抽采及消突效果显著。
Based on theories of the elasticity mechanics, damage mechanics, seepage mechanics and coal gas control, using theory analysis, field test, numerical Simulation and field application, the paper studies on mechanical mechanism of borehole blowout and its control and inducement technology,stress distribution and fracture development of borehole cavern,permeability-increasing theory and technology of array blowout-inducing boreholes,and gas flow model in the permeability-increasing area. The research provides a new way for gas drainage in low permeability coal seams.
Boreholes blowout belongs to coal and gas outburst. Coal with high pressure gas exposes because of borehole drilling rapidly or instability coal throwing-out from rupture zone. Ground stress and gas pressure make coal failure, grinding, throwing-out, and outburst starts. The rapid expansion of outburst gas makes the outburst coal and the water running out borehole with high speed, which is borehole blowout. Blowout can be controlled by setting safety rock pillar over 10m, installing blowout-leading system in orifice and improving drilling process. Blowout can be induced by increasing water pressure in drilling(10~15MPa) and enlarging the borehole diameter(90～100mm).
The displacement and stress distribution law around the blowout borehole is analyzed. The surrounding coal of blowout cavern moving toward to the cavern centre, and the displacement value becomes smaller with the increasing of distance to the hole. A relief area is formed surrounding blowout cavern, which size is proportional to the radius of cavern, the embedding depth and thickness of coal seams. The relief mass ratio, which is mass ratio of blowout coal and the coal within relief area, becomes larger with the increasing of the blowout cavern.
Based on the original layout plan of array crossing borehole, a permeability-increasing method using array blowout-inducing boreholes is proposed. Using blowout control and inducement technology, several borehole blowout was induced and a few coal was blow out from borehole. The remaining coal around array boreholes creeps, unloads press and expands, fractures sprout, extend, coalesce and dilate, and coal permeability can increase nearly 300 times. Based on this, a permeability-increasing technology using array blowout-inducing boreholes combining hydraulic fracturing is also proposed. In this technology, borehole blowout provides free surface, hydraulic fracturing forces coal fracture open, extend and coalesce and forms great cracks to connect boreholes. Water in fractures is discharged, fractures can keep open state because of stress reducing and coal blowout, and coal permeability increases. Furthermore, some supplement boreholes are needed for gas drainage. It is estimated that this technology can reduce more than 50% drilling work quantities and coal permeability can improve sever hundred times.
The gas flow model of coal with array blowout-inducing boreholes changes fundamentally, fractures just likes extending boreholes and they keep negative pressure in gas drainage. So, gas in the coal flows into these extending boreholes and is sucked to real borehole. Permeability increasing and gas flow model changing improves gas flow rate. By the permeability-increasing and gas drainage test of the technology in Huaibei Qinan coal mine, coal permeability coefficient increased 55.6 to 292.7 times and 152.6 times in average, gas flow increased 4 times, gas drainage time shortened to 4 months, borehole drilling efficiency improved more than one times and the driving speed in coal entray increased to 200m per month.
钻孔喷孔属于煤与瓦斯突出的范畴,钻孔快速钻进或破裂区内煤体的失稳抛出使富含高压瓦斯的煤体突然暴露,地应力和瓦斯压力破坏、粉碎、抛出煤体,发动突出;突出的瓦斯急剧膨胀,推动、加速突出物向孔外运移,高速冲出孔口,形成喷孔。钻孔喷孔的控制可通过留设10m以上的安全岩柱、在孔外安装导喷系统以及改进喷孔时的钻进工艺来实现。钻孔喷孔的诱导可通过增大钻进水压(10～15MPa)、增大钻孔直径(90～100mm为宜)来实现。
获得了喷孔孔洞周围煤体的移动变形及应力分布规律。喷孔孔洞形成后,周围煤体向孔洞中心方向位移,距离孔洞越近,位移越大;距离孔洞越远,位移越小。喷孔孔洞周围形成破裂区,其范围随着孔洞半径、煤层埋藏深度以及煤层厚度的增大而增大,卸压质量比(喷出煤体的质量与卸压范围煤体的质量之比)随着孔洞半径的增加而增加。
提出了“诱导喷孔孔群增透方法”,该方法是在原底板穿层钻孔孔群布置基础上,应用喷孔控制诱导技术,诱导钻孔喷孔,排出煤体,形成若干个喷孔孔洞;煤体喷出,孔群范围剩余煤体流变、卸压、膨胀,裂隙扩展贯通、膨胀扩容,煤体透气性可增加近300倍。在此基础上,提出了“结合水力破裂的诱导喷孔孔群增透方法”,该方法将钻孔喷孔与水力破裂配合使用,喷孔形成自由面,水力破裂促使煤层裂隙张开、扩展、贯通,形成宏观裂缝通道,排出煤体;裂隙水疏干,应力的降低和煤体的排出使得裂隙系统维持开启状态,煤体透气性增加;然后再补充一定数量的抽采钻孔,可获得良好的瓦斯抽采效果。预计钻孔工程量可减少50%以上,孔群范围煤体透气性可增加几百倍。
诱导喷孔孔群增透范围煤体内大量的裂隙、裂缝如同是扩展了的抽采钻孔,这些“小尺度钻孔”深入煤体内部,抽采过程中处于负压状态,周围小区域内的瓦斯不断向其内部流动,最后汇集到钻孔中,瓦斯流动模式发生了根本性的改变。透气性的增加和瓦斯流动模式的改变为瓦斯抽采增流准备了条件。祁南煤矿水力诱导钻孔喷孔孔群增透及瓦斯抽采的现场试验表明,该技术的应用提高煤体的透气性55.6～292.7倍,平均提高152.6倍;单孔平均瓦斯流量提高4倍,瓦斯抽采时间缩短为4个月,钻孔钻进效率提高1倍以上,煤巷掘进速度达200m/月,煤层增透、抽采及消突效果显著。
Based on theories of the elasticity mechanics, damage mechanics, seepage mechanics and coal gas control, using theory analysis, field test, numerical Simulation and field application, the paper studies on mechanical mechanism of borehole blowout and its control and inducement technology,stress distribution and fracture development of borehole cavern,permeability-increasing theory and technology of array blowout-inducing boreholes,and gas flow model in the permeability-increasing area. The research provides a new way for gas drainage in low permeability coal seams.
Boreholes blowout belongs to coal and gas outburst. Coal with high pressure gas exposes because of borehole drilling rapidly or instability coal throwing-out from rupture zone. Ground stress and gas pressure make coal failure, grinding, throwing-out, and outburst starts. The rapid expansion of outburst gas makes the outburst coal and the water running out borehole with high speed, which is borehole blowout. Blowout can be controlled by setting safety rock pillar over 10m, installing blowout-leading system in orifice and improving drilling process. Blowout can be induced by increasing water pressure in drilling(10~15MPa) and enlarging the borehole diameter(90～100mm).
The displacement and stress distribution law around the blowout borehole is analyzed. The surrounding coal of blowout cavern moving toward to the cavern centre, and the displacement value becomes smaller with the increasing of distance to the hole. A relief area is formed surrounding blowout cavern, which size is proportional to the radius of cavern, the embedding depth and thickness of coal seams. The relief mass ratio, which is mass ratio of blowout coal and the coal within relief area, becomes larger with the increasing of the blowout cavern.
Based on the original layout plan of array crossing borehole, a permeability-increasing method using array blowout-inducing boreholes is proposed. Using blowout control and inducement technology, several borehole blowout was induced and a few coal was blow out from borehole. The remaining coal around array boreholes creeps, unloads press and expands, fractures sprout, extend, coalesce and dilate, and coal permeability can increase nearly 300 times. Based on this, a permeability-increasing technology using array blowout-inducing boreholes combining hydraulic fracturing is also proposed. In this technology, borehole blowout provides free surface, hydraulic fracturing forces coal fracture open, extend and coalesce and forms great cracks to connect boreholes. Water in fractures is discharged, fractures can keep open state because of stress reducing and coal blowout, and coal permeability increases. Furthermore, some supplement boreholes are needed for gas drainage. It is estimated that this technology can reduce more than 50% drilling work quantities and coal permeability can improve sever hundred times.
The gas flow model of coal with array blowout-inducing boreholes changes fundamentally, fractures just likes extending boreholes and they keep negative pressure in gas drainage. So, gas in the coal flows into these extending boreholes and is sucked to real borehole. Permeability increasing and gas flow model changing improves gas flow rate. By the permeability-increasing and gas drainage test of the technology in Huaibei Qinan coal mine, coal permeability coefficient increased 55.6 to 292.7 times and 152.6 times in average, gas flow increased 4 times, gas drainage time shortened to 4 months, borehole drilling efficiency improved more than one times and the driving speed in coal entray increased to 200m per month.
引文
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