留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

杨百舸 张军胜 令狐建设 曹运兴

杨百舸, 张军胜, 令狐建设, 曹运兴. 突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术[J]. 煤田地质与勘探, 2021, 49(3): 85-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.03.011
引用本文: 杨百舸, 张军胜, 令狐建设, 曹运兴. 突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术[J]. 煤田地质与勘探, 2021, 49(3): 85-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.03.011
YANG Baige, ZHANG Junsheng, LINGHU Jianshe, CAO Yunxing. An advanced CO2 gas-phase fracturing technology for efficient methane drainage, outburst prevention and excavation in outburst coal seam[J]. COAL GEOLOGY & EXPLORATION, 2021, 49(3): 85-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.03.011
Citation: YANG Baige, ZHANG Junsheng, LINGHU Jianshe, CAO Yunxing. An advanced CO2 gas-phase fracturing technology for efficient methane drainage, outburst prevention and excavation in outburst coal seam[J]. COAL GEOLOGY & EXPLORATION, 2021, 49(3): 85-94. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.03.011

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.03.011
基金项目: 

国家科技重大专项课题 2016ZX05067006-002

详细信息
    第一作者:

    杨百舸, 1994年生, 男, 河南周口人, 硕士研究生, 专业为地质工程.E-mail: ybkybk2016@qq.com

    通信作者:

    曹运兴, 1955年生, 男, 河南平顶山人, 博士, 教授, 从事煤层气地质与开发工作.E-mail: yxcao17@126.com

  • 中图分类号: TD713

An advanced CO2 gas-phase fracturing technology for efficient methane drainage, outburst prevention and excavation in outburst coal seam

  • 摘要: 我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO2气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K1值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO2气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。

     

  • 图  CO2气相压裂装置结构

    Fig. 1  Sketch of CARDOX system

    图  新元煤矿3号煤层和顶底板综合柱状图

    Fig. 2  Stratigraphic column of No.3 coal seam and its roof and floor, Xinyuan Coal Mine

    图  新元煤矿3号煤层31002工作面工程平面图

    Fig. 3  Engineering plan of the working face 31002 of coal seam 3 in Xinyuan Coal Mine

    图  新元煤矿3层煤层31002回风巷道密集钻孔防突掘进技术风流瓦斯浓度

    Fig. 4  Methane concentration using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology in backwind roadway 31002 of No.3 coal seam in Xinyuan Coal Mine

    图  31002回风巷道气相压裂方案

    Fig. 5  CO2 gas-phase fracturing scheme of the backwind roadway 31002

    图  31002回风巷道CO2气相压裂试验后风流瓦斯浓度

    Fig. 6  Methane concentration of ventilation air flow after the CO2 gas-phase fracfuring in the backwind roadway 31002

    表  1  密集钻孔防突掘进技术抽采情况

    Table  1  Drainage situation using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology

    循环次数 打钻时间/d 抽采时间/d 瓦斯体积分数/% 日抽采量/m3
    第1循环平均 10 17 19.0 481
    第2循环平均 9 14 16.0 402
    第3循环平均 8 14 17.0 429
    平均值 9 15 17.3 437
    下载: 导出CSV

    表  2  密集钻孔防突掘进情况

    Table  2  Tunneling situation using intensive drilling and anti-outburst tunneling technology

    循环 掘进天数 K1最大值 K1平均值 卸压孔施工状况
    第1循环平均 12 0.41 0.33 1次喷孔,4次压钻
    第2循环平均 11 0.52 0.36 2次喷孔,4次压钻
    第3循环平均 11 0.57 0.35 3次喷孔,5次压钻
    平均值 11 0.35
    下载: 导出CSV

    表  3  气相压裂防突掘进技术抽采情况

    Table  3  Drainage data using CO2 gas-phase fracturing technology

    循环次数 打钻+压裂时间/d 抽采时间/d 瓦斯体积分数/% 日抽采量/m3
    第1循环平均 7 5 39.3 1 010
    第2循环平均 4 5 50.0 1 374
    第3循环平均 4 5 55.0 1 534
    平均值 5 5 48.1 1 306
    下载: 导出CSV

    表  4  气相压裂防突掘进技术掘进情况

    Table  4  Tunneling data using CO2 gas-phase fracturing technology

    循环次数 掘进天数 K1最大值 K1平均值 卸压孔施工状况
    第1循环平均 8 0.38 0.31 1次压钻
    第2循环平均 9 0.38 0.29 1次压钻
    第3循环平均 7 0.37 0.33 未发生动力现象
    平均值 8 0.31
    下载: 导出CSV

    表  5  CO2气相压裂前后绝对瓦斯涌出量对比

    Table  5  Comparison of absolute gas emission before and after CO2 gas-phase fracturing

    状态 日期 均值/(m3∙min–1) 最大值/(m3∙min–1) 方差/(m3∙min–1)
    压裂前 第一天 1.45 2.98 0.158 1
    第二天 1.56 3.70 0.610 6
    第三天 1.88 3.50 0.923 8
    压裂后 第一天 0.96 1.44 0.021 9
    第二天 0.82 1.25 0.010 7
    第三天 0.84 1.20 0.007 8
    压裂前平均值 1.63 3.39 0.564 2
    压裂后平均值 0.87 1.30 0.013 5
    压裂后对比 降低13% 降低62% 降低98%
    下载: 导出CSV

    表  6  两种防突掘进技术的主要技术参数对比

    Table  6  Comparison of the main technical parameters of two anti-outburst tunneling technologies

    瓦斯治理技术 全部时间/d 掘进时间/d 抽采时间/d 绝对瓦斯涌出量平均值/(m3∙min–1) 绝对瓦斯涌出量最大值/(m3∙min–1) K1最大值 动力现象次数 日均进尺/m
    密集钻孔技术 106 34 45 1.6 3.4 0.57 19 4.17
    气相压裂技术 54 24 15 0.9 1.3 0.38 2 6.25
    对比 节约52 d 节约10 d 节约30 d 降低0.7 降低2.1 降低0.19 减少17次 提高50%
    下载: 导出CSV
  • [1] 程远平, 付建华, 俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 采矿与安全工程学报, 2009, 26(2): 127-139.. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.02.001

    CHENG Yuanping, FU Jianhua, YU Qixiang. Development of gas extraction technology in coal mines of China[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2009, 26(2): 127-139.. doi: 10.3969/j.issn.1673-3363.2009.02.001
    [2] 于不凡, 王佑安. 煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册(修订版)[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2005.

    YU Bufan, WANG You'an. Technical manual of coal mine gas disaster prevention and utilization(revised edition)[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2005.
    [3] 胡千庭, 赵旭生. 中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议[J]. 矿业安全与环保, 2012, 39(5): 1-6.. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2012.05.001

    HU Qianting, ZHAO Xusheng. Present situation of coal and gas outburst accidents in China's coal mines and countermeasures and suggestions for their prevention[J]. Mining Safety and Environmental Protection, 2012, 39(5): 1-6.. doi: 10.3969/j.issn.1008-4495.2012.05.001
    [4] 孙炳兴, 王兆丰, 伍厚荣. 水力压裂增透技术在瓦斯抽采中的应用[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(11): 78-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201011021.htm

    SUN Bingxing, WANG Zhaofeng, WU Hourong. Hydraulic pressurized cracking and permeability improvement technology applied to gas drainage[J]. Coal Science and Technology, 2010, 38(11): 78-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201011021.htm
    [5] 宋维源, 王忠峰, 唐巨鹏. 水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用[J]. 中国安全科学学报, 2011, 21(4): 78-82.. doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2011.04.014

    SONG Weiyuan, WANG Zhongfeng, TANG Jupeng. Principle of gas extraction by increasing permeability of coal seam with hydraulic cutting and its application[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(4): 78-82.. doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2011.04.014
    [6] 刘明举, 孔留安, 郝富昌, 等. 水力冲孔技术在严重突出煤层中的应用[J]. 煤炭学报, 2005, 30(4): 451-454.. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2005.04.010

    LIU Mingju, KONG Liu'an, HAO Fuchang, et al. Application of hydraulic flushing technology in severe outburst coal[J]. Journal of China Coal Society, 2005, 30(4): 451-454.. doi: 10.3321/j.issn:0253-9993.2005.04.010
    [7] 马小涛, 李智勇, 屠洪盛, 等. 高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术[J]. 煤矿开采, 2010, 15(1): 92-93.. doi: 10.3969/j.issn.1006-6225.2010.01.033

    MA Xiaotao, LI Zhiyong, TU Hongsheng, et al. Technology of deep-hole blasting for magnifying permeability in coal seam with high methane-content and low permeability[J]. Coal Mining Technology, 2010, 15(1): 92-93.. doi: 10.3969/j.issn.1006-6225.2010.01.033
    [8] 林柏泉, 孟凡伟, 张海宾. 基于区域瓦斯治理的钻割抽一体化技术及应用[J]. 煤炭学报, 2011, 36(1): 75-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201101017.htm

    LIN Baiquan, MENG Fanwei, ZHANG Haibin. Regional gas control based on drilling-slotting-extracting integration technology[J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(1): 75-79. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201101017.htm
    [9] 杨宏民, 张铁岗, 王兆丰, 等. 煤层注氮驱替甲烷促排瓦斯的试验研究[J]. 煤炭学报, 2010, 35(5): 792-796. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201005022.htm

    YANG Hongmin, ZHANG Tiegang, WANG Zhaofeng, et al. Experimental study on technology of accelerating methane release by nitrogen injection in coalbed[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(5): 792-796. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201005022.htm
    [10] 张广云. 区域密集钻孔抽采技术在高瓦斯矿井煤巷掘进中的应用[J]. 煤矿开采, 2011, 16(6): 100-101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKKC201106033.htm

    ZHANG Guangyun. Application of methane drainage technology of regional concentrated boreholes in driving coal roadway in mine with high methane content[J]. Coal Mining Technology, 2011, 16(6): 100-101. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKKC201106033.htm
    [11] 张军胜. 高河煤矿气相压裂强化增透瓦斯快速抽采技术研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2014.

    ZHANG Junsheng. The rapid gas drainage technology reaearch on increase coal gas permeability by vapor hpase fracturing in Gaohe Coal Mine[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2014.
    [12] 周西华, 门金龙, 宋东平, 等. 煤层液态CO2爆破增透促抽瓦斯技术研究[J]. 中国安全科学学报, 2015, 25(2): 60-65. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201502012.htm

    ZHOU Xihua, MEN Jinlong, SONG Dongping, et al. Research on increasing coal seam permeability and promoting gas drainage with liquid CO2 blasting[J]. China Safety Science Journal, 2015, 25(2): 60-65. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201502012.htm
    [13] 范延昌. 新元煤矿煤巷掘进气相压裂防突技术研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2017.

    FAN Yanchang. The research on gas fracturing technology for outburst prevention in the coal roadway tunneling in Xinyuan Mine[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2017.
    [14] 朱拴成, 周海丰, 李浩荡. 二氧化碳炮处理综采工作面巷道三角区悬顶[J]. 煤矿安全, 2013, 44(8): 144-146. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKAQ201308048.htm

    ZHU Shuancheng, ZHOU Haifeng, LI Haodang. The application of carbon dioxide gun in processing hanging arch at triangle area of fully mechanized mining face roadway[J]. Safety in Coal Mines, 2013, 44(8): 144-146. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKAQ201308048.htm
    [15] 魏刚, 夏洪满, 姜凤岗, 等. 液态CO2爆破器落煤试验研究[J]. 煤矿开采, 2009, 14(1): 22-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKKC200901011.htm

    WEI Gang, XIA Hongman, JIANG Fenggang, et al. Test research on coal drop with liquid CO2 blaster[J]. Coal Mining Technology, 2009, 14(1): 22-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKKC200901011.htm
    [16] SONG Xuehang, GUO Yintong, ZHANG Jin, et al. Fracturing with carbon dioxide: From microscopic mechanism to reservoir application[J]. Joule, 2019, 3(8): 1913-1926. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119302168
    [17] 曹运兴, 田林, 范延昌, 等. 低渗煤层CO2气相压裂裂隙圈形态研究[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(6): 46-51. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201806008.htm

    CAO Yunxing, TIAN Lin, FAN Yanchang, et al. Study on cracking ring form of carbon dioxide gas phase fracturing in low permeability coal seam[J]. Coal Science and Technology, 2018, 46(6): 46-51. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTKJ201806008.htm
    [18] 翟红, 曹运兴, 傅国廷, 等. 低渗煤层气相压裂瓦斯综合治理关键技术研究与应用[R]. 焦作: 河南理工大学, 2014: 100-189.

    ZHAI Hong, CAO Yunxing, FU Guoting, et al. Research and application of CO2 fracturing for methane control in low permeability coal seam[R]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2014: 100-189.
    [19] 曹运兴, 张军胜, 田林, 等. 低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践[J]. 煤炭学报, 2017, 42(10): 2631-2641. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201710018.htm

    CAO Yunxing, ZHANG Junsheng, TIAN Lin, et al. Research and application of CO2 gas fracturing for gas control in low permeability coal seams[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(10): 2631-2641. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201710018.htm
    [20] CAO Yunxing, ZHANG Junsheng, ZHAI Hong, et al. CO2 gas fracturing: A novel reservoir stimulation technology in low permeability gassy coal seams[J]. Fuel, 2017, 203(Sup. 1): 197-207. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236117304659
    [21] 苏恒, 曹运兴, 陈莲芳. 气相压裂增透技术在煤巷掘进工作面中的应用[J]. 煤田地质与勘探, 2016, 44(5): 49-52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MDKT201605010.htm

    SU Heng, CAO Yunxing, CHEN Lianfang. Application of gas phase permeability-enhancing fracturing techniques in driving face of coal roadway[J]. Coal Geology & Exploration, 2016, 44(5): 49-52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MDKT201605010.htm
    [22] 国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2011.

    State Administration of Work Safety. Coal mine safety regulations[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2011.
    [23] 国家安全生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局. 防治煤与瓦斯突出规定[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2009.

    State Administration of Work Safety, National Coal Mine Safety Supervision Bureau. Regulations on prevention of coal and gas outburst[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2009.
  • 加载中
图(6) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  162
  • HTML全文浏览量:  12
  • PDF下载量:  30
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-23
  • 修回日期:  2020-12-26
  • 发布日期:  2021-06-25

目录

    /

    返回文章
    返回