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煤矿井下高瓦斯突出煤层脉动定向水力压裂卸压增透技术及装备
发布时间: 2021-12-23
基本信息
合作方式：
技术咨询
成果类型：
新技术
行业领域：
采矿业
成果介绍
一、成果简介
本技术以煤矿井下高瓦斯单一低透气性煤层为研究对象，在井下常规水力压裂的基础上，提出了高压脉动定向水力压裂技术，开发了相关仪器设备。煤体原生裂缝在强烈的脉动水压力作用下，会在缝隙末端产生交变压力，煤体将产生疲劳和累积损伤破坏。煤体内部裂隙弱面的扩展、延伸、以及相互之间贯通，形成了相互交织的贯通裂隙网络。自主研发井下脉动定向水力压裂增透抽采消突技术与配套装备，形成一整套适合于煤矿井下各类地质条件的增透消突技术和工艺。其主要功能在于：
（1）可高效的解决高应力集中、高瓦斯含量及高瓦斯压力问题，能够实现煤体的整体卸压、增透，达到消除瓦斯动力灾害发生条件，实现安全开采的目的；
（2）可显著提高煤体的透气性，扩大解析瓦斯量，提高瓦斯抽采量、延长瓦斯抽采时间，从而得到更多的高浓度瓦斯作为清洁能源利用和减少对大气环境的污染作用；
（3）利用脉动水力压裂技术，在压裂液中添加适当比例的阻燃剂，通过压裂液不断侵入煤体，实现阻止煤层自燃。本技术为我国低透气性、无保护层开采的煤层瓦斯治理开创了一条新的途径，具有极高的实用价值。
二、技术特点
（1）揭示了高压脉动水力压裂机理，在高压脉动水楔和交变荷载的作用下，煤体将产生疲劳和累积损伤破坏，原始裂隙起裂、延伸、扩大，形成相互交织的贯通裂隙网络，煤体透气性大幅度提高；
（2）针对高瓦斯单一低透气性煤层，提出了高压脉动定向水力压裂卸压增透技术，通过设置导向控制孔，实现水力压裂煤体裂隙延展方向可控，形成了本煤层顺层钻孔定向脉动水力压裂、穿层定向脉动水力压裂两种脉动压裂方式；
（3）提出了高压物理密封和化学密封相结合的新思路，开发了两端高强度材料封堵，中间注入高弹性、高膨胀性的柔性密封材料的“强柔强”三段式高压密封技术，封孔耐压30MPa 以上，解决了煤矿井下钻孔高压封孔的难题；
（4）开发了矿用防爆、周期和压力可调的高压脉动压裂装备（由矿用隔爆兼本安型交流变频器、矿用隔爆型滤波电抗器、脉动注水泵、自动控制水箱等组成）。脉动压力最高达到35MPa，注水流量达到200L/min。
三、应用前景
研发的煤矿井下脉动压裂施工成套技术及装备，适合煤矿井下作业要求，在低透气性煤层的增透消突技术方面具有自主创新的特点，给我国低透气性、无保护层开采的煤层瓦斯治理，创了一条新的途径，推动了国内瓦斯抽采技术的发展，具有极高的理论价值和实用价值，推广应用前景广阔。
四、应用情况
研究成果在铁煤集团大兴矿、晋煤集团成庄矿、通化煤业集团松树矿等进行推广应用，主要技术指标和经济指标如下：
①通过采用高压脉动定向水力压裂卸压增透技术措施，压裂影响半径15~25m，压裂影响区域平均瓦斯抽采量提高15%以上，瓦斯抽采钻孔数比现有措施下钻孔数减少20~30%，月平均抽采量提高15%；
②高压钻孔的密封性应该能够承受35MPa 以上的水压。采用高压脉动定向水力压裂卸压增透技术后效果明显，抽采指标较普通抽采孔有很大的提高。压裂钻孔抽采纯流量约为普通抽采孔的10-16倍，钻孔施工量减少20~50%。压裂影响区域内煤体水分超3%；压裂后煤层原始透气性系数提高了200-500倍。
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