低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究.pdf

第27卷第1期煤炭学报Vol.27No.1
2002年2月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYFeb.2002

文章编号:0253-9993(2002)01-0050-04
低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究

段康廉,冯增朝,赵阳升,胡耀青,杨栋

(太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024)

摘要:介绍了特大煤样采用水力割缝提高瓦斯渗透率的实验研究.实验表明,割缝能提高瓦斯
的排放量;当埋深400m时,割缝较钻孔的瓦斯排放量提高25%;相同埋深的煤层,割缝后,
初期瓦斯排放速度急增,为钻孔的210～215倍.

关键词:低渗透煤层;水力割缝;钻孔;瓦斯渗透率
中图分类号:TD71216文献标识码:A

煤矿瓦斯灾害一直是世界采矿业中的重大灾害之一,世界各国的学者为此付出了辛勤的劳动,在强排
与抽放等方面取得了很大成绩,特别是20世纪80年代,美国首先从地面开采煤层气获得成功,使瓦斯变
害为宝,取得巨大的商业利益,引起世界产煤国家的重视.
我国煤层气资源储量为30～35万亿m3,居世界第3位.20世纪90年代我国成立了中联煤层气公司,
引进美国技术进行煤层气的勘探与开发,但因我国绝大多数煤层属于低渗透煤层,极难开采.为此,我国
先后采用多种方法进行以压裂为主的试验来提高瓦斯的渗透率,但收效甚微.通过对煤体渗透性的长期研
究,发现煤体应力(煤层埋深)对煤体的渗透性影响十分显著,认为“卸压是提高低渗透煤层瓦斯渗透率
的唯一有效的技术途径”.提出了利用高压水射流在煤层中切割一个大面积的水平裂缝,使原始煤层在地
层压力下产生不均匀变形和破坏,达到有效地改造低渗透煤层渗透率的目的,从而大幅度地提高低渗透煤
层的瓦斯抽放率的实验方案.

1钻孔与水力割缝排放瓦斯的实验[1]

111实验方案
潞安矿务局常村矿是世行贷款建设的现代化特大型矿井,因瓦斯大,制约采煤机生产能力的发挥,故
一直达不到设计能力.经煤炭科学研究总院抚顺分院测定,该矿3号煤层为低渗透性煤层,在井下进行了
密集钻孔预抽放瓦斯的工业性试验,但效果很小.为此,选择了具有代表性的该矿3号煤层作为研究对象.
本试验的目的是揭示常村矿3号煤层在不同埋深下钻孔排放瓦斯的渗透率,以及在不同埋深下进行水
力割缝后瓦斯渗透率的变化,从而获得利用水力割缝技术提高煤层的瓦斯抽放率与抽放速度的可行性结
论,其实验方案见表1.

表1潞安3号煤层瓦斯排放实验方案(气体压力110MPa)
Table1TestplanofpermeabilityofNo13coalseaminLu′an(Thegaspressure110MPa)

轴向压力/MPa
煤样
10(400m)1215(500m)15(600m)20(800m)

Ⅰ号煤样钻孔排放钻孔、割缝排放
Ⅱ号煤样钻孔、割缝排放钻孔排放钻孔排放

收稿日期:2001-07-16
基金项目:国家杰出青年基金资助项目(59625409);山西省自然科学基金资助项目(981025)

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第1期段康廉等:低渗透煤层钻孔与水力割缝瓦斯排放的实验研究51

由于煤体对CO2气体的吸附能力大于对瓦斯的吸附能力,同时为了实验的安全,用CO2气体代替瓦
斯进行实验.为了使实验接近实际,并考虑到取样与加工的困难和设备的限制,本实验采用了500mm×
500mm×500mm的特大型立方体煤样.
112煤样的采集与加工
在潞安矿区常村矿井下3号煤层中,人工采集未受扰动的大块
煤体(3个方向均不得少于600mm).首先,以煤体的层理面为基
准,将大煤块锯成毛胚(510mm×510mm×510mm),使层理面
平行于顶面与底面,其余四面与层理垂直.然后,采用特制的较高
精度的磨石机,加工成500mm×500mm×500mm的立方体试件,
其平行度与垂直度达1/1000mm.
113实验设备及测试系统
实验设备系统如图1所示,由四大部分组成:
(1)压力机1000t大型多功能试验机,它能使特大型煤岩样
图1实验设备系统
再现深部地层应力状态,能满足本实验加载的要求.该机具有数控Fig11Thesystemofexperimentinstrument
自动稳压功能,压力变化范围<015%.消除了煤体在吸附气体与1———1000t压力机;2———刚性三轴压力室;
解吸气体过程中的变形对试验结果的影响,使试验结果可靠.3———注气与气体收集系统;4———数据采集系
(2)刚性三轴压力室为使大煤样再现煤体的原始应力状态及统;5———百分表;6———气压表;7———气