煤矿瓦斯抽采新技术 胡千庭 重庆大学资源及环境科学学院 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室 2016.07.28.

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1 煤矿瓦斯抽采新技术 胡千庭 重庆大学资源及环境科学学院 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室

2 目 录 一、引言 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备三、井下抽瓦斯提浓增量技术 四、井下水力压裂增渗技术 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术

3 一、引言 1、煤矿瓦斯抽采的意义 是预防煤矿瓦斯事故的治本之策；是将瓦斯变为资源的重要途径 是减少温室气体排放的重要内容

4 一、引言 2、煤矿瓦斯抽采存在的主要难题 顺煤层抽瓦斯钻孔施工深度难以满足高效区域抽采的要求，使得大量采用抽瓦斯专用岩巷，工程成本高、施工时间长、产生大量废渣； 缺乏长钻孔轨迹测定技术，使得抽瓦斯难均匀、易留事故隐患； 井下钻孔施工存在风险，远程（或地面）操控成为趋势和难点； 井下抽采的瓦斯浓度低，不利于安全抽采与输运，也给资源化利用带来困难； 煤层透气性低，抽瓦斯效果较差，提高透气性和抽采效果是难题； 地面井抽采动区瓦斯效果好，但易受采动破坏，提高其高效服务寿命是难题。

5 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 技术发展方向：减少岩巷工程，以钻孔代替巷道，减少井下作业人员
1、适用于中硬较稳定煤岩层的水平定向复合钻进技术 孔底马达带动钻头旋转，钻机带动钻杆和孔底马达旋转，使钻头在复合动力驱动下旋转；仅孔底马达驱动钻头旋转时实现调斜。在寺河煤矿顺煤层定向钻进主孔孔深达到1881 m，基本满足了f=0.8-6的中硬较稳定煤岩层顺层瓦斯抽采钻孔施工的要求。 复合钻进原理 整体式钻机适用于大断面空间

6 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 技术特点：
钻机具有适应于不同施工空间条件的大功率整体式和分体式结构；最大输出转矩12000Nm，能满足不同规格钻具孔口回转、孔底马达回转和复合驱动三种定向钻进工艺的要求。 配备孔外供电的高可靠随钻测斜实现随钻测轨迹。 分体式钻机适用于小断面空间 多分支钻孔 可从主孔钻进许多分支钻孔，扩大钻孔控制范围。 提高孔底钻具切削速度，中硬煤层综合钻进效率较滑动钻进提高10%，顶板岩层提高50%。 钻孔轨迹平滑，钻进过程中钻具阻力小，钻机系统压力小。

7 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 应用途径：尽可能减少岩巷工程，减少矸石外排、缓解接替关系、降低工程成本。
晋城 递进 式预 抽本 煤层 瓦斯 走向多分枝定向水平长钻孔，可用于煤巷条带或采煤工作面大面积预抽煤层瓦斯。 寺河矿顶板水平长钻孔 淮北顶板梳状钻孔

8 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 2、适宜于松软突出煤岩层钻孔施工的高转速异形钻杆压风排渣钻孔技术
问题：对f<0.8、尤其是f<0.5的松软煤层，钻进过程中孔壁变形严重，极易使钻杆抱死， 深孔成孔困难，通常为40～60 m，钻孔覆盖范围难以满足采掘前大面积区域预抽煤层瓦斯 的要求。原因：钻孔壁变形大，钻孔缩径严重，沿程钻杆旋转过程中阻止旋转的阻力大。 研制成大功率高转速钻机,功率90kw、最高转速达700r/min，转速无级可调，提高排渣速率；对高转速动力头轴承强制供油润滑与冷却，避免高转速轴承升温易损。 高转速大功率全液压钻机

9 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 研制成具有高强度、可正反转、参数优化的宽叶片螺旋钻杆、三棱螺旋钻杆等异 形钻杆，使钻杆在旋转过程中具有切削孔壁变形煤岩的功能，确保钻孔不缩径； 同时螺旋钢带或螺旋槽的钻杆结构形成机械螺旋强力排渣的有利通道。 研制成易破碎煤块的钻头，预防产生大块钻渣卡堵排渣通道。 采用合理参数的雾化压风排渣工艺，减少水对孔壁煤体的破坏，提升排渣速度，确保排渣及时。

10 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 研制成回转钻机用的无磁随钻测斜技术，测定数据储存在测管的数据存储器内， 待钻杆全部退出后将数据传输到电脑，并绘制钻孔轨迹，但难以实现随钻纠偏。 研制成回转钻机用的无线随钻实时测定轨迹技术，测管 测定的数据通过发射管实时发射到外侧钻杆，外侧钻杆 传输到孔口接收器，接收器将信号传输到电脑，实现无 线随钻实时测斜。解决了回转钻进测轨迹难题。 储存式无磁随钻测斜技术 随钻测定信息无线传输原理 无线轨迹随钻测定系统 钻头 钻杆 测管 发射 绝缘 接收 电脑

11 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 无线测定技术的数据传输不受钻孔介质影响，在井下试验传输距离可达200m以上，依 据测定的轨迹信息，可利用导向块等进行钻孔轨迹调向。 松软煤层钻进技术现场应用，在淮南丁集矿f= 的煤层中钻孔26个，孔深200 m以上 的22个，200 m以上孔深成孔率为84.6%；在淮南张集矿f= 的煤层中钻孔18个，孔深 250 m以上的14个，250 m以上孔深成孔率77.8%。

12 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 应用 应用
150m 20m 应用 180m 20m 对f＜0.3时，短工作面递进式预抽煤层瓦斯 对f= 时，正常工作面递进式预抽煤层瓦斯 230m 20m 230m 20m 对f= 时，长工作面递进式预抽煤层瓦斯 对f＞0.8时，多工作面递进式预抽煤层瓦斯 对符合规程要求的突出煤层也可应用于煤巷条带预抽煤层瓦斯，节省岩巷工程。由此也可看出，顺煤层钻孔深度对有效预抽煤层瓦斯，降低抽采成本具有非常重要的意义。

13 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 3 、远控自动化钻孔技术 减人是高安全、高效益生产的方向。
利用传感和视频技术，将相关参数与现场视频 通过安全监控的以太网传输到远控操作地点，操作 人员在操作地点发出控制信号触发电动阀门控制液 压油路的导通与关断、控制电机和泵组的启停。实 现了自动装卸钻杆，自动调整钻机开孔位置、倾角、 方位，自动移动钻机、固定钻机等。对固定程序的 操作设计了一键远控的智能化操作。 ZYWL-4000SY双履带式全自动钻机

14 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 钻机采用履带车整体结构，远控点也可设置在地面。通过超声测距仪和云台摄像仪，实现 远控钻机移机；通过压力、角度传感器等，实现锚固和倾角调节；采用抓取式自动装卸钻 杆、输送钻杆和调整钻杆倾角（0 ～90° ）；钻杆箱通过滑轨实现换列；储存钻杆数量可 根据需要调整；采用姿态仪确定开孔位置。 0~50°自动上下钻杆装置 多列储存箱 0~90°自动上下钻杆装置 蜗轮蜗杆减速器 敞开式钻杆箱

15 二、井下瓦斯抽采钻孔施工技术及装备 远控自动化钻机采用原150钻机功率,在松藻煤电公司逢春煤矿进行了现场试验，采用地面 远控方式共施工29个钻孔，总进尺3192 m，其中150 m以上钻孔3个，最深孔进尺167 m， 终孔直径都在Ф94 mm以上。在淮南矿业集团进行了推广应用，采用井下远控方式，月均台进尺达到3000 m以上，达到了预期目标。实现了一键远控、远控移机、固机、定位等功能。 孔号 倾角 (º) 方位角（º） 终孔 直径（mm） 钻进深度（m） 累计孔深（m） 1 20.4 0.1 94 102 16 20.3 62.5 101 1792 2 25.6 0.2 121 223 17 31.1 107 1899 3 31.0 151 374 18 45.1 62.2 103 2002 4 19.8 0.4 110 484 19 18.9 61.5 100 2102 5 30.4 591 20 25.3 106 2208 6 44.7 0.3 694 21 30.9 167 2375 7 20.6 1.3 105 799 22 20.0 60.7 2477 8 26.1 1.5 899 23 30.7 60.5 2577 9 31.5 1000 24 50.1 60.6 2680 10 18.5 2.1 108 1108 25 18.6 59.3 2781 11 1202 26 24.3 59.1 2886 12 45.3 2.0 162 1364 27 29.5 2986 13 19.3 3.5 1474 28 21.6 58.0 104 3090 14 25.0 3.4 111 1585 29 29.9 58.2 3192 15 29.8 1691 地面远控站 井下主机

16 三、 井下抽瓦斯提浓增量技术 技术发展方向：综合措施实现抽采高浓度瓦斯
问题：我国煤矿井下抽采的瓦斯量约60%以上浓度低于30%，这将至少带来四个方 面的不利因素： a. 浓度低于30%的瓦斯易燃易爆，抽采、输送等各环节都存在安全风险； b. 浓度低于30%的瓦斯利用困难，目前主要用于内燃机发电或仅作乏风利用的 掺混瓦斯，利用价值较低； c. 抽采低浓度瓦斯单位体积抽采量的成本高； d. 井下抽采瓦斯的现场极易引发煤炭自燃火灾。 提高抽采瓦斯的浓度是非常必要的。 技术发展方向：综合措施实现抽采高浓度瓦斯

17 三、 井下抽瓦斯提浓增量技术 1. 抽采高浓度瓦斯的方法 2. 封孔技术
尽可能不采用采空区埋管、插管抽瓦斯方法。应采用高冒带、裂隙带低负压抽采空区 瓦斯工艺；尽可能选择卸压开采抽采邻近层瓦斯方法、预抽煤层瓦斯方法等。 2. 封孔技术 预抽煤层瓦斯封孔深度应超过采掘空间围岩的卸压 区，同时采用两堵一注的封孔工艺，即在封孔段的 两端分别设置A、B化学浆液反应形成的堵头，中间 高压注入封孔材料，使钻孔封孔严实。天固系列封 孔材料和对应的封孔设备，能够对钻孔起到较好的 封堵效果。

18 三、 井下抽瓦斯提浓增量技术 3. 松软突出煤层钻孔下护孔筛管技术
3. 松软突出煤层钻孔下护孔筛管技术 对松软突出煤层，钻孔不护孔会塌孔，钻孔被堵 塞使瓦斯流动困难，降低了抽采瓦斯浓度。加工 成大通孔钻杆以及带单向开启功能的钻头，钻孔 到位后，从钻杆中心通孔插入带有大量筛眼的非 金属护孔小管到孔底，钻杆退钻时护孔管鸡爪反 刺入孔壁使其不会被带出。试验表明：该技术使 钻孔抽瓦斯浓度可提高到60%以上，效果显著。 筛管下放过程模拟

19 三、 井下抽瓦斯提浓增量技术 4. 管网故障诊断技术
抽瓦斯管网有许多接头、管网可能破损，空气漏入负压 管网使瓦斯浓度被稀释。负压管网内还可能吸入煤岩渣 块等，管内低洼处易积水，会造成管路堵塞，影响抽瓦 斯效果。管网故障诊断系统，监测管网内的流量、浓度、 负压、温度等，分析判定管网泄漏、堵塞等故障区域， 及时处理故障可显著提高抽瓦斯浓度和效果。 增加煤层渗透率、提高预抽煤层瓦斯效果也是提高抽采 煤层气浓度的一条有效途径。 管网状态运行分析与故障诊断、调控系统

20 四、井下水力压裂增渗技术 高压水力压裂在地面井得到大量应用，然而，对井下松软突出 煤层水力压裂却没有取得显著效果。许多人认为水力压裂不适 用于软煤。 研究认为：松软突出煤层水力压裂呈现“微缝网循环延展塑性 固化”增透机理，与通过原生裂纹脆性拉张破坏扩展成线裂纹 的岩层增透机理不同。高压水浸润煤体，与应力、瓦斯共同作 用使浸水煤体屈服并发生应力峰后应变软化的塑性破坏，形成 难以闭合的体微裂隙网。随着水压和流量的维持，体裂隙网不 断扩大与延展，总体沿最大主应力与最小强度方向发展。水还 具有驱替置换甲烷的能力。 体微裂纹网 岩石 线裂隙网

21 四、井下水力压裂增渗技术 基于机理的认识，研究形成了中低压水力压裂的工艺设计、实施工艺与设备：压 裂水的压力应高于煤体塑性破坏的起裂压力，且具有足够保压时间实现预期压裂 范围，足够的水流量确保具有合理的扩展速度。 较低的起裂压力也能使软煤产生体裂纹网，只是成网速度要降低，需延长保压时 间。因此，低水压也能压裂增透，可应用于顺煤层压裂，提高压裂的安全性。 压裂孔的封孔工艺及封孔效果直接影响水压力的大小与保压的持续性。

22 四、井下水力压裂增渗技术 穿层钻孔采用图7所示封孔结构和工艺， 在煤岩交界面处加入多孔柔性阻隔填料， 利于排出泵入封孔浆料时被挤压的孔内 气体和浆料中分离出来的水，也可避免 浆料进入煤层影响压裂效果。采用多次 高压泵注入浆料工艺，使注入浆料密实 度增加，采用适度水灰比浆料，既利于 注浆流动，也利于提高封孔质量。 多次柔性带压封孔工艺

23 四、井下水力压裂增渗技术 技术发展方向：低压长时水力压裂或注水增透-增塑-卸压-降 尘以及高压水力压裂破岩降低顶板冲击地压危险性。
在松藻进行穿层钻孔压裂应用，设计起裂压力为30～35 MPa、 用水量200 m3、压裂水流量为400 L/min。效果表明：渗透率增 加了29.5～60倍，压裂有效半径达40～60 m，压裂区瓦斯抽采 平均浓度达20%～90%以上，百孔抽瓦斯纯量增加1～3倍。在钻 孔工程量缩减1/3的前提下，抽采达标时间缩短1/3，没有出现 一次安全隐患。已在重庆地区全面推广，并在淮南、阳泉等矿 区进行了有效的推广应用。同时在松藻矿区也进行了低压顺煤 层钻孔的压裂试验，取得初步成功。 技术发展方向：低压长时水力压裂或注水增透-增塑-卸压-降 尘以及高压水力压裂破岩降低顶板冲击地压危险性。 压裂系统与效果

24 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 技术发展方向：采动区地面直井、L型井，老采空区地面井， 消灭瓦斯超限、实现瓦斯资源化高质量规模开发
采前施工好地面井接入抽采系统，进行未采动预抽、采中高效 抽-采后缓慢衰减抽采瓦斯。井底的目标层位可以是开采层上 覆煤岩层、或开采层采空区裂隙带。但煤炭开采会引发顶板岩 层移动变形，切断损坏钻井。因而钻井的布置及防护以及老采 空区抽瓦斯井的施工及储量、可抽量评价等将成为难题。

25 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 形成采动影响区地面井井位层位优选技术
应用：晋城矿区的优选区域为回风巷侧40～80m的一个“L”型区域。2011年以来，在上述区域范围内施工、运行了28口地面抽采井，抽采效果验证了优选布井区域。

26 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 地面抽采系统设计及安全运行技术
发明专利“煤层气安全抽采智能控制系统及控制方法”能实时地面监控抽采中采空区安全参数变化，实现采动区煤层气安全抽采。 安全抽采设备：水环真空泵、防回火泄爆器、气水分离器、喷粉抑爆装置、分流管路系统等。 安全监控系统：GD4瓦斯抽放多参数传感器、CO传感器、监控分站等。 安全运行管理：实时监测、参数超限报警和自动保护停机；安全抽采参数界限值：CH4报警浓度小于或等于35%、停机浓度小于或等于30%；O2报警浓度7%、停机浓度9%。 排空或集输 泵房 井口

27 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 形成了抗剪切及抗拉伸厚壁刚性及柔性综合防护结构的装置。 套管防护装置加工 剪切模式 拉伸模式 挤压模式
拉剪综合模式 套管防护装置加工

28 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 晋煤共施工33口采动区地面井，运行采动区地面井28口，有4口井变形严重不可抽采，24口井均畅通可抽采，采动区地面井抽采成功率达85%。 序号 井号 抽采及井身变形情况 1 SHCD-01 畅通，平均抽采量1.35万m3/d，浓度88%。 18 CZCD-05 畅通，发生变形，平均抽采量0.6万m3/d，浓度50% 2 SHCD-02 畅通，平均抽采量0.65万m3/d，浓度64%。 19 CZCK-01 畅通，平均抽采量0.312万m3/d，浓度44% 3 SHCD-03 畅通，平均抽采量0.45万m3/d，浓度56%。 20 CZCK-02 畅通，平均抽采量0.342万m3/d，浓度38% 4 SHCD-04 畅通，未接抽。 21 YCCD-01 发生变形，平均抽采量0.32万m3/d，浓度32% 5 SHCD-05 变形较严重，破断 22 YCCD-02 畅通，均抽采量0.7万m3/d，浓度75% 6 SHCD-06 畅通，平均抽采量1万m3/d，浓度85% 23 YCCD-03 7 SHCD-07 畅通，发生变形,平均抽采量0.41万m3/d，浓度50%。 24 YCCD-04 已安装设备，进入采空区，未接管网 8 SHCD-08 破断，地表下沉较严重 25 YCCD-05 破断，有积水。 9 SHCD-09 畅通，平均抽采量0.45万m3/d，浓度71% 26 YCCD-06 畅通，平均抽采量1.2万m3/d，浓度51% 10 SHCD-10 畅通，平均抽采量0.64万m3/d，浓度73% 27 YCCD-07 畅通，变形，平均抽采量0.42万m3/d，浓度37% 11 SHCD-11 畅通，平均抽采量0.55万m3/d，浓度68% 28 YCCD-08 畅通，平均抽采量0.73万m3/d，浓度47% 12 SHCD-12 畅通，平均抽采量0.75万m3/d，浓度70% 29 YCCD-09 13 SHCDL-01 畅通，平均抽采量2.2万m3/d，浓度80% 30 YCCD-10 14 CZCD-01 停抽，累计抽采量140万m3/d 31 YCCD-11 畅通，平均抽采量0.96万m3/d，浓度58% 15 CZCD-02 畅通，平均抽采量0.68万m3/d，浓度55% 32 SHCK-01 阻塞严重，未能抽出煤层气。 16 CZCD-03 33 SHCK-02 畅通，平均抽采量0.288万m3/d，浓度32% 17 CZCD-04

29 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 地面单井抽采纯量最高达3万m3/d左右（平均0.85万m3/d），采气浓度最高达93%（平均75%），单井最大抽采纯量900万m3，单井平均抽采纯量220万m3，提高了煤矿区煤层气抽采效率。 YCCD-02井抽采数据曲线 SHCD-06井抽采数据曲线 SHCD-01井抽采数据曲线 CZCD-01井抽采数据曲线

30 五、地面钻井抽采采动区瓦斯技术 针对寺河煤矿地质条件特点，在3313工作面设计施工1口顶板“L”型地面井。
实现本煤层采动影响区、采空区连续抽采，钻井结构完好； 平均采出气浓度80%；平均抽采纯量2.2万m3/d，截至2015年3月底，累计运行180余天，抽采煤层气350余万m3 。 在全国尚属首次试验，具有广泛的推广前景。 抽采气量监测数据

31 谢谢！ Thanks！