一种低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法与流程

文档序号:15578866发布日期:2018-09-29 06:18

本发明涉及煤层防灭火技术领域,特别是涉及一种低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法。



背景技术:

煤炭在我国能源消费结构中仍然占有举足轻重的地位,2016年,煤炭消费比重为62.6%,预计2017年约为60%左右。煤层自燃造成的火灾是煤矿生产中的主要灾害之一。煤层自燃不仅会产生大量有毒有害气体,诱发瓦斯爆炸和煤尘爆炸威胁工作人员生命安全,还烧毁和冻结了大量煤炭资源及设备,造成巨大的损失。最新统计显示,我国有自然发火危险的矿井约占矿井总数的56%。近年来我国经济高速发展,对能源的需求越来越大。这一方面推动了煤矿高产高效发展,另一方面随着开釆强度加大,尤其是综采放顶煤技术被普遍应用于厚煤层,煤层自燃事故发生呈现上升趋势。人们通过对煤自燃机理的研究,分析煤层自然发火的规律,制定出了一系列防治煤层自燃的措施,包括均压堵漏、注浆、注阻化剂、注惰气、注凝胶和泡沫材料等,其中注阻化剂是防止煤层自燃最有效的措施。我国煤层普遍为低渗透率煤层,相比国外,我国煤层渗透性普遍要小2-3个数量级,低渗透性造成了我国许多煤矿冲击地压事故、煤与瓦斯突出事故频发,同时易自然矿井由于煤层渗透性较低,造成煤层防灭火困难,这些问题都严重阻碍了我国煤矿高效安全开采。煤矿低渗透率煤层也称为低透气性煤层,为保障低透气性煤层高效集约化开采和安全生产,需要对低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法进行研究。

目前,低透气性煤层预裂增透措施主要包括深孔松动爆破、水压致裂、水力冲孔、开采解放层、水力割缝等方法。其中深孔松动爆破使得钻孔附近的煤层被炸的很碎,但对离钻孔稍远的地方预裂效果迅速下降,预裂半径较小,效果不好;另外由于煤矿用炸药的殉爆距离较小,为防止拒爆,现场施工需要导爆索联结,因此,现场施工麻烦;再就是炸药预裂,有可能引起通过裂隙导通的区域瓦斯爆炸,不安全。水力压裂若水压小,裂隙扩张有限,预裂效果不好;若水压大,高压水会从较大的裂隙中流出,预裂不均匀,效果不好;且高压水在煤层中的流动不可控制。水力冲孔是通过水力冲刷钻孔,扩大钻孔直径的同时冲洗钻孔壁的煤粉,使钻孔壁有更好的渗透性,由于该方法对于提高煤层透气性效果甚小,目前基本不再采用。开采解放层由于煤层赋存条件的限制,往往临近解放层厚度很小,难于开采,或者煤质较差,没有开采价值,甚至许多煤层没有临近解放层,使得该技术无法使用。水力割缝受设备的限制,使得该项技术的实施工艺复杂,难以在现场推广应用。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,解决目前低渗透性易自燃煤层阻化剂注入半径小且效果较差的技术问题。

本发明提供一种低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,包括以下步骤:

步骤一、煤体力学性质测定

在待开采煤层中取煤样,测定煤体的抗压强度,确定待开采煤层靠近轨道顺槽、胶带顺槽部位煤体压酥带深度;

步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力

将煤体的抗压强度除以1.5作为后续高压气体注气的最高注气压力;

步骤三、煤体钻孔

分别沿轨道顺槽、胶带顺槽的延伸方向向待开采煤层中等间距水平钻孔,钻孔的深度为采煤工作面长度的0.3倍,钻孔的垂直高度为采煤工作面高度的0.5倍;

步骤四、不耦合装药

采用不耦合装药方式向钻孔内装入炸药;

步骤五、钻孔内预留高压管路

钻孔内预留高压管路,高压管路位于钻孔内的长度为钻孔深度的0.5至0.6倍,高压管路的末端伸出钻孔;

步骤六、钻孔封孔

将钻孔封孔,采用水泥材料封孔,水泥封孔的长度为钻孔深度的0.2至0.3倍,水泥封孔的长度要大于煤体压酥带深度;

步骤七、高压气体注气

通过高压管路向钻孔内注入高压气体,注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并保持,最高注气压力由步骤二中确定,注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力数个小时,高压气体为氢气和空气的混合气体,混合气体中氢气的体积分数为28.6%;

步骤八、引爆炸药预裂增透

在注入高压气体保持最高注气压力的时间内,引爆钻孔内的炸药,对煤层进行预裂增透;

步骤九、注阻化剂

将高压管路连接注阻化剂管路,向待开采煤层注入阻化剂。

进一步的,步骤三中,相邻钻孔的水平间距为20m,距离采煤工作面最近的钻孔距离采煤工作面为10m,钻孔直径为96mm。

进一步的,步骤四中,炸药的装药长度为钻孔长度的0.5至0.7倍。

进一步的,步骤五中,高压管路的末端伸出钻孔的长度为0.5m至1m。

进一步的,步骤六中,水泥材料中水泥与水的比例为1:0.2至1:0.5。

进一步的,步骤七中,注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力6个小时。

与现有技术相比,本发明的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法及具有以下特点和优点:

本发明的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,施工安全、可靠,在待开采煤层中合理布置钻孔,注入高压气体(氢气和空气的混合气体),实现氢气和炸药爆轰协同,极大增加待开采煤层的孔隙率,预裂增透半径大、效果好,使低渗透性易自燃煤层注入阻化剂的半径增大,极大提高低渗透性易自燃煤层阻化剂的注入效果。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后,本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法的流程图;

图2为本发明实施例低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法的钻孔布置图;

其中,1、采煤工作面,2、轨道顺槽,3、胶带顺槽,4、待开采煤层,5、钻孔。

具体实施方式

如图1、图2所示,本实施例提供一种低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,包括

以下步骤:

步骤一、煤体力学性质测定

在待开采煤层4中取煤样,测定煤体的抗压强度,确定待开采煤层4靠近轨道顺槽2、胶带顺槽3部位煤体压酥带深度。

步骤二、确定高压气体注气的最高注气压力

将煤体的抗压强度除以1.5作为后续高压气体注气的最高注气压力。

步骤三、煤体钻孔

分别沿轨道顺槽2、胶带顺槽3的延伸方向向待开采煤层4中等间距水平钻孔,钻孔5的深度为采煤工作面1长度的0.3倍,钻孔5的垂直高度为采煤工作面1高度的0.5倍。相邻钻孔5的水平间距为20m,距离采煤工作面1最近的钻孔5距离采煤工作面1为10m,钻孔直径为96mm。

步骤四、不耦合装药

采用不耦合装药方式向钻孔5内装入炸药,炸药的装药长度为钻孔5长度的0.5至0.7倍。

步骤五、钻孔5内预留高压管路

钻孔5内预留高压管路,高压管路位于钻孔5内的长度为钻孔5深度的0.5至0.6倍,高压管路的末端伸出钻孔5,高压管路的末端伸出钻孔5的长度为0.5m至1m。

步骤六、钻孔5封孔

将钻孔5封孔,采用水泥材料封孔,水泥材料中水泥与水的比例为1:0.2至1:0.5。水泥封孔的长度为钻孔5深度的0.2至0.3倍,水泥封孔的长度要大于煤体压酥带深度。

步骤七、高压气体注气

通过高压管路向钻孔5内注入高压气体,注入高压气体的压力逐渐增大到最高注气压力并保持,最高注气压力由步骤二中确定,注入高压气体流量明显变小且稳定后依然保持最高注气压力6个小时,高压气体为氢气和空气的混合气体,混合气体中氢气的体积分数为28.6%。

步骤八、引爆炸药预裂增透

在注入高压气体保持最高注气压力的时间内,引爆钻孔5内的炸药,对煤层进行预裂增透。

步骤九、注阻化剂

将高压管路连接注阻化剂管路,向待开采煤层4注入阻化剂。

本实施例的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,通过增加待开采煤层4的裂隙、小裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙,加大阻化剂的注入量,延长自然发火周期,增加待开采煤层4的透气性,是本实施例成功的关键,其高压气体在钻孔内的作用及高压氢气和炸药爆轰协同增透原理体现在以下六个方面。

一是高压氢气注入钻孔5中后,高压氢气进入待开采煤层4中裂隙、小裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙的同时膨胀做功,使得小裂隙扩张联通成较大裂隙,同时孔隙、微孔隙、半封闭孔隙扩展变为裂隙和较大孔隙,使得原生裂隙、再生裂隙、孔隙等相互联通形成透气性网络,提高待开采煤层4的透气性。

二是在原生裂隙、再生裂隙、孔隙等相互联通形成的透气性网络中,高压氢气改变待开采煤层4中甲烷的赋存状态(吸附/解吸),使钻孔、原生裂隙、再生裂隙、孔隙中游离甲烷的量变小,进而使待开采煤层中的甲烷浓度低于其爆炸极限,提高安全性。

三是钻孔5中注入高压气体流量明显变小且相对稳定后,持续注入高压气体6个小时,使得高压气体通过静压作用,能更好的作用于联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙,使煤层裂隙、孔隙网联通网络进一步发展,提高待开采煤层4的透气性。

四是由于装药方式为不耦合装药,炸药爆炸产生的爆轰波使煤层内部形成径向裂隙,钻孔5中的高压气体和爆生高压气体渗入径向裂隙,起着气楔作用,增大裂隙前端煤体内的拉应力,可以使待开采煤层4中的裂隙、孔隙联通网络进一步发展,提高待开采煤层4的透气性。

五是炸药爆炸时,爆炸初期产生的大量爆生高压气体,与钻孔5中已有高压气体通过静压作用于待开采煤层4中联通和未联通的煤层裂隙、孔隙、微孔隙、半封闭孔隙,使煤层裂隙、孔隙网联通网络进一步发展,提高待开采煤层4的透气性。

六是钻孔5中炸药起爆后,产生的高温高压可以引爆钻孔5中体积分数28.6%的高压氢气共同爆炸,强化爆炸对钻孔及其周边联通的裂隙、孔隙网络的扩展作用,提高待开采煤层4的透气性。

通过以上原理过程,能极大地增加待开采煤层4的孔隙率,有利于低渗透性易自燃煤层阻化剂的高效注入。

本实施例的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,施工安全、可靠,在待开采煤层4中合理布置钻孔5,通过高压气体在钻孔内的作用以及氢气和炸药的爆轰协同,极大增加待开采煤层的孔隙率,预裂增透半径显著提升,约为15至20米,而煤矿最常用的炸药深孔松动爆破,其预裂增透影响半径相对较小,约为3至5米。采用煤矿最常用的炸药深孔松动爆破,若要达到相同的增透效果,要加密钻孔5,有时为了获得较好的增透效果,还需要实施大量的控制钻孔,意味着劳动强度的增大和劳动效率的降低,同时还要加大爆破炸药用量,意味着效率较低。本实施例的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,针对某相邻两个工作面,进行煤层注阻化剂Na2CO3后效果的考察,其一采面采用阻化剂普通注入方法,另一采面采用本实施例的低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法,对在距工作面10m、20m、40m、60m、80m、100m的煤层内打6至8m直径42mm的观测钻孔,测钻孔内部温度,取平均值,并与注阻化剂前煤层的温度进行对比,从而得出阻化效果,对比两种注阻化剂方法的注入效果。

表1综采工作面阻化剂注入效果对比

从表1中可以看出,注入阻化剂后煤体内各测点温度有明显降低,应用低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法降温幅度平均达到8℃,对比低渗透性易自燃煤层阻化剂普通注入方法高出160%的降温幅度,按煤体阻化实验数据,阻化后煤体温度平均涨幅0.25℃/d,采用低渗透性易自燃煤层阻化剂高效注入方法计算可得32天时间后可达到未注阻化剂的最高温度,比采用低渗透性易自燃煤层阻化剂普通注入方法可延长20天时间,大大延长了自然发火周期。

当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。

再多了解一些
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