低渗煤层冲压协同增透抽采瓦斯关键技术与装备研究及应用.docx

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1、工程名称低渗煤层冲压协同增透抽采瓦斯关键技术与装备研究及应用杨程涛，刘晓，王义民，闫本正，李全贵，陈祖国，辛新平，刘主要完成人东，张跃兵 贵州豫能投资，河南能源化工集团研究总院,主要完成单位河南理工大学，重庆大学推荐单位贵阳市科学技术局推荐等级贵州省科学技术进步奖一、二等奖。工程简介煤炭工业是贵州经济开展的重要支柱产业，具有基础性战略性地位。因自然条件 和历史原因，贵州煤炭行业一度面临技术水平低、生产效率低、平安水平低等难题， 如何保障平安生产，促进煤炭产业健康开展是亟待解决的难点。瓦斯是贵州煤矿平安 生产的最大隐患，贵州地区煤矿瓦斯地质赋存条件极为复杂，构造应力大，煤层瓦斯 含量高，高瓦斯和

2、煤与瓦斯突出矿井占比近80%，瓦斯灾害严重制约着煤矿平安高效 生产和贵州经济社会健康开展。目前，贵州地区煤矿普遍采用钻孔抽采瓦斯，存在技 术手段单一，效率低，本钱高等问题，亟需研发科学平安高效的区域性瓦斯治理技术 及装备。工程组经过多年持续研发，攻克了多项煤与瓦斯突出灾害防治关键技术难题，研 发了低渗煤层冲压协同增透抽采瓦斯成套理论、技术及装备，并在贵州、河南等地诸 多煤矿成功推广应用。工程组研发的冲/压协同增透卸压抽采瓦斯关键技术，能够实现煤层规模化增透、区域性消突，效率高、本钱低，是瓦斯灾害防治领域长期致力突 破的瓶颈问题。主要创新成果如下：(1)研发了水力冲压协同增透物理模拟试验系统，提

3、出了高压水压裂-冲孔联合 作业的冲压协同增透卸压技术。自主研发了水力冲压协同增透物理模拟试验系统，该系统主要由多场耦合煤层气 开采物理模拟试验系统、水力冲孔物理模拟试验装置和水力压裂试验装置组成，可开 展不同地应力状态、不同煤体结构、不同煤样尺度、不同冲孔孔径/长度、不同注水 压力/流量等条件下的水力冲压协同增透物理模拟试验；提出了高压水压裂-冲孔联作 的冲压协同增透卸压增透技术，通过先冲后压与先压后冲卸压增透效果的比照分析， 确定了水力冲压协同增透卸压增透的适用条件。(2)建立了基于煤体结构的冲压协同增透工艺设计模型，为有效指导现场冲压 协同增透卸压抽采技术奠定基础。构建并优选了不同煤体结构

4、条件下的强化层体系。优选出适合强化改造的储层体 系5类，在强化层优选基础上提出了合理的强化钻孔和强化工艺类型，系统分析总结 了硬煤层、软煤层和软硬互层的压冲协同强化增渗工艺设计对策。从煤结构类型出发, 结合建立的基质孔-裂隙和双直径球形孔隙两种储层几何模型，研究得到硬煤储层瓦 斯运移产出以“解吸一扩散一低速非线性或线性渗流”为主要形式，而软煤储层为解 吸一微孔扩散一大孔扩散为主要形式。(3)研发了冲压协同增透核心装备，为冲压协同增透技术工艺的实施提供了装 备支撑。通过分析煤矿井下实施水力冲孔所需的高压水射流喷嘴型号、破煤压力等参数，设计并优化高压水射流喷嘴、钻冲一体化钻头、高压密封系统等关键元

5、部件；研发了 主要由高压水射流喷嘴、钻冲一体化钻头、高压密封钻杆、耐高压水辫等部件组成的 钻冲一体化核心装备，能实现对坚固性系数小于1.5的不同结构煤体进行高效冲孔卸 压；研发了一种可重复使用的水压式快速压裂封孔器，提高压裂孔封孔效率；以履带 式钻车为基础；研发了一套兼具钻孔、水力冲孔和水力压裂三重功能为一体的钻冲压 协同增透作业机，显著提高了井下水力压裂工作效率，降低了劳动强度，实现了对低 渗突出煤层的冲压协同增透水力强化改造。(4)揭示了冲压协同增透卸压机理，形成了冲压协同增透抽采瓦斯关键技术理 论基础，首次提出并应用了低渗煤层冲压协同增透抽采瓦斯关键技术。以理论分析和数值分析为手段，以底

6、板穿层抽采钻孔为对象，开展了水力冲孔引 起的孔洞形态以及孔洞周围煤层应力演化规律，建立了水力冲孔出煤过程中煤岩运移 的轨迹方程和孔洞特征方程；开展了水力冲孔和水力压裂相结合的卸压增透工艺技术 研究，分析了水力冲孔与压裂协同实施时由于裂隙形成及扩展而生成相互连通的复杂 裂隙网络的增透机制，建立了基于不同煤体结构的冲压协同增透工艺设计模型，揭示 了高瓦斯突出煤层冲压协同增透卸压机理，形成了冲压协同增透抽采瓦斯关键技术理 论基础。研究成果在贵州省、河南省等地多对矿井得到应用，总结并创新提出了 单 元水力压裂缝网增透、单孔水力冲孔出煤卸压”的低透气煤层冲压协同增透抽采工艺, 水力压冲协同增透效果显著。

7、工程研究成果经中国煤炭工业协会组织专家鉴定到达国际领先水平，获得协会科 技进步奖2项，授权创造专利11项，软件著作权1项，实用新型专利8项，发表核 心期刊学术论文10篇。本工程的研究成果成功应用于贵州、河南等地多座矿井，瓦斯平均抽采浓度提高了 倍，平均抽采纯量提高了 倍,累计创 造经济效益1.83亿余元，有效防止了煤与瓦斯突出事故的发生，产生了了巨大的经 济效益和社会效益。工程开展过程中为贵州豫能投资培养了大量的煤与瓦斯 突出专业防治人员，有力保障了贵州等地区高瓦斯矿井的平安生产，推动了煤炭工业 灾害防治的科技进步。主要知识产权和标准规范等目录知识 产权 （标 准） 类别知识产权 （标准） 具

8、体名称国家 （地区）授权号（标 准编号）授权（标准 发布）日期证书编 号（标准 批准发 布部门）权利人（标 准起草单 位）创造人（标 准起草人）创造专 利（标 准）有效 状态创造 专利一种水力 错动卸压 增透抽采 煤层瓦斯 方法中国ZL.82018-06-29河南能源 化工集团 研究总院 陶云奇、刘 东、马耕、 王洪盘、孟 杰、杨程 涛、王峰、 李锋、周正 涛 J专利权 有效创造 专利一种松软 煤层回采 工作面增 透抽采瓦 斯的装置 及其方法中国ZL20.22017-07-28河南理工 大学刘晓、张鹏 伟、马耕、 李锋、苏现 波、陶云 奇、史杨专利权 有效创造 专利一种水力 压、冲、 抽一体化

9、 封孔装置 及方法中国ZL.42017-10-10河南理工 大学刘晓、张鹏 伟、倪小 明、马耕、 苏现波、蔺 海晓、李锋专利权 有效创造 专利煤层气开 采物理模 拟试验用 冲孔装置中国ZL.42017-5-24重庆大学， 河南能源 化工集团 研究总院 许江，陶云 奇，尹光 志，马耕， 彭守建,刘 东，冯丹，专利权 有效刘晓，王维 忠，唐勖 培，武雪 锋,刘龙荣创造 专利一种煤矿 井下钻孔 分段定点 水力压裂 固孔装置 及方法中国ZL.22017-11-03河南理工 大学刘晓、张鹏 伟、马耕、 苏现波、陶 云奇、李锋专利权 有效创造 专利多场耦合 低渗松软 煤层冲孔 卸压抽采 模拟试验 方法中国

10、ZL.22017-07-18河南能源 化工集团 研究总院 ， 重庆大学陶云奇、尹 光志、马 耕、彭守 建、刘东、 许江、刘 晓、武雪 锋、王维 忠、冯丹、 唐勖培、陈 月霞专禾1权 有效创造 专利一种提高 煤矿井下 水力压裂 增透增产 的方法中国ZL20.42020-05-22河南理工 大学刘晓、蔺海 晓、韩颖、 倪小明、李 贤忠、张帆专利权 有效创造 专利一种提高 瓦斯抽采 浓度的装 置及方法中国ZL.92017-05-17河南理工 大学刘晓、吴立 云、王利、 韩颖、张鹏 伟、郭红 玉、李锋专利权 有效创造 专利煤层群井 地联合分 层压裂分 组合层排 采方法中国ZL.62017-03-22河南理工 大学刘晓、马 耕、苏现 波、陶云 奇、李锋专利权 有效创造 专利一种利用 拦截控制 的顺层区 域水力压 裂方法中国ZL.72019-01-29重庆大学李全贵、胡 千庭、梁运 培、裴文 洲、王晓 光、姜志专利权 有效忠、张洋洋创造 专利一种防治 厚煤层开 采过程中 瓦斯超限 的方法及 装置中国ZL.42017-04-26河南理工 大学刘晓、李 锋、马耕、 李贤忠、陶 云奇、张 帆、冯云飞专利权 有效软件 著作煤层水力 压裂效果 评价方法 分析系统V1.01中国2020SR2020-10-28重庆大学李全贵、张 跃兵、姜志 忠、胡良 平、胡千庭有效