论文部分内容阅读
晋城赵庄矿煤体总体瓦斯渗透率低,煤储层小构造发育,致使煤体破碎,瓦斯突出情况较严重。巷道掘进和工作面采煤之前,要预先打瓦斯钻孔进行瓦斯抽放,在施工钻进过程中,出现塌孔、不返风、卡钻和压力大等现象。经分析,这些瓦斯钻孔的出现,和煤体结构关系密切。因此本论文从煤体结构入手,力求从煤体结构的研究中找到问题产生的本质原因,以此为依据评价各种钻孔施工技术方案在应用中的优劣性,提出解决瓦斯钻孔问题的思路,并提出改进的建议,以期最终解决瓦斯抽放中的遇到的难题。本次研究主要认识如下:
(1)煤体结构特征与类型煤体结构可分为碎裂煤、碎粒煤、粉状煤与片状煤四类。
碎裂煤:光泽亮与半亮,受两组以上密集的、相互交叉的裂隙或节理切割而成的碎块,节理密度每10cm5-30条节理;碎块大小多为0.3 cm-3 cm,呈尖棱角状,相互之间没有大的移位和移动。
碎粒煤:煤层受到应力作用,煤的原生结构、构造完全被破坏,煤体破碎成粒状,并被重新压紧后形成。颗粒相互摩擦失去棱角成为等粒结构,粒径在0.1-0.3 cm。光泽半亮或暗淡,有时可见斑状结构,磨圆度差,无定向排列。
粉状煤(糜棱煤):构造活动过程中,煤层发生顺层滑动,碎煤粒之间相互摩擦而成,粒度小于0.1mm。土状光泽,在煤层中呈块状,但手捏即成煤粉。
片状煤:凸镜片状煤呈片状或鳞片状紧密叠置,排列有序。煤片边缘薄,中间稍厚,煤面半径约2cm,煤片光亮,煤面较光滑,表面可见大量擦痕,煤面偶见突起。等厚片状体在煤层中也可见到,煤面半径一般小于1cm,煤片光滑、光亮,表面基本无摩擦痕迹,受力较碎粒煤小,由节理切割未发生位移所致。
(2)构造软煤体构造软煤体是粉煤与碎粒煤的组合。构造软煤体主要分垂向发育与顺层发育两种方式:垂向发育的构造软煤体是构造软煤充填裂隙的结果,裂隙在较大构造应力作用下,进一步错动挤压,裂隙规模扩大的同时,裂隙内的煤体破碎成为碎粒煤和粉煤,形成以垂向发育为主的构造软煤体,容易成为瓦斯流动与逸散的通道;软弱层与强硬层之间的滑动,软弱层易破碎成为顺层发育的构造软煤体,其渗透性差,抵抗力弱,容易封存大量瓦斯,有瓦斯突出的危险。
(3)断层与褶曲构造形态下的瓦斯赋存特征:
向斜——两翼和轴部上部为压应力状态,煤层闭合;两翼下部在压剪力作用下产生顺层的构造软煤带;轴部下部为张应力状态,裂隙发育。向斜轴部煤层加厚,瓦斯封存,压力大,易成为瓦斯突出的地点。
背斜——两翼和轴部下部为压应力状态,煤层闭合;两翼上部在压剪力作用下产生顺层的构造软煤带;轴部上部为张应力状态,裂隙发育。背斜轴部煤层减薄,瓦斯不易封存。倾伏背斜轴部瓦斯易保存,煤层加厚,压力大,易成为瓦斯突出的地点。
断层——正逆断层附近煤体结构分布复杂,在断层面煤储层为开放状态,因为断层反映了一定的高应力状态,远离断层,煤储层处于高度的开放或封闭状态,封闭状态的煤体容易封存大量瓦斯,产生高瓦斯压力,有瓦斯突出的危险。
(4)煤体结构特征与孔壁稳定性的关系一类与二类瓦斯抽放孔属于稳定抽放孔,不塌孔,在原生煤这两类抽放孔常见,原生煤不受构造应力影响或影响较小,煤体完整或只发育一组节理,节理稀疏。
碎裂煤发育地区三类孔常见,在此类煤体中钻进容易造成塌孔。
软煤体发育区见四类孔,不返风、见矸以及压力大等情况均容易发生在软煤区。
五类孔见于煤体破碎带,因构造复杂,各类构造煤在空间交叉出现,钻孔基本不成型。
(5)对增加孔壁稳定性技术方案的评价与建议赵庄试行的三种方案——螺旋钻杆钻进、三棱钻杆钻进和浆液技术都有其各自的优点和缺点,螺旋钻杆衔接方式不稳定,可以仿光杆首尾设置成螺纹。通过旋转方式相接,可增加稳定性,节省时间,以提高效率。三棱钻杆可和浆液技术结合使用,针对塌孔可通过浆液注入煤层以达到护住孔壁的目的,掉落的较大煤粒可通过三棱钻杆的转动进行二次破碎达到可以排出粒径大小。但混合浆液的煤屑产生较大的粘滞性,风动力难以将其排出,因此注浆后建议注水钻进以便排出碎煤粒。
地面抽采井压裂技术:通过地面抽采井的压裂,裂隙被撑开并连通,瓦斯通过流动方式重新分配,从高低点状态变成均衡状态,有效地减少了煤层中的高瓦斯压力点;加速了瓦斯的流动,空间的增大为瓦斯的快速解吸创造了有利条件,在较短时间内抽放大量的瓦斯,瓦斯浓度迅速降低,有助于提前进行煤层掘进和开采。瓦斯压力释放,还起到一个稳定煤层的作用,有效减少钻孔钻进到高瓦斯压力带瓦斯压力对煤层冲击造成破坏,从而引起的塌孔情况。煤层压裂砂的填充也对煤层起到一定的稳固作用。
抽采井位置可适当远离构造区,提高破裂压力,达到更大范围的裂隙沟通,更有利于瓦斯的长时间和大面积抽放。