强强联手协同创新突破煤层瓦斯高效抽采难题Word格式.docx
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在国际上首创瓦斯地质学科,在煤层气资源开发利用和矿井瓦斯灾害治理领域内取得一系列独创性成果,承担国家重大专项课题“大型油气田及煤层气开发”,负责组织编制中国煤矿瓦斯地质图;
“瓦斯预测与治理”教育部创新团队在瓦斯地质与瓦斯预测、瓦斯灾害防治等方面取得了一系列在国内外产生重要影响的成果。
近5年来,累计获得科研经费近6.5亿元;
年度科研经费2亿元,累积承担包括973项目、国家自然科学基金和科技攻关项目在内的国家级项目63项,完成省部级各类项目和企事业单位委托的技术服务与技术开发项目2000余项;
获得国家级奖励18项,获得省部级科技进步奖120项,自主研发的20多个专利产品在全国各大煤业集团及石油企业广泛应用,为煤炭企业技术进步和安全生产发挥了重要作用。
2、河南煤业化工集团有限责任公司简介
河南煤业化工集团有限责任公司(以下简称“河南煤化集团”),是2008年12月5日经河南省委、省政府批准,由永煤集团、焦煤集团、鹤煤集团、中原大化集团、河南煤气集团等5家单位战略重组成立的国有独资公司,是一家集煤炭、化工、有色金属、装备制造、物流贸易、建筑矿建、现代服务业等产业相关多元发展的特大型能源企业集团。
位居2012年世界500强企业第397位、中国企业500强第58位,连续2年进入世界著名品牌500强,连续3年位列中国煤炭开采和洗选业行业“效益十佳”第1位。
河南煤化集团产业遍布河南、贵州、新疆、内蒙古、安徽、四川、青海、陕西、上海等省(自治区、市)以及几内亚等国家。
拥有煤炭资源储量400多亿吨,形成了煤炭勘探开发、洗选加工、销售和高效利用一体化产业体系;
拥有钼金属资源储量140多万吨,拥有钼资源储量位居国内前列;
拥有国内外铝土矿资源近16亿吨;
钼、铝产业均形成了从采矿、选矿、深加工、贸易直至消费终端一体化的完整产业链;
掌握煤化工世界高端技术,将在河南建成国内最大的高性能碳纤维生产基地、亚洲最大的聚甲醛生产基地、全球最大的煤制乙二醇生产基地,全力打造煤炭综合利用最完善、产品链耦合度最科学、产业链最系统完整的现代新型高科技煤化工产业园区(体系);
所属洛阳LYC轴承集团是中国轴承行业规模最大的综合性轴承研发制造企业之一,开封空分集团是中国自行设计与制造大、中型空气分离设备的重点骨干企业,分别拥有国家级轴承研究中心和空分研究院。
依托洛阳LYC轴承集团、开封空分集团和河南煤化重装公司,将倾力打造国际一流的轴承研发生产基地、空分基地和煤机制造基地。
河南煤化集团将以科学发展为主题,以加快转变经济发展方式为主线,坚持文化引领、创新带动,持续调整优化产业产品结构,持续推进体制机制改革,追求全面、协调、可持续发展。
紧紧围绕国家产业规划和中原经济区战略部署,依托矿产资源优势,致力于打造现代采选业、高端化工业、现代制造业和现代服务业,加快河南、贵州、新疆、内蒙古等大战略基地建设,努力把河南煤化集团建设成为股权结构优化、产业结构合理、管理模式科学、企业文化先进、核心竞争力突出的国际一流的现代化企业集团,为国民经济和社会发展作出积极贡献。
二、项目合作
1、项目特点
“煤矿井下水力强化抽采瓦斯关键技术及示范”项目以河南煤化集团所属的焦煤公司中马村矿与鹤壁中泰矿业为试验区,以研究煤岩体结构的定量表征和瓦斯运移产出为出发点,初步构建煤矿井下水力强化抽采瓦斯理论基础,根据煤体结构类型建立不同的水力强化增透抽采瓦斯工艺技术,进行工业性试验,建立水力强化抽采瓦斯示范点,制定相关技术规范,使水力强化成为一种常规的瓦斯抽采工艺技术,达到区域消突与获取商品浓度瓦斯的双重目标。
2、合作过程
在国家对煤矿瓦斯治理工作高度重视的形势下,我国煤矿瓦斯抽采工作却存在着极大的技术瓶颈和困难。
据统计,全国95%以上的高瓦斯和突出矿井开采的煤层属于低透气性煤层,渗透率多在10-3~10-4md数量级,瓦斯抽采(特别是预抽)影响范围小、衰减速度快、抽采难度大。
由于现有的瓦斯抽采技术无法有效解决低透气性煤层有效抽采的难题,直接造成矿井瓦斯抽采率低下,“抽、采、掘”比例失衡。
为了瓦斯治理,低透气性高突矿井不得不投入大量的人力、物力、财力用于瓦斯抽采,但由于缺乏抽采技术的突破,或者是矿井发展步履维艰,或者是因抽采治理不彻底导致瓦斯超限频繁、安全隐患严重、瓦斯事故频发,严重威胁煤矿安全生产。
为了摆脱安全发展的不利局面,切实打造本质安全型的现代化矿井,研究解决低透气性煤层条件下的高效抽采技术,已经成为河南煤化集团瓦斯治理的当务之急,也是国内外同类矿井必须面对和解决的首要难题。
深入研究有效的低透气性煤层增透技术及工艺,形成可以示范推广的增透抽采技术及标准,开辟低透气性煤层瓦斯抽采的新途径,必将产生深远的影响,具有重要的意义。
3、高校在产学研合作中的科技支撑作用
(1)充分发挥高校院校的科研实力,重点负责基础理论研究和相关技术研发,主要成果包括:
✧初步建立了煤矿井下水力强化的理论基础
建立了煤岩体结构地质强度指标(GSI)的定量表征方法,揭示煤岩体结构与渗透率的关系,证实了瓦斯运移产出多流态的存在,构建了各种流态的数理模型,对水力强化的数理模型进行完善,为水力强化提供理论支撑。
✧探讨了煤矿井下水力强化的增透机理
从裂隙的形成机制和应力场、压力场的重新分布等探讨了常规水力压裂、吞吐水力压裂、水力压冲和水力喷射压裂四种强化类型的增透机理。
✧提出了虚拟储层水力强化抽采瓦斯观点
提出了虚拟储层水力强化抽采瓦斯观点,通过现场试验解决了低透气性、突出煤层抽采效果差的难题,探索出了一种煤矿井下抽采瓦斯新途径。
✧形成了煤矿井下水力强化抽采瓦斯工艺技术
以上述理论为支撑,通过现场工业性试验,初步形成了煤矿井下水力强化抽采瓦斯的成套工艺技术。
(2)现场服务指导
针对鹤壁中泰矿业和中马村矿具体条件和试验内容,按照“条件成熟一个,组织实施一个”的原则,分别组织实施水力强化现场试验。
工作流程为制定水力强化实施方案、现场组织实施及数据采集、水力强化效果评价及总结,以保证整个项目的顺利完成。
项目组由项目负责人、现场人员和室内人员共同组成,由项目负责人统一管理。
项目负责人牵头开展项目组和各有关部门间的协调工作;
对整个项目建设过程的进度、计划、质量等活动进行宏观监督,同时负责整个项目全过程的所有管理职责,保证各小组的工作保持技术上的一致性,定期地检查项目计划的完成情况和质量。
室内人员主要负责煤体结构增透实验和数据分析、瓦斯运移产出过程的理论分析、煤矿井下水力强化设计和效果分析。
现场人员负责现场调研、资料收集、现场实施和瓦斯参数测试。
课题组定期由项目负责人召集碰面讨论项目的进展及遇到的难题。
三、解决的问题与创新点
1、解决的问题
通过实验室测试、数值模拟和现场试验,揭示了煤矿井下水力强化的增透机理,初步形成了一套水力强化抽采瓦斯的工艺技术,在鹤壁中泰矿业有限公司和焦煤公司中马村矿进行了工业性试验,初步在焦煤公司新河矿推广应用,取得了如下主要研究成果:
(1)初步形成了水力强化理论基础
采用地质强度指标(GSI)对煤岩体结构进行了定量表征,克服了以往煤体结构定性描述的不足,使得非完整煤岩体力学参数的获取成为可能;
通过实验室实验,揭示了GSI与渗透率的关系。
据此,进一步完善了水力强化数理模型,可以准确确定滤失系数、破裂压力、延伸压力和裂缝几何形态,使水力强化设计有据可依。
建立了基于启动压力梯度和地质强度指标(GSI)的瓦斯流态判别方法,证实了瓦斯运移产出除线性渗流外,还有非线性渗流和扩散;
指出GSI≥45的硬煤储层瓦斯运移产出为解吸—扩散—低速非线性或线性渗流,GSI<45的软煤储层为解吸—微孔扩散—大孔扩散。
阐明了不同水力强化工艺条件下的瓦斯运移产出规律。
(2)揭示了煤矿井下水力强化增透机理
以水力强化理论基础为支撑,形成了常规水力压裂、吞吐水力压裂、水力喷射压裂和水力压冲四种强化类型,从裂隙形成和卸压两个方面阐述了各自的增透机理。
通过应力应变—煤体结构—渗透率耦合实验和数值模拟,揭示了常规水力压裂增透在于形成裂缝;
吞吐水力压裂以自我支撑的多裂隙体系和排粉释放地应力增透为主要途径;
水力喷射压裂可实现钻孔自我封隔,分段、定位、定向压裂;
水力压冲能大量排出煤粉实现卸压增透。
(3)研发了虚拟储层抽采瓦斯技术
建立了虚拟储层—煤层整体水力强化增透抽采瓦斯技术,探索出了一种煤矿井下瓦斯抽采新途径。
对软煤来说,避开了抽采钻孔成孔、维护的困难,解决了无法直接采用水力强化措施改变其渗透性问题;
对硬煤而言,该工艺可以同时在虚拟储层和煤层中形成立体裂隙网络,通过虚拟储层实现了间接抽采煤层瓦斯。
(4)形成了煤矿井下水力强化工艺技术
根据煤岩体结构(GSI)选择水力强化类型、优化钻孔设计、选择封孔工艺、确定水力强化技术参数、研发了水力强化专用压裂泵组及其配套装备,可进行远程监控水力强化;
通过多种手段对强化效果进行评价,形成了煤矿井下水力强化抽采瓦斯的成套工艺技术。
(5)进行了工业性试验
依据水力强化相关理论,在鹤壁中泰矿业、焦煤公司中马村矿进行了工业性试验,效果显著。
(6)制定了水力强化四个技术规范
✧《煤矿井下水力强化设计规范》
✧《煤矿井下水力强化安全技术要求》
✧《煤矿井下水力强化作业规程》
✧《煤矿井下水力强化效果评价方法》
(7)申请了相关专利12项
✧井下钻孔水力压裂系统(201020209285.7)
✧井下钻孔钻压一体化分段压裂装置(201020690228.5)
✧孔口锚固器(201020688477.0)
✧一种煤矿井下钻孔水力压裂裸眼封隔器(201020213844.1)
✧煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺(200810230940.4)
✧一种可回收导向式筒滑高压封隔器(201020209281.9)
✧煤矿井下钻孔水力压裂应力边界确定及消除方法(201110097309.3)
✧煤层气储盖层立体缝网改造增透技术(201110321363.1)
✧高突矿井煤与瓦斯共采一体化开采方法(201110321438.6)
✧井上下联合压裂增透抽采瓦斯的方法(201110321436.7)
✧煤矿井下石门揭煤的快速消突方法(201110185982.2)
✧井下钻孔钻压一体化分段压裂装置及抽采瓦斯工艺(201010614505.9)
2、创新点
(1)初步建立了煤矿井下水力强化的理论基础
(2)探讨了煤矿井下水力强化的增透机理
(3)提出了虚拟储层水力强化抽采瓦斯观点
(4)形成了煤矿井下水力强化抽采瓦斯工艺技术
(5)研发了煤矿井下水力强化专用压裂泵组及其配套装备。
四、产生的经济效益及经验模式
1、推广前景
目前该技术主要应用范围在河南煤业化工集团公司,但同时有部分工艺在山西阳泉煤业集团和山西焦煤集团公司也进行了现场实施,大规模的现场实施工作也已经全面展开。
煤矿井下水力强化抽采瓦斯关键技术由于考虑了不同煤体结构采用不同的工艺技术体系,可以实现工作面快速消突和煤巷掘进的条带消突,因此该成果向全国煤炭企业进行推广中具有广阔的空间。
推广思路是以河南煤业化工集团公司下属煤矿为基础,建立若干个水力强化抽采瓦斯示范点,继续完善相关的理论和工艺技术,逐步向其它煤矿企业铺开实施,并不断丰富与改进水力强化增透抽采瓦斯的适应性,提高增透效果,在此基础上有步骤的向全国煤矿企业推广应用。
目前重庆能投有限责任公司已经得到了大规模的推广应用。
2、经验模式与下一步研究方向
(1)完善水力强化理论
煤矿井下水力强化的理论还需进一步完善。
(2)进行连续油管压裂试验
研制煤矿井下专用连续油管压裂装备,与水力喷射压裂相结合,实现压裂不封孔、定点定位、分段压裂,使得煤矿井下水力强化低成本、快捷化,最大限度实现煤层—虚拟储层体积改造。
(3)井地联合水力强化技术
在地面建立压裂泵站,并施工连通井,在井下施工压裂钻孔,地面压裂泵站提供的大排量、携砂压裂液通过连通井对井下钻孔实施大规模压裂。
这样不仅克服了地面煤层气井施工成本高、周期长、抽采缓慢的不足,又克服了井下压裂规模小、不能加砂的弊端,从而形成一种瓦斯高效抽采的新途径。
(4)水力强化技术规范的制定与数值模拟软件的开发
煤矿井下水力强化是瓦斯高效抽采的一种新途径,其大规模推广应用,必须制定完善的水力强化标准化、研制水力强化数值模拟软件,使水力强化工艺实现标准化、程序化、规范化实施。
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