CN104297069A - 含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验装置技术领域，它公开了一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置及方法，该装置包括用于容纳立方体煤样的密封腔体，还包括声发射监测单元、围压单元、水力压裂单元和瓦斯注入单元，所述围压单元通入所述密封腔体内对立方体煤样施加围压，所述瓦斯注入单元通入所述密封腔体对立方体煤样注入瓦斯气体，所述水力压裂单元通入所述密封腔体对立方体煤样进行水力压裂，所述声发射监测单元通入所述密封腔体对立方体煤样采集声发射信号。本发明能监测分析不同瓦斯压力、不同煤体强度及不同压力条件下含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤，本发明结构简单，监测方法简单，易于操作。

Description

含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置及方法

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，尤其涉及到一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置及方法。

背景技术

我国多数矿区已进入深部开采，深部煤层的地应力更大、煤层的透气性更低、瓦斯抽采的难度更大。井下水力压裂技术具有压裂范围大、卸压范围大、增透效果明显的优点，结合我国当前技术经济条件，水力压裂煤层提高透气性技术是最经济的瓦斯灾害防治技术措施之一。同时针对保护层及单一突出危险煤层，水力压裂技术也是提高渗透率和水、气导流能力最为重要的技术措施之一。在地面水力压裂的实验研究方面，国内已有的装置及方法主要侧重于不含气体条件下煤岩体水力压裂的起裂压力、裂纹扩展等起裂规律方面的研究。由于瓦斯气体的存在，特别是高瓦斯压力对于煤岩体的物理力学性质有很大影响，因而含瓦斯气体条件下水力压裂对煤岩体的损伤特征必然不同于不含气体条件下。然而，国内还未有可进行含瓦斯煤体水力压裂动态损伤的监测装置及方法，因而急需研制一种可对不同瓦斯压力下的含瓦斯煤体水力压裂动态损伤的监测装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可对不同瓦斯压力条件下的含瓦斯煤体水力压裂动态损伤的模拟监测装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，包括用于容纳立方体煤样的密封腔体，所述密封腔体包括腔体底座、腔体侧壁、密封盖和压舌，所述压舌穿过所述密封盖对立方体煤样施加垂向压力，该监测装置还包括声发射监测单元、围压单元、水力压裂单元和瓦斯注入单元，所述围压单元通入所述密封腔体内对立方体煤样施加围压，所述瓦斯注入单元通入所述密封腔体对立方体煤样注入瓦斯气体，所述水力压裂单元通入所述密封腔体对立方体煤样进行水力压裂，所述声发射监测单元通入所述密封腔体对立方体煤样采集声发射信号。

优选的，所述声发射监测单元包括声发射信号分析仪、至少六个声发射探头及声发射信号线，所述声发射探头分布在所述密封腔体内，所述声发射信号线一端与所述声发射探头连接，所述声发射信号线另一端与位于密封腔体外的所述声发射信号分析仪相连。

优选的，所述的围压单元包括氮气管、高压氮气瓶和压力机，所述氮气管上设有围压卸压阀，所述氮气管通入所述密封腔体内，所述高压氮气瓶通过减压阀与所述氮气管连接，所述压力机的输出端连接所述压舌。

优选的，所述瓦斯注入单元包括高压软管和高压瓦斯气瓶，所述高压瓦斯气瓶通过气路阀门与所述高压软管相连，所述高压软管通入到所述密封腔体内。

优选的，所述水力压裂单元和所述瓦斯注入单元共用所述高压软管，在所述高压软管与所述水力压裂单元、瓦斯注入单元连接的管路上设置有三通阀，所述水力压裂单元包括压裂水泵、水箱，所述压裂水泵通过水路阀门与所述高压软管相连。

优选的，所述含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括数据采集仪，以及分别连接所述数据采集仪的水路压力传感器、气路压力传感器，所述水路压力传感器连接采集水力压裂单元，用于监测注入的水压，气路压力传感器连接于高压软管，用于监测高压软管中的气压。

更优选的，所述含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置还包括真空泵，所述真空泵通过真空泵阀门与所述高压软管连接，用于对所述高压软管抽真空。

本发明还公开了一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置的监测方法，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成立方体煤样；

(2)、在煤样正中位置设有压裂钻孔，将高压软管伸入压裂钻孔内，并采用密封胶将高压软管管壁与压裂钻孔孔壁密封；

(3)、在煤样指定位置布置所述声发射探头；

(4)、在煤样表面上涂抹密封层；

(5)、所述氮气管通入所述密封腔体内，且所述氮气管位于所述煤样体外；利用压力机通过所述压舌向所述煤样施加指定的垂向压力，同时打开减压阀，通过所述高压氮气瓶向所述密封腔体内加压，达到指定压力后关闭减压阀；

(6)、关闭监测装置的所有阀门，打开真空泵阀门，利用真空泵对高压软管抽真空30—40分钟后，关闭真空泵阀门；

(7)、打开气路阀门，利用所述高压瓦斯气瓶向煤样内注入指定压力的瓦斯气体，注气24—72小时煤体吸附瓦斯平衡后关闭气路阀门。

(8)、使所述水路阀门的水平高度低于所述压裂钻孔的水平高度，通过所述压裂水泵向高压水管内注入高压水，直至水路压力传感器达到气路压力传感器示值后，停止压裂水泵；

(9)、开启声发射信号监测仪和数据采集仪，打开水路阀门，开启压裂泵向煤样内注入高压水进行压裂试验，实时采集声发射信号和压力信号；

(10)、利用实时监测的声发射信号的事件数和强度来分析水力压裂煤体的破裂特征，并利用声发射实时定位分析技术，对水力压裂过程煤样的声发射源实时定位，利用定位点的时空变化来分析水力压裂煤体的动态损伤。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，本发明能监测分析不同瓦斯压力、不同煤体强度及不同压力条件下含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤，本发明结构简单，监测方法简单，易于操作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明具体使用的结构示意图；

图中，1—腔体底座，2—腔体侧壁，3—密封盖，4—压舌，5—声发射信号分析仪，6—声发射信号线，7—声发射探头，8—高压氮气瓶，9—减压阀，10—氮气管，11—围压卸压阀，12—高压瓦斯气瓶，13—气路阀门，14—高压软管，15—压裂水泵，16—水箱，17—水路压力传感器，18—水路阀门，19—卸压阀门，20—气路压力传感器，21—气路压力传感器线，22—数据采集仪，23—煤样，24—压裂钻孔，25—密封胶，26—硅胶，27—压力机，28—真空泵，29—水路压力传感器线，30—三通阀,31—真空阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

如图1、图2所示，一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，包括用于容纳立方体煤样的密封腔体，密封腔体包括腔体底座1、腔体侧壁2、密封盖3和压舌4，压舌4穿过密封盖3对立方体煤样施加垂向压力，该监测装置还包括声发射监测单元、围压单元、水力压裂单元和瓦斯注入单元，围压单元通入密封腔体内对立方体煤样施加围压，瓦斯注入单元通入密封腔体对立方体煤样注入瓦斯气体，水力压裂单元通入密封腔体对立方体煤样进行水力压裂，声发射监测单元通入密封腔体对立方体煤样采集声发射信号。

本实施例中，声发射监测系统包括声发射信号分析仪5、至少六个声发射探头7及声发射信号线6，声发射探头7分布在密封腔体内，声发射信号线6一端与声发射探头7连接，声发射信号线6另一端与位于密封腔体外的声发射信号分析仪5相连。

本实施例中，围压单元包括氮气管10、高压氮气瓶8和压力机27，氮气管10上设有围压卸压阀11，氮气管10通入密封腔体内，高压氮气瓶8通过减压阀11与氮气管10连接，压力机27的输出端连接压舌4。

本实施例中，瓦斯注入单元包括高压软管14和高压瓦斯气瓶12，高压瓦斯气瓶12通过气路阀门13与高压软管14相连，高压软管14通入到密封腔体内。

本实施例中，水力压裂单元和瓦斯注入单元共用高压软管14，在高压软管14与水力压裂单元、瓦斯注入单元连接的管路上设置有三通阀30，水力压裂单元包括压裂水泵15、水箱16，压裂水泵通过水路阀门18与高压软管14相连。

本实施例监测装置还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括数据采集仪22，以及分别连接数据采集仪22的水路压力传感器17、气路压力传感器20，水路压力传感器17连接采集水力压裂单元，用于监测注入的水压，气路压力传感器20连接于高压软管14，用于监测密封腔体中的气压。

本实施例监测装置还包括真空泵28，真空泵28通过真空泵阀门31与高压软管14连接，用于对高压软管14抽真空。

结合图2，本发明的一种煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测方法，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成为100×100×100mm或150×150×150mm的立方体煤样23；

(2)、在煤样23正中位置施工内径为10mm，深度为50—70mm的压裂钻孔24，将高压软管14伸入孔内40—70mm，并采用密封胶25将高压软管14管壁与压裂钻孔24孔壁密封；

(3)、在煤样23表面安置声发射探头7，通过穿过腔体侧壁2的声发射信号线6与声发射信号分析仪5连接；

(4)、将硅胶26均匀抹在煤样23的所有表面，厚度为5—10mm；

(5)、利用压力机27向煤样23施加指定的垂向载荷，同时利用高压氮气瓶8向密封腔体内注入指定压力氮气对煤样23施加围压；

(6)、关闭试验装置的所有阀门，打开真空泵阀门31，利用真空泵28对管路抽真空30—40分钟后，关闭真空泵阀门31；

(7)、打开气路阀门13，利用高压瓦斯气瓶12向煤样23注入指定压力的瓦斯气体，待24—72小时煤样23吸附瓦斯平衡后关闭瓦斯气路阀门13；

(8)、保证与压裂泵15连接的管路须竖直向上，且水路阀门18的水平高度须低于压裂钻孔24的水平高度，利用压裂泵15向管路注水，直至水路压力传感器17达到气路压力传感器20的示值，停止压裂泵15；

(9)、开启声发射信号监测仪5和数据采集仪22，打开水路阀门18，开启压裂泵15向煤样23注入高压水进行压裂试验，实时采集声发射信号和压力信号；

(10)、利用实时监测的声发射信号的事件数和强度来分析水力压裂煤体的破裂特征，并利用声发射实时定位分析技术，对水力压裂过程煤体的声发射源实时定位，利用定位点的时空变化来分析水力压裂煤体的动态损伤。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，包括用于容纳立方体煤样的密封腔体，所述密封腔体包括腔体底座、腔体侧壁、密封盖和压舌，所述压舌穿过所述密封盖对立方体煤样施加垂向压力，该监测装置还包括声发射监测单元、围压单元、水力压裂单元和瓦斯注入单元，所述围压单元通入所述密封腔体内对立方体煤样施加围压，所述瓦斯注入单元通入所述密封腔体对立方体煤样注入瓦斯气体，所述水力压裂单元通入所述密封腔体对立方体煤样进行水力压裂，所述声发射监测单元通入所述密封腔体对立方体煤样采集声发射信号。

2.根据权利要求1所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，所述声发射监测单元包括声发射信号分析仪、至少六个声发射探头及声发射信号线，所述声发射探头分布在所述密封腔体内，所述声发射信号线一端与所述声发射探头连接，所述声发射信号线另一端与位于密封腔体外的所述声发射信号分析仪相连。

3.根据权利要求1所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，所述的围压单元包括氮气管、高压氮气瓶和压力机，所述氮气管上设有围压卸压阀，所述氮气管通入所述密封腔体内，所述高压氮气瓶通过减压阀与所述氮气管连接，所述压力机的输出端连接所述压舌。

4.根据权利要求1所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，所述瓦斯注入单元包括高压软管和高压瓦斯气瓶，所述高压瓦斯气瓶通过气路阀门与所述高压软管相连，所述高压软管通入到所述密封腔体内。

5.根据权利要求4所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，所述水力压裂单元和所述瓦斯注入单元共用所述高压软管，在所述高压软管与所述水力压裂单元、瓦斯注入单元连接的管路上设置有三通阀，所述水力压裂单元包括压裂水泵、水箱，所述压裂水泵通过水路阀门与所述高压软管相连。

6.根据权利要求5所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，还包括数据采集单元，所述数据采集单元包括数据采集仪，以及分别连接所述数据采集仪的水路压力传感器、气路压力传感器，所述水路压力传感器连接采集水力压裂单元，用于监测注入的水压，气路压力传感器连接于高压软管，用于监测高压软管中的气压。

7.根据权利要求6所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置，其特征在于，还包括真空泵，所述真空泵通过真空泵阀门与所述高压软管连接，用于对所述高压软管抽真空。

8.一种权利要求1—7之一所述的含瓦斯煤体水力压裂诱导动态损伤模拟监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将煤矿井下采集的大块煤体加工成立方体煤样；

(2)、在煤样正中位置设有压裂钻孔，将高压软管伸入压裂钻孔内，并采用密封胶将高压软管管壁与压裂钻孔孔壁密封；

(3)、在煤样指定位置布置所述声发射探头；

(4)、在煤样表面上涂抹密封层；

(5)、所述氮气管通入所述密封腔体内，且所述氮气管位于所述煤样体外；利用压力机通过所述压舌向所述煤样施加指定的垂向压力，同时打开减压阀，通过所述高压氮气瓶向所述密封腔体内加压，达到指定压力后关闭减压阀；

(6)关闭监测装置的所有阀门，打开真空泵阀门，利用真空泵对高压软管抽真空30—40分钟后，关闭真空泵阀门；

(7)打开气路阀门，利用所述高压瓦斯气瓶向煤样内注入指定压力的瓦斯气体，注气24—72小时煤体吸附瓦斯平衡后关闭气路阀门。

(8)、使所述水路阀门的水平高度低于所述压裂钻孔的水平高度，通过所述压裂水泵向高压水管内注入高压水，直至水路压力传感器达到气路压力传感器示值后，停止压裂水泵；

(9)、开启声发射信号监测仪和数据采集仪，打开水路阀门，开启压裂泵向煤样内注入高压水进行压裂试验，实时采集声发射信号和压力信号；

(10)、利用实时监测的声发射信号的事件数和强度来分析水力压裂煤体的破裂特征，并利用声发射实时定位分析技术，对水力压裂过程煤样的声发射源实时定位，利用定位点的时空变化来分析水力压裂煤体的动态损伤。