CN105064920B - 多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，包括以下步骤：前期准备、冲孔前瓦斯吸附、冲孔前瓦斯抽采、结束冲孔前瓦斯抽采、冲孔、冲孔结束、冲孔后瓦斯吸附、冲孔后瓦斯抽采、结束冲孔后瓦斯抽采和同组其他组试验，从而提供了一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，再现实际工况中煤层参数的变化情况，研究冲孔卸压应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析低渗松软煤层冲孔卸压与冲孔水压、冲孔推进速度、转速之间的关系，分析冲孔卸压裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律，并且通过冲孔前后的抽采对比更好的分析冲孔卸压的影响范围及影响机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，主要用于在实验室模拟研究低渗松软煤层的冲孔卸压抽采。
背景技术
目前，煤层中含有大量的煤层气，又称为瓦斯，它不仅是宝贵的资源，也是煤矿地下开采中煤与瓦斯突出潜能的重要组成部分。我国是煤炭资源大国，随着煤炭工业的高速发展和规模骤增，瓦斯涌出量增大，因瓦斯突出、爆炸引起的煤矿事故迅速上升。同时，煤层气又是一种优质、洁净的燃料，如果得到合理的开发、回收和利用，不仅可以减少煤矿事故的发生，保障煤矿的正常生产，还可以解决我国能源紧缺的问题。但是，我国地质条件复杂，煤岩渗透率低，渗透率恰恰是反应煤岩中流体运移难易程度的标志，同时，也是地层损害评价与天然气开采设计的重要参数。现有的提高煤层瓦斯抽采率的主要技术方案有：大直径密集钻孔、水力冲孔、水力压裂架支撑剂技术、水力割缝等。其中水力冲孔主要是通过中高压水冲出煤层中部分煤体和瓦斯，起到卸压、增加煤层透气性、降低煤体弹性势能、降低煤体瓦斯和解吸速度、减小瓦斯膨胀能的效果。
现有对煤层气开采的试验研究主要是模拟研究假三轴条件下煤层渗透率随着应力、瓦斯压力、温度变化而变化的关系，并在此基础上提出各种提高煤层渗透性的方法。虽然这些渗流模拟试验在一定程度上说明了各种影响因素对煤层气流动的影响作用，但鉴于煤层气开采工作的复杂性，这些模拟状态与现场实际情况相差较远，并不能全面地说明实际条件下的煤层气抽采受到各因素的作用。本申请人于2013年提出的申请号为“201310025093.9”的发明专利公开了一种多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，公开了主要由试件箱、外管和内管组成的实验装置，为在实验室进行多煤层联合开采过程中煤层气抽采和多场耦合煤层气抽采的模拟研究提供了切实可行的方法。但是并没有对多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采提出研究方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，用于模拟低渗松软煤层冲孔卸压抽采，为现场作业提供理论指导。
本发明的技术方案如下：一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤一、前期准备
1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，然后根据煤样质量添加一定质量水制成预定含水率；
1b)在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和预埋杆；
1c)盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；
1d)将试件箱置于加载系统中，然后将预埋杆取出，安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接；
步骤二、冲孔前瓦斯吸附
关闭各阀门，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空；然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平；打开瓦斯气源进行充气，直至吸附完成关闭瓦斯气源；
步骤三、冲孔前瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化；
步骤四、结束冲孔前瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤五、冲孔
在预定应力水平下，将力加载改为位移控制；安装冲孔装置，并将冲孔装置与高压水泵相连，进行高压水冲孔，同时收集冲孔出煤及出水；
步骤六、冲孔结束
结束冲孔试验，停止三向加载，拆除冲孔装置，及时清除冲孔孔洞内积水，并采集冲孔孔洞形态图像；
步骤七、冲孔后瓦斯吸附
再次安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接，关闭各阀门，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空；然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平；打开瓦斯气源进行充气，直至吸附完成关闭瓦斯气源；
步骤八、冲孔后瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化；
步骤九、结束冲孔后瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤十、同组其他组试验
改变冲孔水压、冲孔推进速度或冲孔杆转速任一试验参数，重复步骤一至步骤九。
所述预埋杆为长700mm、直径12mm的圆杆。
所述抽采管长50-200mm。
所述步骤二和步骤七中对煤层抽真空直到试件箱内的压力达到1×102Pa，并且打开瓦斯气源充气时，充气压力为0.7MPa，充气时间为48小时。
所述步骤五中，高压水泵的水压为2MPa，冲孔杆转速为60HZ，冲孔推进速度为100mm/min。
所述步骤五中，安装冲孔装置时先对预埋孔的外端进行扩孔形成长150mm、直径450mm的预留孔，然后将冲孔装置的喷嘴伸入预留孔的内端；冲孔的最终深度为700mm。
有益效果：本发明可在实验室内模拟现场工况的低渗松软煤层冲孔卸压抽采，再现实际工况中煤层参数的变化情况，从而研究冲孔卸压应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析低渗松软煤层冲孔卸压与冲孔水压、冲孔推进速度、转速之间的关系，分析冲孔卸压裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律，并且通过冲孔前后的抽采对比更好的分析冲孔卸压的影响范围及影响机制。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
步骤一、前期准备
1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，然后根据煤样质量添加一定质量水制成预定含水率。
1b)在试件箱内煤岩层成型过程中，同时安装传感器和预埋杆。所述试件箱的结构与申请号为“201310025093.9”的发明专利中公开的试件箱结构相同，在此不做赘述。所述预埋杆为长700mm、直径12mm的圆杆。
1c)盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑。
1d)将试件箱置于加载系统中，然后将预埋杆取出，在预埋杆取出后的预埋孔内安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接；所述抽采管的结构与现有煤层气抽采试验所用抽采管的结构相同，当然也可以采用申请号为“201310025093.9”的发明专利中公开的内管中的第一接管作为抽采管，在此不做赘述。并且，抽采管长度为50-200mm，本实施例优选抽采管长100mm。
步骤二、冲孔前瓦斯吸附
关闭各阀门以密封试件箱，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空，直到试件箱内的压力达到1×102Pa；然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平以模拟采深；再打开瓦斯气源进行充气，充气压力为0.7MPa，充气时间为48小时，直至吸附完成关闭瓦斯气源。
步骤三、冲孔前瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化，该过程保持瓦斯气源关闭；
步骤四、结束冲孔前瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤五、冲孔
在预定应力水平下，将力加载改为位移控制；为了更加真实地模拟现场，确保煤粉的顺利排出，避免塌孔的发生，对预埋孔的外端进行扩孔形成长150mm、直径450mm的预留孔，然后安装冲孔装置，将冲孔装置的喷嘴伸入预留孔的内端；再将冲孔装置与高压水泵相连，进行高压水冲孔，同时收集冲孔出煤及出水。所述冲孔装置的喷嘴为现有的前喷形喷嘴，所述高压水泵的水压为2MPa，冲孔杆转速为60HZ，冲孔推进速度为100mm/min，冲孔的最终深度为700mm。要达到预定的应力水平，必须首先采用力加载控制，当力加载控制达到应力水平后通过控制系统调整为位移控制，此时的力为预定的应力水平。在试验过程中保持位移控制，位移不变，冲孔卸压过程会导致力一定程度下降，此时测试系统就会将力的变化情况记录下来。
步骤六、冲孔结束
结束冲孔试验，停止三向加载，拆除冲孔装置，及时清除冲孔孔洞内积水，并采集冲孔孔洞形态图像；
步骤七、冲孔后瓦斯吸附
再次安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接，关闭各阀门以密封试件箱，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空，直到试件箱内的压力达到1×102Pa。然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平以模拟采深；再打开瓦斯气源进行充气，充气压力为0.7MPa，充气时间为48小时，直至吸附完成关闭瓦斯气源。
步骤八、冲孔后瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化，该过程保持瓦斯气源关闭；
步骤九、结束冲孔后瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤十、同组其他组试验
改变冲孔水压、冲孔推进速度或冲孔杆转速任一试验参数，重复步骤一至步骤九。还可改变模拟不同地应力状态，重复步骤一至步骤九。分析冲孔水压、冲孔半径等与地应力之间的关系；可以改变冲孔煤体性质，分析冲孔半径与冲孔煤体性质之间的关系；改变冲孔喷头形态前喷与水平喷头之间的区别。
表一：冲孔卸压抽采模拟试验方案
通过进行表一所示多组试验方案，研究冲孔卸压应力场、裂隙场、渗流场、温度场的变化，分析低渗松软煤层冲孔卸压与冲孔水压、冲孔推进速度、转速之间的关系，分析冲孔卸压裂隙通道与煤层瓦斯流动耦合的时空演化规律，并且通过冲孔前后的抽采对比更好的分析冲孔卸压的影响范围及影响机制。
Claims (6)
1.一种多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、前期准备
1a)将准备好的煤粉按一定粒径配比混合均匀，然后根据煤样质量添加一定质量水制成预定含水率；
1b)在试件箱内煤层成型过程中，同时安装传感器和预埋杆；
1c)盖板安装密封试件箱，并连接好传感器接线至电脑；
1d)将试件箱置于加载系统中，然后将预埋杆取出，安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接；
步骤二、冲孔前瓦斯吸附
关闭各阀门，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空；然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平；打开瓦斯气源进行充气，直至吸附完成关闭瓦斯气源；
步骤三、冲孔前瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化；
步骤四、结束冲孔前瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤五、冲孔
在预定应力水平下，将力加载改为位移控制；安装冲孔装置，并将冲孔装置与高压水泵相连，进行高压水冲孔，同时收集冲孔出煤及出水；并且，在试验过程中，保持位移控制，位移不变；
步骤六、冲孔结束
结束冲孔试验，停止三向加载，拆除冲孔装置，及时清除冲孔孔洞内积水，并采集冲孔孔洞形态图像；
步骤七、冲孔后瓦斯吸附
再次安装抽采管，将抽采管出口与流量计相连；试件箱与瓦斯气源连接，关闭各阀门，启动数据采集系统，打开真空泵对煤层抽真空；然后启动三向应力加载系统，对试件箱的各压杆施加预定的应力水平；打开瓦斯气源进行充气，直至吸附完成关闭瓦斯气源；
步骤八、冲孔后瓦斯抽采
打开抽采管阀门，全程监测各参数变化及瓦斯流量变化；
步骤九、结束冲孔后瓦斯抽采
待试件箱内瓦斯解吸排出完全，停止数据采集系统，结束抽采试验，将流量计及抽采管拆除；
步骤十、同组其他组试验
改变冲孔水压、冲孔推进速度或冲孔杆转速任一试验参数，重复步骤一至步骤九。
2.根据权利要求1所述的多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：所述预埋杆为长700mm、直径12mm的圆杆。
3.根据权利要求1或2所述的多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：所述抽采管长50-200mm。
4.根据权利要求3所述的多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：所述步骤二和步骤七中对煤层抽真空直到试件箱内的压力达到1×102Pa，并且打开瓦斯气源充气时，充气压力为0.7MPa，充气时间为48小时。
5.根据权利要求4所述的多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：所述步骤五中，高压水泵的水压为2MPa，冲孔杆转速为60HZ，冲孔推进速度为100mm/min。
6.根据权利要求5所述的多场耦合低渗松软煤层冲孔卸压抽采模拟试验方法，其特征在于：所述步骤五中，安装冲孔装置时先对预埋孔的外端进行扩孔形成长150mm、直径450mm的预留孔，然后将冲孔装置的喷嘴伸入预留孔的内端；冲孔的最终深度为700mm。
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