CN106285768A - Co2定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，先计算预定致裂点的最大主应力方向，然后沿最大主应力方向对致裂点进行CO₂爆破致裂形成致裂孔，再对致裂孔进行水力压裂致裂增透，并对水力压裂的效果进行探测获得水力压裂影响范围，最后在水力压裂影响范围内进行煤层瓦斯抽采。从而使CO₂沿最大主应力方向释放，显著地提高了CO₂相变爆破致裂裂隙的影响范围；与单一的CO₂定向爆破致裂增透方法相比，显著地提高了增透影响范围；与单一的水力压裂增透方法相比，增透裂隙更加均匀；并且探测水力压裂影响范围之后再合理布置钻孔进行瓦斯抽采，有效地减小了瓦斯抽采钻孔及致裂孔工程量，降低了瓦斯抽采的成本。

Description

CO2定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法

技术领域

本发明涉及一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法,主要用于对煤层进行增透瓦斯抽采。

背景技术

目前，矿井瓦斯是影响我国煤矿安全生产的主要因素，在我国导致人员死亡的煤矿事故中，瓦斯事故所占比重较大，重特大事故尤其突出。同时，煤层气又是一种潜在的洁净的能源，在当前能源紧张的局势下，加快煤层气开发利用，对改善我国能源结构、能源的充分利用和减少环境污染等具有重要的现实意义。研究表明，我国50％以上的煤层为高瓦斯煤层，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.81万亿立方米，居世界第三位，瓦斯储量相对丰富，因此有效开采和利用煤层瓦斯对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产都具有重要意义。

为了划分煤层瓦斯抽采难易程度，相关学者提出了“煤层透气性系数”的概念，它是表征煤层对瓦斯流动的阻力、反映瓦斯沿煤层流动难易程度的系数。《GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》按照煤层透气性系数对煤层瓦斯抽采难易程度进行划分，规定煤层透气性系数小于0.1(m²/MPa²·d)即为较难抽采煤层。中国矿业大学周世宁院士研究指出“我国埋深2000米以内煤层气地质资源量约36.81万亿m³，由于我国煤层气赋存条件复杂，煤层渗透率一般在(0.1～0.001)×10^-3μm²范围内，比美国低2～3个数量级，造成我国煤层瓦斯含量高、煤矿安全生产形势严峻。”因此需要对煤层进行人工强化增透。有关学者提出了采用水力压裂、深孔预裂增透等措施取得了一定的效果，但在应用过程中还存在种种不足，因此，迫切需要提出一种新的煤层增透瓦斯抽采方法及其设备。

近年来，一些学者提出了采用液态二氧化碳相变致裂技术进行低渗煤层增透的方法，其增透原理有两方面：第一，利用相变瞬间释放的压力使得岩体产生张拉裂隙，致使煤体破碎，增加煤岩体内瓦斯运移通道；第二，致裂瞬间大量二氧化碳气体，煤体对二氧化碳的吸附能力远大于甲烷，游离状态的二氧化碳被煤体吸附，占据一定的吸附位，致使煤体内吸附状态的甲烷转化为游离状态，从而增加煤层裂隙内的游离瓦斯含量。在以上两方面作用下，由负压抽采系统将裂隙内游离瓦斯汇集到抽采管路，实现低渗煤层瓦斯高效抽采。申请号为“201510425633.1”和“201510668034.2”的专利申请文件公开了目前国内较为前沿的液态二氧化碳相变致裂增透方法，但均为单一的二氧化碳相变致裂增透，增透影响范围小，瓦斯抽采效率仍然有待提高；并且均没有考虑定向致裂问题，所用装置不能对方位角进行调整，不能根据三维地应力大小及方向进行定向致裂；致裂设备释放管单一，不能满足不同力学性质的煤体致裂；并且，不能进行封孔，在一定程度上影响了致裂效果，不利于瓦斯抽采效率的进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，用于提高瓦斯抽采效率。

本发明的技术方案如下：一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，包括以下步骤，

步骤一、获取最大主应力的方位角，对将进行煤层瓦斯抽采的工作面钻孔取样并制备试样，对所述试样进行单轴加载条件下的声发射测试，并根据测试结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，根据上述曲线计算主应力的方位角，获取最大主应力方位角；

步骤二、CO₂定向爆破起裂，沿最大主应力方位角对预定致裂点进行CO₂爆破起裂形成致裂孔；

步骤三、水力压裂致裂增透，对致裂孔进行水力压裂，形成压裂区域；

步骤四、水力压裂效果探测，对压裂区域煤层含水情况进行探测，判断煤层水力压裂影响范围；

步骤五、瓦斯抽采，在水力压裂影响范围内布置至少一个瓦斯抽采钻孔，连接瓦斯抽采管路，进行煤层瓦斯抽采。

本发明通过先计算预定致裂点的最大主应力方向，然后沿最大主应力方向对致裂点进行CO₂爆破致裂形成致裂孔，再对致裂孔进行水力压裂致裂增透，并对水力压裂的效果进行探测获得水力压裂影响范围，最后在水力压裂影响范围内进行煤层瓦斯抽采，具有如下优点：

一、CO₂沿最大主应力方向释放，显著地提高了CO₂相变爆破致裂裂隙的影响范围；

二、与单一的二氧化碳定向爆破致裂增透方法相比，显著地提高了增透影响范围；

三、与单一的水力压裂增透方法相比，由于先产生了CO₂起裂裂隙，再进行的水力压裂增透裂隙更加均匀；

四、探测水力压裂影响范围之后再合理布置钻孔进行瓦斯抽采，有效地减小了瓦斯抽采钻孔及致裂孔工程量，降低了瓦斯抽采的成本。

综上，通过液态二氧化碳相变爆破起裂在钻孔周围煤体内形成均匀裂隙场，然后通过高压水力压裂，使得液态二氧化碳相变爆破启裂所形成的均匀裂隙场不断扩展，增大煤层裂隙连通率，实现煤层卸压，使得煤体吸附瓦斯向游离瓦斯转化，最后采用负压抽采方式，使得游离瓦斯沿压裂裂隙向抽采管内富集，从而实现了低渗煤层瓦斯高效快速抽采，显著地提高了瓦斯抽采的效率，降低了瓦斯抽采成本。

步骤二中，进行CO₂爆破起裂的装置包括释放管、储液管和定向管，所述储液管固定连接在释放管与定向管之间，在所述释放管上开有轴向的两条切缝，该两条切缝相对布置；在所述储液管内安装有用于加热液态CO₂的电加热器，在所述定向管内固定有电源和电子罗盘，所述电源与电子罗盘电连接，并且电子罗盘还与位于钻孔外的显示器电连接；在所述储液管电加热器启动之前，先通过电子罗盘的实时监测，对释放管进行转动调整，使释放管切缝正对预定致裂点的最大主应力方向。这样在释放管上开设切缝，使CO₂气体的释放出口相对集中，不仅有利于确保沿预定致裂点的最大主应力方向进行定向爆破起裂，而且释放能量大，有利于形成狭长致裂裂隙。相对于现有CO₂爆破起裂的装置，增设电子罗盘实时监测释放管切缝的方向，便于对释放管切缝的朝向进行调整，进一步确保沿预定致裂点的最大主应力方向进行定向爆破起裂。

步骤二中，进行CO₂爆破起裂的装置还包括封孔器和至少一根推进管，所述封孔器连接在最后一根推进管的尾部，所述封孔器包括封孔管体，所述封孔管体的前端与推进管连接，在所述封孔管体内自后向前插装有螺杆，所述螺杆与封孔管体螺纹配合，在螺杆的前端安装有四个周向均布的长连杆，所述长连杆的后端与螺杆前端正中铰接，每一所述长连杆的前端均穿过封孔管体上对应开设的切缝并各自连接有轴瓦，所述轴瓦的前部与长连杆铰接，在所述轴瓦的后部与长连杆前部之间还铰接有短连杆，当螺杆在封孔管体内伸缩时，所述轴瓦撑开或收拢；在所述轴瓦外套装有管状的橡胶套，所述橡胶套的前后两端与封孔管体固定，在将释放管切缝调整到位之后，先利用封孔器对钻孔进行封孔，然后启动电加热器。这样设置机械的封孔器对CO₂爆破起裂钻孔进行封孔，不仅封孔稳定可靠，而且可以有效防止CO₂爆破起裂的装置沿钻孔下滑；再则，与现有的注浆封孔进行对比，封孔器可以方便装卸，有利于CO₂爆破起裂装置的重复使用。

作为优选，步骤三中，采用无缝钢管作为注水管，采用马丽散对致裂孔孔口段进行密封，并通过相应设置的注浆管向钻孔内注入水泥砂浆，对钻孔孔口至煤层段进行注浆封孔，之后打开水力压裂系统的水泵，通过注水管向致裂孔内注入高压水，对煤层进行压裂作业。

步骤四中，采用基于激发极化法的钻孔探水仪对压裂区域煤层含水情况进行探测，将钻孔探水仪探头置于钻孔孔口，钻孔探水仪主机通过供电负电极和供电正电极向煤层供电，其中供电负电极安装在钻孔外巷道底板，供电正电极在钻孔内的探头上，由供电正电极和供电负电极在煤岩体内产生时域或频域多频电场，通过探头上的两个测量电极测量得到煤岩体电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机的中央处理单元；主机的中央处理单元计算探测目标煤岩体的视电阻率和视极化率；根据设定的步距，利用推杆推进探头，在每2～3m布置一个测点，重复以上步骤，探头从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，得到以钻孔轴线为中心、半径20-30米圆柱空间内及钻孔底部20-30米范围内煤岩体含水情况。实际生产中，在水利压裂之后均根据经验直接布置瓦斯抽采钻孔，在钻孔过程中，有水溢出则认为属于水力压裂影响范围，没有水溢出则不再向外钻孔；这及其不利于瓦斯抽采钻孔的合理布置，不利于瓦斯抽采的成本控制。本发明专利申请采用武汉长盛煤安科技有限公司提供的钻孔探水仪对水力压裂影响范围进行准确、量化的探测，有利于合理布置瓦斯抽采钻孔，减少钻孔数量。该钻孔探水仪的结构和使用方法，在申请号为“201210182857.0”的专利申请中有具体详细的介绍，在此不做赘述。

优选地，步骤一中，钻孔取样时，先建立三维坐标系，设掌子面为yoz面，设掌子面法向为x轴，沿xyz坐标轴方向以及相邻坐标轴轴角平分线方向这六个不同方向分别提取并制备15-25个试样，并且所述试样呈圆柱体，试样的径高比为1:2-1:3。

进一步地，步骤一中，根据应力-累计声发射振铃计数-时间曲线判断Kaiser效应点，得到各个方向岩石试件Kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，即σ_x、σ_y、σ_z、σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz，采用下式(1)计算地应力测点三维应力状态

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_2=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+2\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_3=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+4\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：

σ₁、σ₂、σ₃分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位MPa；

w、P、I₁为计算参数，w为反余弦函数计算结果，无单位；P单位为MPa²；I₁单位为MPa³；

w、P、I₁采用下式(2)和(3)计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}w=arccos(-Q/2\sqrt{-{\left(\frac{P}{3}\right)}^3})\\ p=-\frac{1}{3}{I}_1^2+I_2\\ Q=-\frac{2}{27}{I}_1^3+\frac{1}{3}{I}_1{I}_2-I_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1={\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\\ I_2={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2-{\mathrm{\τ}}_{xz}^2-{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\\ I_3={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\τ}}_{yz}^2-{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\τ}}_{zx}^2-{\mathrm{\σ}}_z{\mathrm{\τ}}_{xy}^2+2{\mathrm{\τ}}_{yz}{\mathrm{\τ}}_{zx}{\mathrm{\τ}}_{xy}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

I₁、I₂、I₃为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：MPa，MPa²，MPa³，为计算参数；

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa，通过下式(4)计算得到；

σ_x、σ_y、σ_z为现场x、y、z取样方向岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{xy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\θ}y}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\σ}}_y{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2cos\mathrm{\θ}\·sin\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{xz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\γ}z}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^{2}y-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\γ}}{2\cos \mathrm{\γ}\·sin\mathrm{\γ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{y\mathrm{\ψ}z}-{\mathrm{\σ}}_y{\cos }^2\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\ψ}}{2cos\mathrm{\ψ}\·sin\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa；

θ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；

σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz、σ_x、σ_y、σ_z为现场取样方向各个岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

测点三维主应力方向由下式(5)计算得到：

主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=B/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ n_i=C/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}A={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{yz}-({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{zx}\\ B={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{zx}-({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{yz}\\ C=({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i)({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i)-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2\end{array}\right.,i=1,2,3.---\left(8\right)$

主应力σ_i的倾角、方位角由式(9)计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i=\arcsin n_i\\ {\mathrm{\β}}_i=arcsin(m_i/\sqrt{1-n_i^2})\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：

θ_i为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，θ_i＞0为仰角，θ_i＜0为俯角；β_i为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，β_i＞0为反时针旋转角度，β_i＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角，从而获得最大主应力的方位角。

作为优选，步骤五中，在水力压裂影响范围内，以CO₂定向爆破起裂的钻孔孔口为中心呈放射状均匀开设瓦斯抽采钻孔，所有的瓦斯抽采钻孔终孔均位于CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透目标煤层内同一水平面上，并且相邻瓦斯抽采钻孔终孔之间的距离为8m。

有益效果：本发明通过先计算预定致裂点的最大主应力方向，然后沿最大主应力方向对致裂点进行CO₂爆破致裂，再进行水力压裂，并对水力压裂的效果进行探测，最后在探测的水力压裂影响范围内进行煤层瓦斯抽采，从而提供了一种低渗煤层瓦斯高效快速的抽采方法，显著地提高了瓦斯抽采的效率，有利于降低瓦斯抽采成本。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为取样方向示意图。

图3为CO₂爆破起裂的装置结构示意图。

图4为钻孔探水仪的工作原理图。

图中标记如下：释放管1、切缝1a、储液管2、电加热器2a、定向管3、电子罗盘3a、电源3b、推进管4、封孔器5、复位弹簧51、橡胶套52、短连杆53、长连杆55、轴瓦54、螺杆56、封孔管体57、主机6、测量电极7、推杆8、探头9、供电正电极10、供电负电极11。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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、图2、图3和图4所示，本发明包括一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，包括以下步骤：

步骤一、获取最大主应力的方位角

(1)取样，对将进行煤层瓦斯抽采的工作面钻孔取样并制备试样，在钻孔取样时，先建立三维坐标系，设掌子面为yoz面，设掌子面法向为x轴，沿xyz坐标轴方向以及相邻坐标轴轴角平分线方向这六个不同方向分别提取并制备15-25个试样。并且，所述试样呈圆柱体，试样的径高比为1:2-1:3。

(2)声发射测试，对所述试样进行单轴加载条件下的声发射测试，并根据测试结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，这些均与现有技术相同，在此不做赘述。

(3)计算主应力方位角，根据应力-累计声发射振铃计数-时间曲线判断Kaiser效应点，得到各个方向岩石试件Kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，即σ_x、σ_y、σ_z、σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz，采用下式(3-1)计算地应力测点三维应力状态

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_2=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+2\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_3=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+4\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\end{array}\right.---(3-1)$

式中：

σ₁、σ₂、σ₃分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位MPa；

w、P、I₁为计算参数，w为反余弦函数计算结果，无单位；P单位为MPa²；I₁单位为MPa³；

w、P、I₁采用下式(3-2)和(3-3)计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}w=arccos(-Q/2\sqrt{-{\left(\frac{P}{3}\right)}^3})\\ p=-\frac{1}{3}{I}_1^2+I_2\\ Q=-\frac{2}{27}{I}_1^3+\frac{1}{3}{I}_1{I}_2-I_3\end{array}\right.---(3-2)$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1={\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\\ I_2={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2-{\mathrm{\τ}}_{xz}^2-{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\\ I_3={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\τ}}_{yz}^2-{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\τ}}_{zx}^2-{\mathrm{\σ}}_z{\mathrm{\τ}}_{xy}^2+2{\mathrm{\τ}}_{yz}{\mathrm{\τ}}_{zx}{\mathrm{\τ}}_{xy}\end{array}\right.---(3-3)$

式中：

I₁、I₂、I₃为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：MPa，MPa²，MPa³，为计算参数；

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa，通过下式(3-4)计算得到；

σ_x、σ_y、σ_z为现场x、y、z取样方向岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{xy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\θ}y}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\σ}}_y{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2cos\mathrm{\θ}\·sin\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{xz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\γ}z}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^{2}y-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\γ}}{2\cos \mathrm{\γ}\·sin\mathrm{\γ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{y\mathrm{\ψ}z}-{\mathrm{\σ}}_y{\cos }^2\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\ψ}}{2cos\mathrm{\ψ}\·sin\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.---(3-4)$

式中：

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa；

θ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；

σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz、σ_x、σ_y、σ_z为现场取样方向各个岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

测点三维主应力方向由下式(3-5)计算得到：

主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=B/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ n_i=C/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---(3-5)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}A={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{yz}-({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{zx}\\ B={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{zx}-({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{yz}\\ C=({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i)({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i)-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2\end{array}\right.,i=1,2,3.---(3-6)$

主应力σ_i的倾角、方位角由式(3-7)计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i=\arcsin n_i\\ {\mathrm{\β}}_i=arcsin(m_i/\sqrt{1-n_i^2})\end{array}\right.---(3-7)$

式中：

θ_i为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，θ_i＞0为仰角，θ_i＜0为俯角；β_i为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，β_i＞0为反时针旋转角度，β_i＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角，从而获得最大主应力的方位角。

步骤二、CO₂定向爆破起裂，沿最大主应力方位角对预定致裂点进行CO₂爆破起裂形成致裂孔。

进行CO₂爆破起裂的装置包括释放管1、储液管2和定向管3，所述储液管2固定连接在释放管1与定向管3之间，在所述释放管1上开有轴向的两条切缝1a，该两条切缝1a相对布置。在所述储液管2内安装有用于加热液态CO₂的电加热器2a，在所述定向管3内固定有电源3b和电子罗盘3a，所述电源3b与电子罗盘3a电连接，并且电子罗盘3a还与位于钻孔外的显示器电连接。在所述储液管2的电加热器2a启动之前，先通过电子罗盘3a的实时监测，对释放管1进行转动调整，使释放管1切缝1a正对预定致裂点的最大主应力方向。

并且，进行CO₂爆破起裂的装置还包括封孔器5和至少一根推进管4，所述推进管4连接在定向管3的尾部，推进管4的长度和数量根据实际需要设置。所述封孔器5连接在最后一根推进管4的尾部，所述封孔器5包括封孔管体57，所述封孔管体57的前端与推进管4连接，在所述封孔管体57内自后向前插装有螺杆56，所述螺杆56与封孔管体57螺纹配合。在所述螺杆56的前端安装有四个周向均布的长连杆55，所述长连杆55的后端与螺杆56前端正中铰接，每一所述长连杆55的前端均穿过封孔管体57上对应开设的切缝1a并各自连接有轴瓦54。所述轴瓦54的前部与长连杆55铰接，在所述轴瓦54的后部与长连杆55前部之间还铰接有短连杆53。在相对的两个长连杆55之间连接有复位弹簧51。当螺杆56在封孔管体57内伸缩时，所述轴瓦54撑开或收拢；在所述轴瓦54外套装有管状的橡胶套52，所述橡胶套52的前后两端与封孔管体57固定，在将释放管1切缝1a调整到位之后，先利用封孔器5对钻孔进行封孔，然后启动电加热器2a。

步骤三、水力压裂致裂增透，对致裂孔进行水力压裂，形成压裂区域。

采用无缝钢管作为注水管，采用马丽散对致裂孔孔口段进行密封，并通过相应设置的注浆管向钻孔内注入水泥砂浆，对钻孔孔口至煤层段进行注浆封孔，之后打开水力压裂系统的水泵，通过注水管向致裂孔内注入高压水，对煤层进行压裂作业；这些均与现有的水力压裂操作相似，在此不做赘述。

步骤四、水力压裂效果探测，对压裂区域煤层含水情况进行探测，判断煤层水力压裂影响范围。

采用基于激发极化法的钻孔探水仪对压裂区域煤层含水情况进行探测，将钻孔探水仪探头9置于钻孔孔口，钻孔探水仪主机6通过供电负电极11和供电正电极10向煤层供电，其中供电负电极11安装在钻孔外巷道底板，供电正电极10在钻孔内的探头9上，由供电正电极10和供电负电极11在煤岩体内产生时域或频域多频电场，通过探头9上的两个测量电极7测量得到煤岩体电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机6的中央处理单元。主机6的中央处理单元计算探测目标煤岩体的视电阻率和视极化率。根据设定的步距，利用推杆8推进探头9，在每2～3m布置一个测点，重复以上步骤，探头9从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图。根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，得到以钻孔轴线为中心、半径20-30米圆柱空间内及钻孔底部20-30米范围内煤岩体含水情况。

本发明专利申请采用武汉长盛煤安科技有限公司提供的钻孔探水仪对水力压裂影响范围进行准确、量化的探测。该钻孔探水仪的结构和使用方法，在申请号为“201210182857.0”的专利申请中有具体详细的介绍，在此不做赘述。

步骤五、瓦斯抽采，在水力压裂影响范围内布置至少一个瓦斯抽采钻孔，连接瓦斯抽采管路，进行煤层瓦斯抽采。本实施例优选在水力压裂影响范围内，以CO₂定向爆破起裂的钻孔孔口为中心呈放射状均匀开设瓦斯抽采钻孔，所有的瓦斯抽采钻孔终孔均位于CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透目标煤层内同一水平面上，并且相邻瓦斯抽采钻孔终孔之间的距离为8m。

Claims (8)

1.一种CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、获取最大主应力的方位角，对将进行煤层瓦斯抽采的工作面钻孔取样并制备试样，对所述试样进行单轴加载条件下的声发射测试，并根据测试结果绘制应力-累计声发射振铃计数-时间曲线，根据上述曲线计算主应力的方位角，获取最大主应力方位角；

步骤二、CO₂定向爆破起裂，沿最大主应力方位角对预定致裂点进行CO₂爆破起裂形成致裂孔；

步骤三、水力压裂致裂增透，对致裂孔进行水力压裂，形成压裂区域；

步骤四、水力压裂效果探测，对压裂区域煤层含水情况进行探测，判断煤层水力压裂影响范围；

步骤五、瓦斯抽采，在水力压裂影响范围内布置至少一个瓦斯抽采钻孔，连接瓦斯抽采管路，进行煤层瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤二中，进行CO₂爆破起裂的装置包括释放管、储液管和定向管，所述储液管固定连接在释放管与定向管之间，在所述释放管上开有轴向的两条切缝，该两条切缝相对布置；在所述储液管内安装有用于加热液态CO₂的电加热器，在所述定向管内固定有电源和电子罗盘，所述电源与电子罗盘电连接，并且电子罗盘还与位于钻孔外的显示器电连接；在所述储液管电加热器启动之前，先通过电子罗盘的实时监测，对释放管进行转动调整，使释放管切缝正对预定致裂点的最大主应力方向。

3.根据权利要求2所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤二中，进行CO₂爆破起裂的装置还包括封孔器和至少一根推进管，所述封孔器连接在最后一根推进管的尾部，所述封孔器包括封孔管体，所述封孔管体的前端与推进管连接，在所述封孔管体内自后向前插装有螺杆，所述螺杆与封孔管体螺纹配合，在螺杆的前端安装有四个周向均布的长连杆，所述长连杆的后端与螺杆前端正中铰接，每一所述长连杆的前端均穿过封孔管体上对应开设的切缝并各自连接有轴瓦，所述轴瓦的前部与长连杆铰接，在所述轴瓦的后部与长连杆前部之间还铰接有短连杆，当螺杆在封孔管体内伸缩时，所述轴瓦撑开或收拢；在所述轴瓦外套装有管状的橡胶套，所述橡胶套的前后两端与封孔管体固定，在将释放管切缝调整到位之后，先利用封孔器对钻孔进行封孔，然后启动电加热器。

4.根据权利要求1所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤三中，采用无缝钢管作为注水管，采用马丽散对致裂孔孔口段进行密封，并通过相应设置的注浆管向钻孔内注入水泥砂浆，对钻孔孔口至煤层段进行注浆封孔，之后打开水力压裂系统的水泵，通过注水管向致裂孔内注入高压水，对煤层进行压裂作业。

5.根据权利要求1所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤四中，采用基于激发极化法的钻孔探水仪对压裂区域煤层含水情况进行探测，将钻孔探水仪探头置于钻孔孔口，钻孔探水仪主机通过供电负电极和供电正电极向煤层供电，其中供电负电极安装在钻孔外巷道底板，供电正电极在钻孔内的探头上，由供电正电极和供电负电极在煤岩体内产生时域或频域多频电场，通过探头上的两个测量电极测量得到煤岩体电场变化信号，经预处理和A/D转换为数字信号，输入到主机的中央处理单元；主机的中央处理单元计算探测目标煤岩体的视电阻率和视极化率；

根据设定的步距，利用推杆推进探头，在每2～3m布置一个测点，重复以上步骤，探头从钻孔孔口逐步推到孔底进行逐点扫描探测，测定各点的视电阻率和视极化率，已测测点逐点生成视电阻率剖面图和视极化率剖面图；根据计算的视电阻率和视极化率的变化率，得到以钻孔轴线为中心、半径20-30米圆柱空间内及钻孔底部20-30米范围内煤岩体含水情况。

6.根据权利要求1所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤一中，钻孔取样时，先建立三维坐标系，设掌子面为yoz面，设掌子面法向为x轴，沿xyz坐标轴方向以及相邻坐标轴轴角平分线方向这六个不同方向分别提取并制备15-25个试样，并且所述试样呈圆柱体，试样的径高比为1:2-1:3。

7.根据权利要求6所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤一中，根据应力-累计声发射振铃计数-时间曲线判断Kaiser效应点，得到各个方向岩石试件Kaiser效应点的时间及与之对应的应力大小，即σ_x、σ_y、σ_z、σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz，采用下式(1)计算地应力测点三维应力状态

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_2=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+2\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\\ {\mathrm{\σ}}_3=2\sqrt{-\frac{p}{3}}cos\frac{w+4\mathrm{\π}}{3}+\frac{1}{3}{I}_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：

σ₁、σ₂、σ₃分别为三维地应力的最大主应力、中间主应力、最小主应力，单位MPa；

w、P、I₁为计算参数，w为反余弦函数计算结果，无单位；P单位为MPa²；I₁单位为MPa³；

w、P、I₁采用下式(2)和(3)计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}w=\arccos (-Q/2\sqrt{-{\left(\frac{P}{3}\right)}^3})\\ p=-\frac{1}{3}{I}_1^2+I_2\\ Q=-\frac{2}{27}{I}_1^3+\frac{1}{3}{I}_1{I}_2-I_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1={\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\\ I_2={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2-{\mathrm{\τ}}_{xz}^2-{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\\ I_3={\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\τ}}_{yz}^2-{\mathrm{\σ}}_y{\mathrm{\τ}}_{zx}^2-{\mathrm{\σ}}_z{\mathrm{\τ}}_{xy}^2+2{\mathrm{\τ}}_{yz}{\mathrm{\τ}}_{zx}{\mathrm{\τ}}_{xy}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：

I₁、I₂、I₃为应力张量的第一、第二、第三不变量，单位分别为：MPa，MPa²，MPa³，为计算参数；

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa，通过下式(4)计算得到；

σ_x、σ_y、σ_z为现场x、y、z取样方向岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_{xy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\θ}y}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\σ}}_y{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2cos\mathrm{\θ}\·sin\mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{xz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{x\mathrm{\γ}z}-{\mathrm{\σ}}_x{\cos }^2\mathrm{\γ}-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\γ}}{2\cos \mathrm{\γ}\·sin\mathrm{\γ}}\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{y\mathrm{\ψ}z}-{\mathrm{\σ}}_y{\cos }^2\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\σ}}_z{\sin }^2\mathrm{\ψ}}{2cos\mathrm{\ψ}\·sin\mathrm{\ψ}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：

τ_xy、τ_xz、τ_yz分别为测点O所在空间内平面xy、xz、yz上的剪应力，单位为MPa；

θ、γ、ψ分别为xy、xz、yz平面内取样角度，单位为度；

σ_xθy、σ_xγz、σ_yψz、σ_x、σ_y、σ_z为现场取样方向各个岩石试件Kaiser点对应的应力值，单位为MPa；

测点三维主应力方向由下式(5)计算得到：

主应力矢量相对y轴、z轴的方向余弦为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_i=B/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\\ n_i=C/\sqrt{A^2+B^2+C^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}A={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{yz}-({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{zx}\\ B={\mathrm{\τ}}_{xy}{\mathrm{\τ}}_{zx}-({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i){\mathrm{\τ}}_{yz}\\ C=({\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_i)({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_i)-{\mathrm{\τ}}_{xy}^2\end{array}\right.,i=1,2,3.---\left(8\right)$

主应力σ_i的倾角、方位角由式(9)计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_i=\arcsin n_i\\ {\mathrm{\β}}_i=\arcsin (m_i/\sqrt{1-n_i^2})\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：

θ_i为主应力与xoy平面的夹角，即倾角，单位为度，θ_i＞0为仰角，θ_i＜0为俯角；β_i为主应力在xoy面上投影与x轴的夹角，单位为度，β_i＞0为反时针旋转角度，β_i＜0为逆时针旋转角度，计算后根据取样现场测定的x轴方位角换算为主应力的方位角，从而获得最大主应力的方位角。

8.根据权利要求1所述CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透的瓦斯抽采方法，其特征在于：步骤五中，在水力压裂影响范围内，以CO₂定向爆破起裂的钻孔孔口为中心呈放射状均匀开设瓦斯抽采钻孔，所有的瓦斯抽采钻孔终孔均位于CO₂定向爆破起裂与水力压裂耦合增透目标煤层内同一水平面上，并且相邻瓦斯抽采钻孔终孔之间的距离为8m。