CN106368733A - 一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，包括现场取煤样，选取具有不同质量分数的盐酸、氢氟酸及醋酸混合酸液；在回风巷中开设多组钻孔，分别采用单纯水力压裂增透措施下的瓦斯抽采、单纯采取酸化增透措施下的瓦斯抽采、水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采，统计各组的单孔平均瓦斯抽采纯量并根据统计数据对增透效果进行评估，若增透效果较好或增透效果明显，此时，将导向钻孔和控制钻孔封孔接入抽采系统进行联合抽采。本发明将水力压裂与酸化二者的长处进行充分有机结合，极大地增加了煤层透气性，提高了瓦斯抽采率。
Description
技术领域
本发明涉及一种含瓦斯煤体增透评估方法，具体涉及一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，属于煤矿防瓦斯突出安全治理技术领域。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。近年来，我国煤矿在安全上的投入极大，也取得了较好的效果。然而煤矿事故时有发生。统计表明，矿井瓦斯事故和顶板事故占总事故的80％以上，其中矿井瓦斯事故因危害度强、伤亡率高、造成经济损大而成为煤矿的第一杀手。可见，矿井瓦斯治理成为减少甚至杜绝瓦斯事故的根本所在。
随着我国煤矿开采深度的逐步加大，开采条件更趋于复杂，出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性、低强度的煤体特征，煤体的原生裂隙和孔隙度逐渐变小，煤层的渗透率随之降低，而我国赋存煤层渗透率普遍差，进而使得工作面发生煤与瓦斯突出的危险性随之加剧。由此可见，渗透率低已经成为制约煤层瓦斯抽采的关键因素，提高煤层渗透率，是瓦斯灾害治理和资源利用的根本途径。瓦斯预抽已经成为我国煤矿瓦斯治理的一项重要技术，煤层透气性系数的高低直接决定着抽采效果的好坏。但是当前普遍存在预抽钻孔工程量大，抽采效率低，单个钻孔有效影响范围小等问题，导致常规瓦斯抽采方法难以发挥作用，瓦斯爆炸和瓦斯突出的威胁也愈加严重。
目前煤层增透的主要技术方法有水力压裂增透、高压水射流扩孔增透、水力割缝增透、深孔控制预裂爆破增透等，这些措施在有的地区取得了一些效果，但在一些地区增透效果不甚理想，而且目前关于含瓦斯煤体增透缺乏有效的评估方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，利用水力压裂在实现一级增透的同时使得煤体中裂隙充分扩展，在为后期酸液的注入创造有利条件同时增大酸液与煤体的接触面积及酸液的有效作用距离，在深度与广度上形成煤层深部酸化改造的同时提高煤质，实现煤体的二级增透，并对增透效果进行评估，最终达到提高煤层瓦斯抽采率的目的。为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，包含以下步骤：
A、制备酸性溶液的步骤；
B、现场增透方案实施的步骤；在工作面回风巷中开设多组钻孔，分别采用单纯水力压裂增透措施下的瓦斯抽采、单纯采取酸化增透措施下的瓦斯抽采、水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采，并统计各组的单孔平均瓦斯抽采纯量；
C、根据步骤B统计数据对增透效果进行评估的步骤。
优选的，所述步骤A制备的酸性溶液为：质量分数分别对应为15％～20％、2％～4％、1％～2％的HCL、HF、CH3COOH的混合酸液。
进一步的，所述步骤B、现场增透方案实施的步骤，具体包含以下分步：
分步B0：在回风巷中以设定角度的倾角向煤层开设3组钻孔，分别为G1组、G2组、G3组；其中，G1组单纯用于采取水力压裂增透措施下的瓦斯抽采研究，G2组单纯用于采取酸化增透措施下的瓦斯抽采研究，G3组用于采取水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采研究；
分步B1：记录G1组单孔平均瓦斯抽采纯量q1；
分步B2：记录G2组单孔平均瓦斯抽采纯量q2；
分步B3：记录G3组单孔平均瓦斯抽采纯量q3。
进一步的，所述步骤C、根据步骤B统计数据对增透效果进行评估，操作过程如下：
若满足max(q1,q2)＜q3≤1.1max(q1,q2)，则增透效果一般；
若满足1.1max(q1,q2)＜q3≤1.2max(q1,q2)，则增透效果较好；
若满足q3＞1.2max(q1,q2)，则增透效果明显。
进一步的，分步B0所述的G1组、G2组、G3组钻孔，其中每组开设2个钻孔，一个为控制钻孔，另一个为导向钻孔。
优选的，钻孔间距为5-8m，组与组间距不小于30m。
优选的，G1组钻孔在压裂结束后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
优选的，G2组两钻孔同时注入酸性溶液后要求先封孔并保持酸化时间不低于48h，反排酸液之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
优选的，G3组钻孔要求压裂结束之后，紧接着通过控制钻孔注入酸性溶液封孔并保持酸化时间不低于48h之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
进一步的，所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，根据评估结果，若增透效果较好或增透效果明显，此时，将导向钻孔和控制钻孔封孔接入抽采系统进行联合抽采。
本发明具有如下有益效果：
1.采用盐酸、氢氟酸及醋酸等多组分酸性溶液，其中以盐酸作为主体酸，可有效溶解煤中的碳酸盐岩类矿物成分及硫化物，并且在煤层中保持较低PH值，可抑制氢氧化铁沉淀生成；氢氟酸作为一种辅助酸，用于溶解煤层中所含有的硅酸盐岩类矿物成分；醋酸作为有机酸，属于弱酸起辅助作用，可缓蚀缓速酸化能力，进而可使酸化程度最优化，增加煤层透气性，提高瓦斯抽采率。
2.相比岩石，煤中层理、裂隙高度发育，可以看作是裂隙集合体，采用水力压裂使得煤层中裂隙扩展并增加，形成瓦斯流动通道，进而使得煤层中的游离瓦斯快速释放，吸附瓦斯也可解吸释放，有效降低了煤层中瓦斯含量；同时水力致裂后由于煤体中裂隙增多，此时注入酸性溶液更为容易，且增加了与煤体的接触面积，同时也增大了酸液的有效作用距离，在深度与广度上真正形成煤层的深部酸化改造，有利于煤层的进一步增透。
3.煤中所含可与酸性溶液反应的主要碳酸盐及硫化物属于煤的无机物质中的矿物质类，是有害成分且是煤中的主要杂质，注入酸液在实现增透的同时也提高了煤的质量和利用价值，是一种一举两得的举措。
4.目前水力压裂技术在我国一些矿区煤炭开采中已得到应用并积累了一定的实践经验，而且还具有成套的装备，技术上已经比较成熟，易操作、好实施；在前期增透过程中以水为压裂液，用量大，成本低，且能达到安全、环保、高效的目的。
5.水力压裂与酸化联合作用于含瓦斯煤体，充分将二者的长处进行有机结合，相互促进，不仅显著增加了煤层的透气性，提高了瓦斯抽采率，同时破坏了坚硬煤体的完整性，显著降低了其储能特性，还增加了煤的湿润性，起到除尘作用，解除安全隐患的同时提高了工作面作业环境，是一种一举多得的举措，易于推广应用，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害的防治也具有积极的意义。
附图说明
图1是本发明一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法流程图。
图2是本发明实施例方案中3组钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量分布柱状图。
具体实施方式
为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合具体实施例及附图予以详细叙述。
研究背景：某矿C3煤层，厚度0.95-2.35m，平均厚度1.65m，煤层结构较简单、层位较稳定、对比可靠、区内可采，属较稳定型煤层。上距C4煤层平均12.5m，下距C2煤层平均20.38m，顶板岩性为泥岩及砂质泥岩局部含有粉砂岩，底板岩性以粉砂质泥岩为主。现场测定绝对瓦斯压力最高达1.85MPa，最低1.74MPa，直接法测定煤层高瓦斯含量最高达17.9952m3/t，属于典型煤与瓦斯突出型矿井，煤层中硬，无烟煤，变质程度高，煤质较好，透气性系数0.025m2/(MPa2·d)，属于典型含瓦斯难抽煤层。
如图1所示，一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，包含步骤如下：
A、制备酸性溶液的步骤，操作过程如下：
现场取煤样，对取回的煤样进行加工使其满足实验室实验要求，利用电镜扫描、CT或核磁共振观测煤样的微观结构，利用X射线衍射及荧光光谱查明煤样中可与酸反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物种类并利用标定法确定含量。表1给出了本实施例煤样中所含可与酸性溶液反应的碳酸盐岩、硅酸盐岩及硫化物成分及含量。
表1
通过煤粉溶蚀率测定实验确定适合本煤层的复合酸液的质量分数，具体操作过程如下：将煤样研磨成80目的煤粉，用分析天平称取4份煤粉各3g，精度为0.001g；将煤粉与酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恒温水浴台中进行加热反应；反应达到预定时间3h后，将量筒从恒温水浴台中取出，过滤把剩下的煤粉以及滤纸放入干燥箱中，直至恒重；根据酸化前后煤粉的质量变化，计算出不同质量分数混合酸液对煤粉的溶蚀率，确定出合适的酸液质量分数。
溶蚀率K计算表达式为：
上式中，m1-酸化前煤粉质量，g；m2-酸化后煤粉质量，g；
由表1分析可知，该煤样中所含硅酸盐岩较多，在溶蚀率测定时，适当提高混合酸液中HF的比例，试验最终确定选取的适合本煤层的混合酸液为18％HCL+4％HF+2％CH3COOH；
步骤B、现场增透方案实施的步骤，具体包含以下分步：
分步B0：在回风巷中以30°倾角向煤层开设3组钻孔，分别为G1组、G2组、G3组；其中，G1组单纯用于采取水力压裂增透措施下的瓦斯抽采研究，G2组单纯用于采取酸化增透措施下的瓦斯抽采研究，G3组用于采取水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采研究；
分步B1：记录G1组单孔平均瓦斯抽采纯量q1；
分步B2：记录G2组单孔平均瓦斯抽采纯量q2；
分步B3：记录G3组单孔平均瓦斯抽采纯量q3。
图2给出了本发明实施例方案中3组钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量分布柱状图。
步骤C、根据步骤B统计数据对增透效果进行评估，操作过程如下：
若满足max(q1,q2)＜q3≤1.1max(q1,q2)，则增透效果一般；
若满足1.1max(q1,q2)＜q3≤1.2max(q1,q2)，则增透效果较好；
若满足q3＞1.2max(q1,q2)，则增透效果明显。
将图2数据代入上式检验，得出q1＞q2，q3＝1.32q1，显然满足q3＞1.2max(q1,q2)，增透效果明显。
进一步，分步B0所述的G1组、G2组、G3组钻孔，其中每组开设2个钻孔，一个为控制钻孔，另一个为导向钻孔，钻孔间距5-8m，本实施例中优选5m；组与组间距不小于30m，本实施例中优选30m。
进一步，G1组钻孔在压裂结束后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
进一步，G2组两钻孔同时注入酸性溶液后要求先封孔并保持酸化时间不低于48h，反排酸液之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量，本实施例中优选48h。
进一步，G3组钻孔要求压裂结束之后，紧接着通过控制钻孔注入酸性溶液封孔并保持酸化时间不低于48h之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量，本实施例中优选48h。
进一步，根据评估结果，若增透效果较好或增透效果明显，此时，将导向钻孔和控制钻孔封孔接入抽采系统进行联合抽采。
根据现场实施方案监测的效果(图2)可知，对含瓦斯煤体采取单纯水力压裂或单纯注入酸性溶液均能起到一定程度的增透效果，水力压裂相对酸化效果较好，分析认为，该煤层属于高煤阶变质煤，再加上存在因芳香环聚合化程度高造成表面溶蚀效果差的缺点，酸液有效作用距离有限，致使单纯酸化效果相对更不明显。而对煤体水力压裂后注入酸性溶液，增透效果明显。分析认为，水力压裂首先实现了含瓦斯煤体的一级增透，此时煤中游离瓦斯快速释放，吸附瓦斯也可解吸为游离瓦斯释放，同时压裂使煤体产生大量裂隙，增加了瓦斯运移通道，后期注入酸性溶液更为容易且增大了酸液与煤体的接触面积及有效作用距离，充分溶解煤中杂质的同时进一步增加煤体的渗透率，同时也净化了煤质，使酸化程度最优化，实现了含瓦斯煤体的二级增透，进而提高了瓦斯抽采率。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，包含以下步骤：
A、制备酸性溶液的步骤；
B、现场增透方案实施的步骤；在工作面回风巷中开设多组钻孔，分别采用单纯水力压裂增透措施下的瓦斯抽采、单纯采取酸化增透措施下的瓦斯抽采、水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采，并统计各组的单孔平均瓦斯抽采纯量；
C、根据步骤B统计数据对增透效果进行评估的步骤。
2.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，所述步骤A制备的酸性溶液为：质量分数分别对应为15％～20％、2％～4％、1％～2％的HCL、HF、CH3COOH的混合酸液。
3.根据权利要求1所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，所述步骤B、现场增透方案实施的步骤，具体包含以下分步：
分步B0：在回风巷中以设定角度的倾角向煤层开设3组钻孔，分别为G1组、G2组、G3组；其中，G1组单纯用于采取水力压裂增透措施下的瓦斯抽采研究，G2组单纯用于采取酸化增透措施下的瓦斯抽采研究，G3组用于采取水力压裂与酸化联合增透措施下的瓦斯抽采研究；
分步B1：统计G1组单孔平均瓦斯抽采纯量q1；
分步B2：统计G2组单孔平均瓦斯抽采纯量q2；
分步B3：统计G3组单孔平均瓦斯抽采纯量q3。
4.根据权利要求3所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，所述步骤C、根据步骤B统计数据对增透效果进行评估，操作过程如下：
若满足max(q1,q2)＜q3≤1.1max(q1,q2)，则增透效果一般；
若满足1.1max(q1,q2)＜q3≤1.2max(q1,q2)，则增透效果较好；
若满足q3＞1.2max(q1,q2)，则增透效果明显。
5.根据权利要求3所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，分步B0所述的G1组、G2组、G3组钻孔，其中每组开设2个钻孔，一个为控制钻孔，另一个为导向钻孔。
6.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，钻孔间距为5-8m，组与组间距不小于30m。
7.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，G1组钻孔在压裂结束后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
8.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，G2组两钻孔同时注入酸性溶液后要求先封孔并保持酸化时间不低于48h，反排酸液之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
9.根据权利要求5所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，G3组钻孔要求压裂结束之后，紧接着通过控制钻孔注入酸性溶液封孔并保持酸化时间不低于48h之后抽采并统计单孔平均瓦斯抽采纯量。
10.根据权利要求4或5所述的一种含瓦斯煤体水力压裂与酸化联合强化增透评估方法，其特征是，根据评估结果，若增透效果较好或增透效果明显，此时，将导向钻孔和控制钻孔封孔接入抽采系统进行联合抽采。
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