CN107035366B - 一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法。包括以下步骤：1)确定一致裂孔的位置，在该致裂孔的周围钻设若干组对应该致裂孔的观测孔，同一组中的各观测孔与该致裂孔之间的距离相同；2)通过对各观测孔进行观测，获得观测数据；3)所得观测数据稳定后，钻设致裂孔，然后进行致裂；4)对各组观测孔进行观测，获得用以评估致裂增透范围的致裂后观测数据。首先在实验区域设计出合适的钻孔布置方式，在不影响抽采的同时，使得致裂孔与观测孔的距离成梯度分布，便于监测不同距离观测孔内变化情况，确定增透效果范围。能够解决二氧化碳相变致裂在煤矿作业中快速推广使用的问题。

Description

一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯抽采技术领域，尤其是涉及一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法。

背景技术

煤炭是我国主要能源，经过多年高强度开采，浅部煤炭资源逐步枯竭，随着煤炭开采深度的不断增加，煤炭开采条件也不断恶化，特别是瓦斯灾害尤为严重，制约了煤矿安全高效生产。同时，瓦斯作为一种清洁能源，可以有效的改善和优化我国的能源结构，降低煤矿生产成本，还能够减少大气污染。瓦斯抽采技术是防治煤矿瓦斯灾害的主要技术之一。但由于我国大部分煤田地质条件复杂，煤层透气性差，单纯采用钻孔抽采的方式进行消突的时间长、效果差，难以解除煤层开采时的瓦斯威胁。

液态二氧化碳相变致裂作为一种新型的增透手段，凭借其安全高效、工艺简单等技术优势，已被应用于煤矿煤层增透措施之中。然而在该技术实施过程中，其增透范围随着煤层自身性质及其赋存条件有着显著的联系，很难将局部的实验结果进行大范围的推广应用，限制了这种新型增透手段的快速使用。

发明内容

为了将该新型增透手段快速的应用于不同煤质、不同赋存条件下的煤层中，本发明旨在解决快速而准确的确定该增透手段对不同条件煤层增透范围的测试问题。为二氧化碳相变致裂增透技术的快速应用提供了一种有效的途径。

由此，本发明的目的是提供一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法。首先在实验区域设计出合适的钻孔布置方式，在不影响抽采的同时，使得致裂孔与观测孔的距离成梯度分布，便于监测不同距离观测孔内变化情况，确定增透效果范围。能够解决二氧化碳相变致裂在煤矿作业中快速推广使用的问题。

为实现上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，包括以下步骤：

1)确定一致裂孔的位置，在该致裂孔的周围钻设若干组对应该致裂孔的观测孔，同一组中的各观测孔与该致裂孔之间的距离相同；

2)通过对各观测孔进行观测，获得观测数据；

3)所得观测数据稳定后，钻设致裂孔，然后进行致裂；

4)对各组观测孔进行观测，获得用以评估致裂增透范围的致裂后观测数据。

进一步地，任一观测孔与其对应的致裂孔之间不设置其他孔。

进一步地，致裂孔及与其对应的所有观测孔呈矩形阵列分布。

进一步地，还包括：5)确定一二次致裂孔位置，参照步骤1)-4)获得对应二次致裂孔的致裂后观测数据；

将对应致裂孔及二次致裂孔的致裂后观测数据进行对比，若二者相似则择一采用；若二者果差别较大，则通过定性分析判别数据的合理性和准确性，剔除不合理数据；若二者差别较大且通过定性判断后二者均合理，则重新确定一新的致裂孔位置，参照步骤1)-4)获得对应该新的致裂孔的致裂后观测数据。

进一步地，若干组观测孔中的一组或多组观测孔同时对应致裂孔及二次致裂孔。

进一步地，致裂孔、二次致裂孔及与二者对应的所有观测孔以致裂孔与二次致裂孔的连线的垂直平分线为对称轴呈对称分布。

进一步地，各观测孔与其对应的致裂孔或二次致裂孔之间的距离范围为3m至9.8m。

进一步地，所述观测数据及致裂后观测数据包括：观测孔内的瓦斯的流量、浓度、负压：二氧化碳浓度及应力变化。

进一步地，对于瓦斯的流量、浓度、负压的观测周期及频率为：致裂前至少连续监测10天，监测频率每两天一次，致裂后至少连续监测3天频率为每天1次；

对于二氧化碳浓度的观测时间及频率为：致裂前在15min内取气样监测；致裂后在致裂后15min，30min，1h以及2h后取气样进行监测；

对于应力变化的监测方式：通过对每一组观测孔的其中一个观测孔埋设钻孔应力计监测孔内应力变化。

通过采取上述技术方案，本发明能在满足矿山抽采效果的基础上同时能够进行相变致裂增透半径的测定。通过同时使用了多种监测手段，能够快速、准确的测定出二氧化碳相变致裂增透范围大小。为二氧化碳相变致裂在不同条件的煤层快速推广与使用提供了一种有效的途径。

附图说明

图1为本发明一实施例中测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法中钻孔钻孔位置分布图。

图2为本发明一实施例中测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法煤层影响范围测定钻孔布置剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。现具体以穿层钻孔液态二氧化碳相变致裂作为案例对本发明进行进一步说明。

为了不影响煤矿抽采进度，需在满足矿山抽采效果的基础上同时能够进行相变致裂增透范围的测定。因此一实施例采用了钻孔位置为矩形阵列的钻孔布置方式，满足煤矿抽采范围要求，同时，通过合理的调整钻孔之间在走向和倾向的距离，能够实现在致裂孔周围存在与其有不同距离的抽采孔，这些抽采孔可用于观测致裂效果，从而确定二氧化碳相变致裂的增透半径。

以图1作为实例进行进一步解释，在本实施例中，在风巷底抽巷布置3排孔，每排孔之间间距为4m，排内孔与孔之间的钻孔位置距离为3m。在该方案中共设置2个致裂孔，28个观测孔以及4个抽采孔，28个观测孔能够监测距致裂孔不同距离的抽采变化情况。其中，第一列和第三列为12个钻孔，为了保留6m的观测孔，第二列为10个钻孔，每列间隔4m，除14#和15#孔，20#和21#孔的间距为6m以外，其余每排内孔与孔之间的钻孔位置距离为3m。其中15#和18#孔为致裂孔，其余为抽采孔。

以15#致裂孔为例，16#孔与致裂孔的距离为3m，4#孔和26#孔与致裂孔的距离为4m，3#孔，5#孔，25#孔和27#孔与致裂孔的距离为5m，14#孔与致裂孔的距离为6m，2#孔，6#孔，24#孔和28#孔与致裂孔的距离为7.2m，1#孔，7#孔，23#孔和29#孔与致裂孔的距离分别为9.8m。同时，该钻孔布置方案也基本满足了煤矿对抽采效果的要求。并能够独立的测定距致裂孔3m、4m、5m、6m、7.2m和9.8m的观测孔内的变化，用以确定在不同煤层中增透效果随距离衰减的关系。

钻孔方式如图2所示，具体钻孔角度α如下表所示。

表1风巷底抽巷穿层瓦斯抽采观测钻孔参数表

风巷底抽巷致裂范围测定致裂孔参数见表2所示。

表2风巷底抽巷穿层瓦斯致裂钻孔参数表

孔号

倾角/°

孔深/m

中心点位置/m

孔号

倾角/°

孔深/m

中心点位置/m

15#

59

24.6

底板中线高1.2

20#

95

23.8

底板中线高1.2

如上所述，需说明的是观测孔可以用于抽采，但是并非所有的抽采孔都具备观测孔的条件，如13#，17#，18#和22#为抽采孔，但无法作为观测孔。依据在于，某一观测孔与其对应观测的致裂孔之间不设置其他孔，观测钻孔与致裂孔之间没有其他孔的干扰，致裂孔处产生的冲击波、应力波和气体能够有效的传递至观测孔。

该布置方式涉及了两次致裂，能够有效的避免单次实验误差对实验产生的影响。而采用对称方式布置，能够有效的减少由于钻孔非对称结构分布而导致的致裂能量不能均匀释放，对试验结果造成影响。

设置了6#孔、7#孔、28#孔和29#孔四个钻孔同时能够受到两个致裂孔影响的观测孔，能够研究煤层在反复致裂作用下的增透效果。

打孔、观测及起爆有序进行，先打抽采孔，然后对观测孔内的流量，浓度和负压进行观测，待观测数据稳定后，再打15#致裂孔，然后进行致裂，致裂后对致裂孔进行封孔抽采并单独作为一组对其孔内的流量，浓度和负压进行观测。此时观测的数据与之前对抽采孔的观测数据相同。为了避免后续致裂过程对本次致裂的观测孔造成影响，后续致裂需等待所有钻孔(包括致裂孔)孔内流量等数据稳定后再进行施工并致裂。

按照钻孔布置图及瓦斯抽采观测钻孔参数表逐排打抽采观测钻孔，待所有观测钻孔施工完毕后开始进行分组联网。分组原则应该是依据各观测孔至致裂孔距离划分，再将各个分组进行汇总。具体分组如下，针对15#致裂孔，16#孔为3m组，4#孔和26#孔为4m组，3#孔、5#孔、25#孔和27#孔为5m组，14#孔为6m组，2#孔，6#孔，24#孔和28#孔为7.2m组，1#孔，7#孔，23#孔和29#孔为9.8m组。针对20#致裂孔，19#孔为3m组，9#孔和31#孔为4m组，8#孔、10#孔、30#孔和32#孔为5m组，21#孔为6m组，7#、11#、29#和33#为7.2m组，6#、12#、28#和34#孔为9.8m组。每组需单独外接流量计，用于计量各个组的瞬时流量和总流量，本实施例优选转子流量计和煤气表。

所有的分组钻孔汇总到一起，便于测量致裂前后抽采孔总体变化情况，进行致裂增透效果总体评价。

4m组、5m组、7.2m组和9.8m组都是由多个孔组成的，其观测结果是由多个观测孔共同组成的，结果的稳定性好。

分组联网完成后，将各个分组的管路汇总后并入总抽放管路；同时，在汇总管路处也按放转子流量计和煤气表进行监测。待监测数据稳定后再打15#致裂孔进行致裂，致裂完成后对该致裂孔进行封孔抽采并单独作为一组观测，同时对各组观测孔进行监测，待所有钻孔(包括致裂孔)孔内流量等数据稳定后再打20#致裂孔(二次致裂孔)进行致裂并监测。

为了对比各组之间的差异，进而确定致裂影响范围，本实施例从以下3方面进行监测：

1)瓦斯的流量，浓度，负压监测：分别对不同组钻孔进行该3参数的监测，致裂前后均需要对钻孔进行一段时间的监测，直至数据趋于稳定；在监测初期根据需要提高监测频率，在后期数据变化量降低时可适当减小监测频率。监测的是瓦斯的抽采量，二氧化碳在这里的作用类似于炸药，致裂后对煤层进行增透，增加甲烷的流出速度。此处监测的是甲烷的抽采速度。例如，在一实施例中，可至少连续监测10天，监测频率每两天一次，且致裂后3天监测频率为每天1次。

2)二氧化碳浓度监测：监测致裂前后钻孔气体中二氧化碳浓度变化，为了减小时间效应对孔内二氧化碳含量的影响，需在致裂前15min内取气样。对于对致裂后监测，需在致裂后15min，30min，1h以及2h后二氧化碳浓度变化进行监测，以便观测孔内二氧化碳含量变化，进一步推断致裂后二氧化碳在煤层内的运移情况。具体监测手段为利用针筒抽取钻孔内空气，并打入储气带内进行色谱分析。

3)应力变化监测：对每组抽采钻孔内其中一个钻孔埋设钻孔应力计，在液态二氧化碳致裂试验中，分别在不同距离的组内选取4#、6#、14#、16#、25#和29#孔为应力计按放孔，用来观测致裂前后煤体内应力变化。也就是说，每组内按放一个。

其中，钻孔应力测量系统安装方法：

1)在已经打好的指定抽采孔内放入应力计；在应力计放入过程中，将应力感应器固定在推杆上；将传感器的受力面朝上用推杆将传感器缓慢推入。并且在推入传感器时不可将推杆旋转，应保持一个方向。

2)待应力计推入指定位置后，将电子数显液压转换器与应力计连接，并读取应力计示数；

3)将旋转枪手柄向外旋至最底部，将液压油顶入应力计内，使应力计的顶头伸出一定长度，直至电子数显显示压力示数后，开始减慢旋转速度，待电子数显显示压力稳定后表明按放成功。

通过对应力计施加预应力从而实现对煤层应力释放范围的测量，从应力角度对二氧化碳相变致裂增透效果进行评判。在液态二氧化碳相变致裂后，煤层会出现以致裂中心点为球心的破碎圈，裂隙圈和震动圈，可根据应力计的应力释放量来确定相变致裂各个区域的距离。若应力计示数在致裂前后基本无变化，则表明该距离是震动区的外边缘，此距离已经没有增透效果。同时，根据致裂前后不同组孔内二氧化碳含量的变化情况可以对三个区域进行进一步的确定。在破碎区域内，在爆破后随即就会存在大量二氧化碳气体；在裂隙区域中，气体流通速度快，在致裂后，致裂孔内的二氧化碳气体要通过渗流通道才能到达周围的观测孔内；而在震动区内，气体需要先经过裂隙区，而后经过缓慢的渗透才能到达震动区内的观测孔。所以，在不同区域内的观测孔抽内的二氧化碳浓度是不相同的，根据二氧化碳浓度变化来进一步确定液态二氧化碳相变致裂的增透半径。另外，根据致裂前后不同分组观测孔内直接检测的甲烷流速变化情况，流速增量越大，表明增透效果越明显，可以更加直观的确定液态二氧化碳相变致裂增透半径大小。最终通过计算或其他方式确定二氧化碳相变致裂增透半径，从而获得致裂增透范围。在本技术领域内，只要获得可靠的观测数据，即可依据相关公知理论计算获得二氧化碳相变致裂增透半径，本发明的核心主旨在于如何满足抽采前提的基础上，获得可靠的致裂观测数据，对于具体根据数据计算致裂增透半径的过程不再赘述。

同时，为了避免试验数据受到偶然因素影响，上述实施例采用两次致裂。第二次致裂的过程与第一次相同。第二次致裂后得出的数据与第一次致裂进行对比，若两次试验结果相似则表明试验数据可信；若两次试验结果差别较大，则需通过定性分析来判别数据的合理性和准确性，进而剔除不合理数据；若两次试验结果差别较大且通过定性判断后两种结果均合理，则需重新试验进行判定。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，包括以下步骤：

1)确定一致裂孔的位置，在该致裂孔的周围钻设若干组对应该致裂孔的观测孔，同一组中的各观测孔与该致裂孔之间的距离相同，致裂孔及与其对应的所有观测孔呈矩形阵列分布；

2)通过对各观测孔进行观测，获得观测数据；

3)所得观测数据稳定后，钻设致裂孔，然后进行致裂；

4)对各组观测孔进行观测，获得用以评估致裂增透范围的致裂后观测数据；

5)确定一二次致裂孔位置，参照步骤1)-4)获得对应二次致裂孔的致裂后观测数据，将对应致裂孔及二次致裂孔的致裂后观测数据进行对比，若二者相似则择一采用；若二者差别较大，则通过定性分析判别数据的合理性和准确性，剔除不合理数据；若二者差别较大且通过定性判断后二者均合理，则重新确定一新的致裂孔位置，参照步骤1)-4)获得对应该新的致裂孔的致裂后观测数据；

其中，各观测孔与其对应的致裂孔或二次致裂孔之间的距离为3m、4m、5m、6m、7.2m、9.8m。

2.如权利要求1所述的测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，其特征在于，任一观测孔与其对应的致裂孔之间不设置其他孔。

3.如权利要求1所述的测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，其特征在于，若干组观测孔中的一组或多组观测孔同时对应致裂孔及二次致裂孔。

4.如权利要求1所述的测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，其特征在于，致裂孔、二次致裂孔及与二者对应的所有观测孔以致裂孔与二次致裂孔的连线的垂直平分线为对称轴呈对称分布。

5.如权利要求1所述的测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，其特征在于，所述观测数据及致裂后观测数据包括：观测孔内的瓦斯的流量、浓度、负压、 二氧化碳浓度及应力变化。

6.如权利要求5所述的测定煤层液态二氧化碳相变致裂增透范围的方法，其特征在于，对于瓦斯的流量、浓度、负压的观测周期及频率为：致裂前至少连续监测10天，监测频率每两天一次，致裂后至少连续监测3天， 频率为每天1次；

对于二氧化碳浓度的观测时间及频率为：致裂前在15min内取气样监测；致裂后在致裂后15min，30min，1h以及2h后取气样进行监测；

对于应力变化的监测方式：通过对每一组观测孔的其中一个观测孔埋设钻孔应力计监测孔内应力变化。

Images