CN111077576A - 地面压裂的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地面压裂的监测方法，其中，该方法包括：在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息；在地面压裂完成后，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态；根据所述裂纹扩展实况信息，所述覆岩活动特征，以及所述煤岩体应力状态确定地面压裂效果。通过本发明，通过压中、压后不同阶段的监测，可以全面获取与地面压裂相关的评价参数，确定地面压裂效果，为压裂井设计、布井方案优化、裂缝产量提高等提供更准确的依据，可以达到区域卸压治理冲击地压的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全开采技术领域，具体而言，涉及一种地面压裂的监测方法。
背景技术
相关技术中，西部地区的神东煤田是全国已探明煤炭储量最大的整装煤田，该基地的煤炭资源产出对国民经济和社会发展发挥着重要的能源支撑作用。隶属于神东基地的东胜煤田在近年来重点筹建了红庆河、巴彦高勒、门克庆等一批深部矿井，这些矿井在开采过程中受煤层上方高位厚层顶板影响，多次发生冲击地压灾害，严重威胁了该区的煤炭安全生产。
针对厚层顶板的处理，目前煤矿采用的常规手段主要为深孔爆破和水压致裂技术，这些技术的钻孔均在煤层巷道内施工，受设备能力限制，顶板控制范围都仅是局限于近场50m范围内，显然这些方法无法实现以上深部矿井高位厚层顶板的主动控制。地面压裂采用体积压裂技术从地面对煤层上方高位厚硬岩层位置实施压裂，通过压裂降低厚硬岩层的强度和完整性，减弱高位厚硬岩层突然失稳断裂时对采场围岩形成强烈的动载扰动，可以实现对冲击地压的区域卸压和源头治理，是解决东胜煤田深部矿井冲击地压问题的有效方法。实施地面压裂技术时，通常采用压裂时的监测结果进行压裂效果评估，但其不能客观反映实施地面压裂后能否达到降低冲击地压安全风险的预期效果。
针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种地面压裂的监测方法。
根据本发明的一个实施例，提供了一种地面压裂的监测方法，包括：在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息；在地面压裂完成后，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态；根据所述裂纹扩展实况信息，所述覆岩活动特征，以及所述煤岩体应力状态确定地面压裂效果。
可选的，在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息，包括：向所述目标煤岩层内注入压裂液，增加孔隙流体压力直到岩石破裂；监测所述目标煤岩层的岩石破裂时发出的地震波，并根据所述地震波解析得到目标煤岩层的裂纹扩展实况信息。
可选的，监测所述目标煤岩层的岩石破裂时发出的地震波，并根据所述地震波解析得到目标煤岩层的裂纹扩展实况信息，包括：通过检波器采集在压裂过程中微地震波的波形信息；对所述波形信息做极化分析和初至拾取，获取所述目标煤岩层相对震源的纵横波时差；根据所述纵横波时差建立速度模型，以定位所述震源；根据所述震源的事件簇生成所述目标煤岩层在压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。
可选的，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：通过所述目标煤岩层下方的工作面顺槽内的传感器采集微震事件的微震信号；将所述微震信号转变为电信号，对所述电信号进行模数转换得到数字信号；对所述数字信号经滤波处理后，基于定位算法和能量算法计算所述微震事件的定位信息及能量信息。
可选的，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：通过所述目标煤岩层下方的工作面前方顺槽内的地音探头采集地音信号；将所述地音信号转化为电压信号，根据所述电压信号分析所述目标煤岩层下方的低位岩层活动强度。
可选的，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：通过压力传感器实时测量支架立柱的下腔压力，其中，所述目标煤岩层下方的工作面内的综采支架上的所述压力传感器通过三通接头和液压管路与所述支架立柱相连；周期采集所述下腔压力的压力数据，并根据所述压力数据计算所述工作面的来压歩距和矿压显现强度。
可选的，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：通过垂直于煤壁钻孔内的应力计压力枕检测孔底处的岩石应力，得到压力枕受力数据，其中，所述应力计压力枕安装在所述目标煤岩层下方的工作面前方顺槽内；根据所述压力枕受力数据确定当前煤体的应力集中程度。
可选的，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：在所述目标煤岩层下方的工作面前方的第一顺槽内布置层析成像CT探测传感器，在第二顺槽内布置炸药孔激发；根据地震波走时或地震波场观测数据对地球介质进行反演，获取所述CT探测传感器的探测区域内部介质的地震波参量；根据所述地震波参量反演物体内部物理量的分布，得到不重叠的分布图形，进而确定所述目标煤岩层体内的震动波速。
可选的，根据所述裂纹扩展实况信息，所述覆岩活动特征，以及所述煤岩体应力状态确定地面压裂效果包括：在裂缝高度和裂缝长度越大时，确定所述地面压裂效果越好，在裂缝方位角与预期方向越相符时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述裂纹扩展实况信息包括：所述裂缝高度、所述裂缝长度、所述裂缝方位角；在微震事件的能量级别较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在地音事件的能量级别较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在目标岩层的垮断歩距较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述覆岩活动特征包括：所述微震事件、所述地音事件、所述目标岩层的垮断歩距；在煤岩体的应力集中程度较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在震动波在煤岩体内的波速较压裂前越低时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述煤岩体应力状态包括：所述煤岩体的应力集中程度、所述震动波在煤岩体内的波速。
通过本发明，通过压中、压后不同阶段的监测，可以全面获取与地面压裂相关的评价参数，确定地面压裂效果，为压裂井设计、布井方案优化、裂缝产量提高等提供更准确的依据，可以达到区域卸压治理冲击地压的目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种地面压裂的监测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的压中微地震裂缝监测系统原理示意图；
图3为本发明实施例提供的压后监测系统布置示意图；
图4为本发明实施例提供的震波CT探测原理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
在本实施例中提供了一种地面压裂的监测方法，图1是根据本发明实施例的一种地面压裂的监测方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S102，在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息；
地面压裂采用体积压裂技术从地面打钻至煤层上方高位厚硬岩层位置实施压裂，通过压裂降低厚硬岩层的强度和完整性，减弱高位厚硬岩层突然失稳断裂时对采场围岩形成强烈的动载扰动，可以实现对冲击地压的区域卸压和源头治理。
通过地面压裂监测，可以了解裂缝扩展情况、评价压裂效果，从而对地面压裂施工参数和布井方案进行优化，是确保地面压裂区域卸压治理冲击地压取得理想效果的手段。
步骤S104，在地面压裂完成后，监测目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态；
通过压中监测裂纹扩展情况、压后监测回采过程中覆岩活动和矿压显现情况，综合评判地面压裂治理冲击地压的实施效果。
步骤S106，根据裂纹扩展实况信息，覆岩活动特征，以及煤岩体应力状态确定地面压裂效果。
通过上述步骤，通过压中、压后不同阶段的监测，可以全面获取与地面压裂相关的评价参数，确定地面压裂效果，为压裂井设计、布井方案优化、裂缝产量提高等提供更准确的依据，可以达到区域卸压治理冲击地压的目的。
本实施例在实施地面压裂过程中，可以采用微地震裂缝监测技术监测裂纹扩展实况，实施地面压裂后，可以采用井上下微震联合监测技术、地音监测技术、工作面支架阻力监测技术、应力监测技术和震动波CT(Computerized tomography，层析成像)反演技术等监测工作面回采过程中的覆岩活动和矿压显现情况。根据压裂现场的实际情况，可以选择不同方法组合进行地面压裂监测。下面对各个监测方案进行解释和说明：
针对地面压裂过程中的微地震裂缝监测，地面水力压裂时，大量压裂液被注入目标岩层内,使孔隙流体压力迅速提高,高孔隙压力以剪切破裂和张性破裂两种方式引起岩石破坏，岩石破裂时发出地震波，储存在岩石中的能量以波的形式释放出来。参见图2，图2为本发明实施例提供的压前微地震裂缝监测系统原理示意图，微地震裂缝监测技术通过在邻井中的检波器监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，对波形信息做极化分析和初至拾取，获取相对震源的方位角和纵横波时差，依据纵横波时差建立速度模型，从而进行震源精确定位。利用微震事件簇可以描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布，实时展示压裂施工产生裂缝的高度、长度和方位角，以此作为地面压裂实施效果的评价依据。
针对地面压裂完成后的微震井上下联合监测，压裂后，目标岩层采煤工作面在回采过程中，采空区上方一定范围内的岩层将在矿压及自重作用下发生失稳破断，破断时将产生大量的微震事件。参见图3，图3为本发明实施例提供的压后监测系统布置示意图，示意了多个压后监测系统的布置位置和方式，在目标岩层下方的工作面顺槽内布置井下微震监测系统，在目标岩层上方对应的地面上布置地面微震监测台站，构建井上下一体化微震监测台网。井上下联合监测系统的传感器在接收到原始的微震信号后，将其转变为电信号，并进行模数转换发送到系统的信号采集单元；经滤波处理后保存到记录服务器，然后发送到分析计算机；分析计算机上的系统软件采用内嵌的定位算法和能量算法对微震事件数据处理和分析，实现对微震事件的定位及能量计算，并将定位结果显示在矿区平面示意图上，从而实现对目标岩层的微震事件监测。压裂前，目标岩层的完整性和强度较大，下方的工作面在回采后，容易在采空区形成大面积悬顶结构，当其突然失稳破断时将产生大量高能量微震事件；压裂后，目标岩层的完整性和强度都有所下降，工作面回采后，采空区上方的目标岩层能够随下覆岩层活动周期性垮断，该过程将产生大量低能量微震事件。通过对实施地面压裂和未实施地面压裂区域的微震事件能量级别、频次和时空分布特征的对比分析，可以评价地面压裂的实施效果。
针对地面压裂完成后的地音监测，目标压裂岩层煤岩体在应力作用下，内部裂纹的微破裂过程将产生地音事件。参见图3，目标岩层下方的工作面前方顺槽内布置地音监测系统，地音探头将监测到地音事件转化为电压信号，然后经过井下发射器处理后，由通讯电缆传输至地面,系统分析软件根据实时监测数据对目标岩层下方的低位岩层活动强度进行综合评价。地面压裂前，悬而不垮的目标岩层将使下方的煤岩层应力集中较高，煤岩体微破裂活动加剧，导致地音事件能量较高；压裂后，目标岩层下方的煤岩层处于低应力状态，该区煤岩体微破裂活动减弱，地音事件能量较低，由此可以评价压裂效果。
针对地面压裂完成后的工作面支架阻力监测，工作面回采后，煤壁后方破断的岩层一部分将作用于工作面支架上。参见图3，在目标岩层下方的工作面内的综采支架上安装支架工作阻力监测系统，系统中的压力传感器通过三通接头和液压管路同支架立柱相连，测量立柱下腔压力。监测系统间隔一定时间周期采集一次压力数据，通过专用软件处理支架工作阻力，可以准确判断工作面来压歩距和矿压显现强度。压裂前，目标岩层垮断歩距较大，支架压力和动载系数较大；压裂后，目标岩层的垮断歩距减小，支架压力和动载系数减小，由此可以评价压裂效果。
针对地面压裂完成后的应力监测，煤岩体始终处于地应力场之中，采场应力的变化直接受采场覆岩结构的影响。参见图3，在目标岩层下方的工作面前方顺槽内布置应力监测系统，该系统在垂直于煤壁钻孔内安装应力计压力枕，当孔底处的岩石应力改变时，压力枕的受力随之改变，传感器会将压力枕受力数据上传到监测电脑内，显示当前煤体的应力状态。压裂前，目标岩层将导致下方煤岩体应力集中程度较大；压裂后，煤岩体的应力集中程度减小，由此可以评价压裂效果。
针对地面压裂完成后的震动波CT反演监测，震动波在煤岩体内的传播速度与其所处的应力大小呈正相关关系，可以通过震动波CT反演波速场研究煤岩体的应力分布情况。参见图4，图4为本发明实施例提供的震波CT探测原理示意图，在目标岩层下方的工作面前方一条顺槽内布置CT探测传感器(如PASAT型号的接收器)，在另一条顺槽内布置炸药孔激发。该系统根据地震波走时或地震波场观测数据对地球介质进行反演，获取探测区域内部介质的波速等地震波参量，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图形，从而识别探测区域内部的结构及力学性质。采用震波CT探测系统，对整个倾向范围的围岩波速场进行探测。压裂前，震动波在煤岩体内的波速较高；压裂后，震动波在煤岩体内的波速有所降低，通过探测分析压裂与非压裂区域的波速场的差异，进而评价压裂效果。
通过本实施例的方案，压裂中采用微地震裂缝监测系统监测压裂井的微地震事件，实时展现裂缝扩展情况等；压裂后采用井上井下联合微震监测技术、地音监测系统、支架阻力监测系统实时监测回采工作面上覆岩层活动特征，结合应力监测系统、震动波CT探测技术分析煤岩体应力状态，对比压裂区域和未压裂区域的上覆岩层断裂、煤岩体受力，综合评判回采期间压裂的效果。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种地面压裂的监测方法，其特征在于，包括：
在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息；
在地面压裂完成后，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态；
根据所述裂纹扩展实况信息，所述覆岩活动特征，以及所述煤岩体应力状态确定地面压裂效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在地面压裂过程中，监测目标煤岩层的裂纹扩展实况信息，包括：
向所述目标煤岩层内注入压裂液，增加孔隙流体压力直到岩石破裂；
监测所述目标煤岩层的岩石破裂时发出的地震波，并根据所述地震波解析得到目标煤岩层的裂纹扩展实况信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的岩石破裂时发出的地震波，并根据所述地震波解析得到目标煤岩层的裂纹扩展实况信息，包括：
通过检波器采集在压裂过程中微地震波的波形信息；
对所述波形信息做极化分析和初至拾取，获取所述目标煤岩层相对震源的纵横波时差；
根据所述纵横波时差建立速度模型，以定位所述震源；
根据所述震源的事件簇生成所述目标煤岩层在压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：
通过所述目标煤岩层下方的工作面顺槽内的传感器采集微震事件的微震信号；
将所述微震信号转变为电信号，对所述电信号进行模数转换得到数字信号；
对所述数字信号经滤波处理后，基于定位算法和能量算法计算所述微震事件的定位信息及能量信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：
通过所述目标煤岩层下方的工作面前方顺槽内的地音探头采集地音信号；
将所述地音信号转化为电压信号，根据所述电压信号分析所述目标煤岩层下方的低位岩层活动强度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：
通过压力传感器实时测量支架立柱的下腔压力，其中，所述目标煤岩层下方的工作面内的综采支架上的所述压力传感器通过三通接头和液压管路与所述支架立柱相连；
周期采集所述下腔压力的压力数据，并根据所述压力数据计算所述工作面的来压歩距和矿压显现强度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：
通过垂直于煤壁钻孔内的应力计压力枕检测孔底处的岩石应力，得到压力枕受力数据，其中，所述应力计压力枕安装在所述目标煤岩层下方的工作面前方顺槽内；
根据所述压力枕受力数据确定当前煤体的应力集中程度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述目标煤岩层的工作面在回采过程中的覆岩活动特征和煤岩体应力状态包括：
在所述目标煤岩层下方的工作面前方的第一顺槽内布置层析成像CT探测传感器，在第二顺槽内布置炸药孔激发；
根据地震波走时或地震波场观测数据对地球介质进行反演，获取所述CT探测传感器的探测区域内部介质的地震波参量；
根据所述地震波参量反演物体内部物理量的分布，得到不重叠的分布图形，进而确定所述目标煤岩层体内的震动波速。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述裂纹扩展实况信息，所述覆岩活动特征，以及所述煤岩体应力状态确定地面压裂效果包括：
在裂缝高度和裂缝长度越大时，确定所述地面压裂效果越好，在裂缝方位角与预期方向越相符时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述裂纹扩展实况信息包括：所述裂缝高度、所述裂缝长度、所述裂缝方位角；
在微震事件的能量级别较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在地音事件的能量级别较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在目标岩层的垮断歩距较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述覆岩活动特征包括：所述微震事件、所述地音事件、所述目标岩层的垮断歩距；
在煤岩体的应力集中程度较压裂前越小时，确定所述地面压裂效果越好，在震动波在煤岩体内的波速较压裂前越低时，确定所述地面压裂效果越好，其中，所述煤岩体应力状态包括：所述煤岩体的应力集中程度、所述震动波在煤岩体内的波速。
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