CN111173487B - 区域式水力压裂的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及井工开采领域，提供一种区域式水力压裂的监测方法。该监测方法包括如下步骤：裂隙发展监测，设置第一监测单元组采集顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的波信号；压裂后应力监测，设置第二监测单元组采集实施水力压裂前后应力场的变化量；回采后应力监测，设置第三监测单元组采集压裂区和非压裂区应力变化量。本发明提供的水力压裂的监测方法具有操作简单、实用性强、可多次测试、精度、可靠性高等优点，可以对水力压裂效果从压裂阶段开始直至回采阶段的全过程进行耦合一体化监测，提供详细的监测方法；可以分别对裂隙发展、压裂后应力和回采后应力进行监测；可以实现对于水力压裂过程中“由线到面”，由“表面载荷到内部应力”的全面监测。
Description
技术领域
本发明涉及井工开采领域，特别是涉及一种区域式水力压裂的监测方法。
背景技术
井工开采过程中地质条件复杂多变，地质条件的赋存特征对于煤炭资源的井工开采的安全性具有直接的影响。据统计资料表明，在山西省的大同地区、内蒙古的呼吉尔特矿区、河南、黑龙江、陕北神府地区以及山东等矿区均赋存有强度较高、厚度较大的致密坚硬顶板。
当回采工作面上方赋存有坚硬顶板时会给工作面以及回采巷道带来严重的威胁，如在这类顶板下实行综合机械化采煤，支架承受较大的载荷，常常压坏支架；回采巷道在超前支承应力范围内应力集中程度过高，导致巷道变形严重，帮鼓、底鼓程度较高，影响工作面生产的顺利进行。
此外，坚硬顶板不能随着工作面的推进而依次有序垮落，如悬臂梁一样置于煤层之上，当其突然垮落则会形成较强的来压现象，甚至产生暴风，冲击工作面及两边的回采巷道从而造成人员伤亡；在具有冲击倾向性的煤层时，则极易造成冲击地压灾害的发生。
针对坚硬顶板的治理问题，目前主要使用的是爆破和水力压裂两种类型，其中爆破受到瓦斯和其他因素的制约而导致推广应用受到限制；水力压裂则可以分为浅孔水力压裂和超长孔水力压裂(即区域式水力压裂)两种，其中，超长孔水力压裂(即区域式水力压裂)可以为多个超长孔并排设置的方式。
浅孔水力压裂发展时间相对较长，其配套的监测设备已相对完善，针对的是巷道周围浅部围岩，通过高压水在钻孔内促进原有裂隙和次生裂隙的扩展和发育，从而在较小范围内对巷道围岩的应力可以起到一定调节作用，其裂隙的存在对于巷道上覆岩层空间结构的演化也有一定的改变作用；但是浅孔水力压裂受制于自身技术的限制，对于采场区域范围内的应力的控制能力较差，当回采工作面埋深较深，顶板的坚硬层厚度较厚，则浅孔水力压裂的效果就受到了影响。
超长孔水力压裂技术(即区域式水力压裂技术)可以较大范围的处理坚硬顶板，其裂隙扩展机理与浅孔水力压裂裂隙扩展机理相同，但是超长孔水力压裂(即区域式水力压裂)因为其流量高、泵压大，而可以实现裂隙的较大尺度的扩展，从而有利于实现区域性的坚硬顶板的处理，当设置三个及三个以上的超长孔时，则受到水力压裂诱导应力影响而可以实现区域性的应力调整。在随后的采动过程中，压裂后的坚硬顶板的连续性降低和强度弱化，因此容易发生垮落。
目前针对超长孔的水力压裂(即区域式水力压裂)尚未有成熟的监测方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种区域式水力压裂的监测方法。
(二)技术方案
本发明提供一种区域式水力压裂的监测方法，包括如下步骤：裂隙发展监测，设置第一监测单元组采集顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的波信号；压裂后应力监测，设置第二监测单元组采集实施水力压裂前后应力场的变化量；回采后应力监测，设置第三监测单元组采集压裂区和非压裂区应力变化量。
进一步地，将所述第一监测单元组设置在压裂孔的位置处监测所述顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的地震波并生成所述波信号。
进一步地，所述第二监测单元组包括第一应力计和第一微震探测器；在压裂孔的位置处设置所述第一应力计，以监测实施水力压裂前后所述压裂孔应力场的变化量；在所述顶板下方的煤体内设置所述第一微震探测器，以监测实施水力压裂前后所述煤体内部的应力场的变化量。
进一步地，通过所述第一微震探测器对所述煤体进行至少两次探测，其中一次探测用以监测实施水力压裂前，所述煤体内部的应力场分布特征；其中另一次探测用以监测实施水力压裂后，所述煤体内部的应力场分布特征。
进一步地，还包括：得到实施水力压裂前所述煤体内部的应力场分布特征、实施水力压裂后所述煤体内部的应力场分布特征后，对比两次应力场分布特征，以得出所述煤体内部的应力场的变化量。
进一步地，所述第三监测单元组包括压力传感器、第二应力计、第二微震探测器和测距仪；在回采工作面的液压支架上设置所述压力传感器，以监测所述液压支架上的载荷变化；在煤壁侧和煤柱侧设置所述第二应力计，以监测所述煤壁侧和所述煤柱侧的载荷变化；在所述煤体内设置所述第二微震探测器，以监测实施水力压裂前后煤体内部的应力场的变化量；利用所述测距仪对巷道断面进行监测，以监测所述巷道断面的收敛变形特征。
进一步地，还包括：在回采巷道设置至少三个锚杆和/或锚索，至少一个所述锚杆和/或所述锚索设置在非压裂区，另外两个所述锚杆和/或所述锚索设置在压裂区，在至少三个所述锚杆和/或锚索上设置所述压力传感器，以监测至少三个所述锚杆和/或锚索的载荷变化。
进一步地，所述第二应力计至少为三个，其中一个所述第二应力计设置在非压裂区，另外两个所述第二应力计设置在压裂区内；至少三个所述第二应力计在竖直方向上相互错开。
进一步地，所述第二微震探测器至少为两个，其中一个所述第二微震探测器设置在非压裂区的所述煤体内，另外一个所述第二微震探测器设置在压裂区的所述煤体内。
进一步地，利用所述测距仪对处于非压裂区的所述巷道断面、处于压裂区的所述巷道断面分别进行监测。
(三)有益效果
本发明提供的区域式水力压裂的监测方法，可以对水力压裂效果从压裂阶段开始直至回采阶段的全过程进行耦合一体化监测，为现有的水力压裂的效果提供详细的监测方法；可以分别对裂隙发展、压裂后应力和回采后应力分别进行监测；对后续水力压裂措施的参数设计提供科学的指导，从而优化压裂参数，达到更好的应力控制效果；可以实现对于水力压裂过程中“由线到面”，由“表面载荷到内部应力”的全面监测。此外，该监测方法还具有操作简单、实用性强、可以多次测试、精度高、可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的第一监测单元组设置在压裂孔处的示意性平面图；
图2为本发明实施例提供的第一监测单元组设置在压裂孔处的示意性剖视图；
图3为本发明实施例提供的第一应力计设置在压裂孔处的示意性平面图；
图4为本发明实施例提供的第一应力计设置在压裂孔处的示意性剖视图；
图5为本发明实施例提供的第一微震探测器设置在处于压裂区的煤体中示意性平面图；
图6为本发明实施例提供的第一微震探测器设置在处于非压裂区的煤体中信号发射、接受的示意性平面图；
图7为本发明实施例提供的压力传感器设置在液压支架上的示意性平面图；
图8为本发明实施例提供的压力传感器设置在液压支架、锚杆和锚索上的示意性结构图；
图9为本发明实施例提供的压力传感器设置在锚杆和锚索上的示意性断面图；
图10为本发明实施例提供的测距仪设置在巷道断面上示意性断面图。
附图标号说明：
100、压裂孔；102、第一监测单元组；104、煤壁侧；106、回采巷道；108、第一应力计；110、裂隙；112、第一微震探测器；114、回采工作面；116、压裂区；118、非压裂区；120、液压支架；122、压力传感器；124、锚杆；126、锚索；128、巷道断面；130、测距仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请结合参考图1至图10，本发明提供一种区域式水力压裂的监测方法，包括如下步骤：裂隙发展监测，设置第一监测单元组102采集顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的波信号；压裂后应力监测，设置第二监测单元组采集实施水力压裂前后应力场的变化量；回采后应力监测，设置第三监测单元组采集压裂区116和非压裂区118应力变化量。
本发明提供的区域式水力压裂的监测方法，可以对水力压裂效果从压裂阶段开始直至回采阶段的全过程进行耦合一体化监测，为现有的水力压裂的效果提供详细的监测方法；可以分别对裂隙110的发展、压裂后应力和回采后应力分别进行监测；对后续水力压裂措施的参数设计提供科学的指导，从而优化压裂参数，达到更好的应力控制效果；可以实现对于水力压裂过程中“由线到面”，由“表面载荷到内部应力”的全面监测。此外，该监测方法还具有操作简单、实用性强、可以多次测试、精度高、可靠性高等优点。
具体来说，本发明实施例提供的区域式水力压裂的监测方法主要包括三个步骤：
裂隙发展监测步骤、压裂后应力监测步骤以及回采后应力监测步骤。
其中，如图1和图2所示，裂隙发展监测步骤主要用于收集顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的详细波信号，从而对于压裂过程中裂隙110的扩展和发育完成监测。由此，在该步骤中，需要设置第一监测单元组102来采集顶板的波信号。例如，微地震监测单元可以是GeoEast-ESP微地震监测单元等。
具体设置方式是将第一监测单元组102设置在压裂孔100的位置处监测顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的地震波并生成波信号。其中，第一监测单元组102可以是微地震监测单元，考虑到水力压裂中裂隙110在扩展时，释放出信号的能力较弱，对于微地震监测单元的选型及设置需要考虑选择精度较高、较灵敏的微地震监测单元，还需要将微地震监测单元设置在距离压裂孔100较近的位置。
此外，微地震监测单元的数量可以是多个，多个微地震监测单元可以沿着压裂孔100的长度方向和/或宽度方向和/或周向间隔地设置。
压裂后应力监测步骤主要用于分析在实施水力压裂前后对于范围内应力场的改变的程度。
其中，水力压裂前后应力场的变化量是通过设置第二监测单元组实现的。
具体来说，第二监测单元组包括第一应力计108和第一微震探测器112；其中的第一应力计108可以是空心包体应变计等，例如CSIRO空心包体应变计监测单元。
如图3和图4所示，在压裂孔100附近的位置处设置第一应力计108，以监测实施水力压裂前后压裂孔100应力场的变化量；具体设置方式是在实施水力压裂之前设置CSIRO空心包体应变计监测单元，由于大规模的水力压裂实施后，会因水力压裂产生的诱导应力的存在而改变压裂区116一定范围内的应力场分布，因此，借助CSIRO空心包体应变计检测单元可以有效地分析在实施压裂前后对于范围内应力场的改变的程度。
如图5和图6所示，第一微震探测器112可以是便携式微震探测器等，例如采用基于地震波CT技术的PASAT-M型便携式微震探测器。
具体设置方式是在顶板下方的煤体内设置第一微震探测器112，以监测实施水力压裂前后煤体内部的应力场的变化量。在未实施水力压裂之前，在顶板的下方煤体内采用基于地震波CT技术的PASAT-M型便携式微震探测器对煤体内部涉及压裂的区域进行探测，得到初始的煤体的地震波波速，通过波速、波速梯度、波速异常区最小临空距等特征参量的收集，得到压裂前煤体内部的应力场分布特征。
进一步地，为了反应水力压裂对于应力调整程度的监测，在优选地实施例中，通过第一微震探测器112还需要对煤体进行至少一次探测，第二次探测是为了监测实施水力压裂后，煤体内部的应力场分布特征。
具体地，在实施水力压裂后，对该区域进行第二次探测，得到实施水力压裂后的煤体应力场分布特征，对比两次煤体内部应力场分布特征的差异，可以进一步对比监测顶板上大范围应力调整后对于下方煤体内应力调整，这样一来就能够通过对比两次煤体内部应力场分布特征的差异真实有效地反应出水力压裂实施后对于应力调整程度的监测。
也就是说，在本实施例中，先后通过第一微震探测器112对煤体进行了至少两次探测，其中一次探测用以监测实施水力压裂前，煤体内部的应力场分布特征；其中另一次探测用以监测实施水力压裂后，煤体内部的应力场分布特征。
通过上述监测方法，就能够真实有效地监测到水力压裂前后范围内应力场以及媒体内部应力场的变化量。
如图7至图9所示，回采后应力监测步骤主要用于分析回采后，回采工作面114的液压支架120、锚杆124和/或锚索126、煤壁侧104和煤柱侧、媒体内部以及巷道内的应力变化、变形收敛等参数量的变化。
其中，回采后应力的变化量以及变形收敛等参数的变化量是通过设置第三监测单元组实现的。
在本实施例中，第三监测单元组包括压力传感器122、第二应力计、第二微震探测器和测距仪130。
在回采工作面114的液压支架120上设置压力传感器122，以监测液压支架120上的载荷变化；
具体地，在回采工作面114的液压支架120上设置压力传感器122，监测在采动过程中液压支架120上所承受的载荷的变化，分别监测在常规非压裂区118域内液压支架120的载荷和压裂区116域内液压支架120所承受的载荷；对比分析压裂区116和非压裂区118内液压支架120上的载荷的变化，以得出回采后在液压支架120上的载荷变化；
在煤壁侧104和煤柱侧设置第二应力计，以监测煤壁侧104和煤柱侧的载荷变化；进一步地，第二应力计至少为三个，其中一个第二应力计设置在非压裂区118，另外两个第二应力计设置在压裂区116内。其中，第二应力计可以是钻孔应力计。
具体地，以钻孔应力计是三个为例。在回采巷道106两侧，即在煤壁侧104和煤柱侧设置三个以上的钻孔应力计测点，并在每个钻孔应力计测点的位置处设置一个钻孔应力计。
其中三个钻孔应力计在竖直方向上相互错开，而且，至少一个钻孔应力计需要被设置在非压裂区118，另外两个钻孔应力计需要被设置在压裂区116内，收集在采动过程中，压裂区116和非压裂区118中的煤壁侧104和煤柱侧内部位于不同深度的应力信息，以此为代表对比分析压裂区116和非压裂区118内煤壁侧104和煤柱侧不同深度内部的应力变化。其中，位于非压裂区118中的钻孔应力计的测量数值可以作为对照组来与位于压裂区116中的钻孔应力计的测量数值进行比对。
在回采巷道106设置至少三个锚杆124和/或锚索126，至少一个锚杆124和/或锚索126设置在非压裂区118，另外两个锚杆124和/或锚索126设置在压裂区116，在至少三个锚杆124和/或锚索126上设置压力传感器122，以监测至少三个锚杆124和/或锚索126的载荷变化。
具体地，在回采巷道106布置三个以上的锚杆124和/或锚索126的应力监测断面，即在回采巷道106布置三个以上的锚杆124和/或锚索126。以锚杆124和/或锚索126是三个为例，其中至少一个锚杆124和/或锚索126被设置在非压裂区118，另外两个被设置在压裂区116内，收集在采动过程中不同监测断面的锚杆124和/或锚索126的受力，以此为代表对比分析处于压裂区116和处于非压裂区118内的锚杆124和/或锚索126的受力变化。
其中，位于非压裂区118中的压力传感器122的测量数值可以作为对照组来与位于压裂区116中的压力传感器122的测量数值比对。
在煤体内设置第二微震探测器，以监测实施水力压裂前后煤体内部的应力场的变化量；进一步地，第二微震探测器至少为两个，其中一个第二微震探测器设置在非压裂区118的煤体内，另外一个第二微震探测器设置在压裂区116的煤体内。其中，第二微震探测器可以采用便携式的微震探测器，例如基于地震波CT技术的PASAT-M型便携式微震探测器和/或采用PASAT-M型便携式微震探测器等。
具体地，采用基于地震波CT技术的PASAT-M型便携式微震探测器，对非压裂区118内的煤体在采动前和处于采动影响区时进行探测，得到初始的煤体的地震波波速等参数值，通过波速、波速梯度、波速异常区最小临空距等特征参量的收集，得到非压裂区118的煤体在采动前和采动影响区的内部应力场的演变特征；
采用PASAT-M型便携式微震探测器对处于压裂区116内的煤体在采动前和处于采动影响区时进行探测，得到处于压裂区116的煤体在采动前和采动影响区的内部应力场的演变特征；
对比压裂区116和非压裂区118煤体在受采动影响导致应力场演变特征的差异。
其中，位于非压裂区118中的第二微震探测器的测量数值可以作为对照组来与位于压裂区116中的第二微震探测器的测量数值进行比对。
如图10所示，利用测距仪130对巷道断面128进行监测，以监测巷道断面128的收敛变形特征；进一步地，利用测距仪130对处于非压裂区118的巷道断面128、处于压裂区116的巷道断面128分别进行监测。其中，测距仪130可以使用激光测距仪130等元件。
具体地，采用激光测距仪130对处于非压裂区118的巷道断面128进行监测，对比得到在不受采动影响和受采动影响期间，该巷道断面128的收敛变形特征；
采用激光测距仪130对压裂区116巷道断面128进行监测，对比得到在不受采动影响和受采动影响期间，该巷道断面128的收敛变形特征；
对比分析压裂区116和非压裂区118巷道受采用影响前后的变形收敛特征。
其中，位于非压裂区118中的测距仪130的测量数值可以作为对照组来与位于压裂区116中的测距仪130的测量数值进行比对。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
裂隙发展监测，设置第一监测单元组(102)采集顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的波信号；
压裂后应力监测，设置第二监测单元组采集实施水力压裂前后应力场的变化量；
回采后应力监测，设置第三监测单元组采集压裂区(116)和非压裂区(118)应力变化量；
将所述第一监测单元组(102)设置在压裂孔(100)的位置处监测所述顶板压裂区压裂过程中裂隙扩展的地震波并生成所述波信号；
所述第二监测单元组包括第一应力计(108)和第一微震探测器(112)；
在压裂孔(100)的位置处设置所述第一应力计(108)，以监测实施水力压裂前后所述压裂孔(100)应力场的变化量；
在所述顶板下方的煤体内设置所述第一微震探测器(112)，以监测实施水力压裂前后所述煤体内部的应力场的变化量；
所述第三监测单元组包括压力传感器(122)、第二应力计、第二微震探测器和测距仪(130)；
在回采工作面(114)的液压支架(120)上设置所述压力传感器(122)，以监测所述液压支架(120)上的载荷变化；
在煤壁侧(104)和煤柱侧设置所述第二应力计，以监测所述煤壁侧(104)和所述煤柱侧的载荷变化；
在所述煤体内设置所述第二微震探测器，以监测实施水力压裂前后煤体内部的应力场的变化量；
利用所述测距仪(130)对巷道断面(128)进行监测，以监测所述巷道断面(128)的收敛变形特征。
2.根据权利要求1所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，通过所述第一微震探测器(112)对所述煤体进行至少两次探测，其中一次探测用以监测实施水力压裂前，所述煤体内部的应力场分布特征；其中另一次探测用以监测实施水力压裂后，所述煤体内部的应力场分布特征。
3.根据权利要求2所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，还包括：得到实施水力压裂前所述煤体内部的应力场分布特征、实施水力压裂后所述煤体内部的应力场分布特征后，对比两次应力场分布特征，以得出所述煤体内部的应力场的变化量。
4.根据权利要求1所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，还包括：在回采巷道(106)设置至少三个锚杆(124)和/或至少三个锚索(126)，至少一个所述锚杆(124)和/或至少一个所述锚索(126)设置在非压裂区(118)，另外的所述锚杆(124)和/或另外的所述锚索(126)设置在压裂区(116)，在至少三个所述锚杆(124)和/或至少三个所述锚索(126)上设置所述压力传感器(122)，以监测至少三个所述锚杆(124)和/或至少三个所述锚索(126)的载荷变化。
5.根据权利要求3所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，所述第二应力计至少为三个，其中一个所述第二应力计设置在非压裂区(118)，另外的所述第二应力计设置在压裂区(116)内；至少三个所述第二应力计在竖直方向上相互错开。
6.根据权利要求3所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，所述第二微震探测器至少为两个，其中一个所述第二微震探测器设置在非压裂区(118)的所述煤体内，另外的所述第二微震探测器设置在压裂区(116)的所述煤体内。
7.根据权利要求3所述的区域式水力压裂的监测方法，其特征在于，利用所述测距仪(130)对处于非压裂区(118)的所述巷道断面(128)、处于压裂区(116)的所述巷道断面(128)分别进行监测。
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