CN111323557B - 真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，包括复合煤岩试样准备；试样在真三轴试验测试装置上安装；施加三轴应力；加瓦斯压力；瓦斯首次抽采；上岩层压裂；瓦斯二次抽采；更换复合煤岩试样，进行同组其它试验；整理试验数据。采用带压裂孔和抽采孔的复合煤岩试样，置于真三轴试验测试装置中，并结合压裂孔、压裂管、抽采孔、抽采管、注气孔的巧妙设置，压裂、抽采、注气的有效控制，能真实反映复合煤岩在顶板压裂情况下对提高瓦斯抽采量的影响，用于研究真三轴应力作用下顶板压裂配合煤层抽采的最佳技术参数，为工程实践中科学选择相关工艺参数提供科学依据。

Description

真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法

技术领域

本发明属于煤层开采模拟试验方法技术领域，具体涉及一种真三维应力下进行复合煤岩顶板压裂抽采的模拟试验方法。

背景技术

目前，我国绝大部分高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，未卸压煤层瓦斯抽采效果主要取决于透气性系数，增加煤层透气性是改善瓦斯抽采效果的关键。水力压裂技术的研究和应用已经相对成熟，特别是松软煤层，多采用穿层钻孔卸压增透技术来提高钻孔瓦斯抽采效果。顶板水力压裂与高位钻孔结合立体抽采是将压裂层位布置在煤层顶板，高强压力水通过煤层顶板注入岩层裂隙，经过原有裂隙进入煤层，使原有裂隙扩张，在压裂影响范围内产生新的裂隙，进而提高煤层的透气性，加快煤层吸附瓦斯解吸速度，游离态的瓦斯量增多使煤层瓦斯得到卸压；在水力压裂影响范围内施工高位钻孔，使其位于纵向压裂范围裂隙带上方，游离瓦斯经过卸压向上进入高位钻孔抽采范围，大幅提高了上方高位钻孔瓦斯抽采效果，降低了煤层瓦斯突出危险性。

然而，该方面已有成果主要来自于工程实践，顶板压裂可以提高瓦斯抽采率毋庸置疑，目前为保证抽采效果，多采用密集的压裂钻孔与抽采钻孔布置，其经济损耗较大，直接原因是无法对有效压裂段长度与抽采段长度进行估算，无法知晓其影响的卸压范围多少，直接影响瓦斯抽采效果。

缺乏相关理论与技术支撑的最主要原因是尚无该类试验装置，无法通过室内模拟试验获得相关参数演化规律。

发明内容

本发明拟提供一种真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采室内模拟试验方法，用于研究真三轴应力作用下顶板压裂配合煤层抽采的最佳技术参数，为工程实践中科学选择相关工艺参数提供科学依据。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

(1)、原煤试样制备；

选取原煤块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在原煤试样右表面中部打抽采孔，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

(2)、砂岩试样制备；

选取砂岩块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在试样上表面中心位置打压裂孔，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；其中，砂岩试样的厚度小于原煤试样的厚度，抽采孔的长度大于压裂孔的长度；

(3)、复合煤岩试样制备；

将砂岩试样的下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，在原煤试样的上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后将砂岩试样与原煤试样上下重叠后压实贴合在一起；

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机、主机支撑组件、滑轨、滑轨支撑组件和伺服油缸，六套所述伺服油缸布置在主机外的上下、左右、前后方向，所述滑轨在主机下方前后延伸设置，且穿过主机后通过滑轨支撑组件支撑在地面上，所述主机包括铸造成型的整体环形框架，所述整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，所述整体环形框架和盖板围成主机壳，主机内腔用于放置复合煤岩试样，复合煤岩试样的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块，位于下侧的所述试样垫块下方设置有能在滑轨上前后移动的试样移动支架；前后侧的伺服油缸下方均设置有能在滑轨上前后移动的油缸移动支架，所述盖板能随着对应侧的伺服油缸一起移动，上下左右侧的伺服油缸固设在整体环形框架的对应侧外，伺服油缸的活塞杆前端居中位置处设置有载荷传感器，所述载荷传感器的前端穿过主机壳后安装有压头；

将复合煤岩试样放入六块试样垫块围成的腔体内并通过快锁组合安装后再结合试样垫块接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将复合煤岩试样密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块之间的密封；

所述上压头的下方固设有正对压裂孔的压裂管，右压头的左方固设有正对抽采孔的抽采管，在压裂管、抽采管外壁分别均匀涂抹硅橡胶，首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移，使上压头与试样密封垫上表面贴合的同时压裂管插入压裂孔粘合密封，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面，同时抽采管插入抽采孔粘合密封，其中，前、后、左、下压头及对应的试样垫块上均布置有注气孔；

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对复合煤岩试样施加应力至预定值；

步骤四、加瓦斯压力；

关闭抽采孔、压裂孔，通过前、后、左、下四个注气孔同时向复合煤岩试样注瓦斯，使瓦斯压力达到预定值并保持稳定24±4小时；

步骤五、瓦斯首次抽采；

关闭前、后、下、左四个面的注气孔，打开抽采孔，记录瓦斯流量变化与各压头压力与位移变化，直至瓦斯抽采结束；

步骤六、上岩层压裂；

重复步骤四，再打开压裂孔向砂岩试样高压注水，使高压水进入对复合煤岩试样上部进行水力压裂，待水压降低50％后，关闭压裂孔停止压裂，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化；

步骤七、瓦斯二次抽采；

打开抽采孔进行瓦斯抽采，记录其瓦斯流量变化以及各向压头压力与位移变化；

步骤八、同组其他试验；

更换复合煤岩试样，改变原煤试验和砂岩试样的厚度，或者改变岩样、三轴压力、瓦斯压力，重复步骤一至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

作为上述方案的优选，所述前、后、左、下试样垫块的注气孔包括靠近外侧的主注气孔和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔，且所有小注气孔与主注气孔通过纵横交错设置的注气连通沟槽连通。优化前、后、左、下试样垫块上注气孔的结构，实现对试样的均匀注气。

进一步优选为，所述复合煤岩试样为正方体，复合煤岩试样尺寸为200×200×200mm，原煤试样尺寸为200×200×140mm，砂岩试样尺寸为200×200×60mm。

进一步优选为，所述抽采孔直径为10mm，深度为105mm；压裂孔直径为10mm，深度为35mm，抽采管长度为95mm，压裂管长度为25mm。

本发明的有益效果：

(1)采用新的真三轴试验测试装置，相比传统的内外层框架围成的腔体结构，本测试装置主机上仅设置铸造成型的整体环形框架，由设置在试样外的六个试样垫块围成一个试样密封垫用于容纳试样，从而省略了传统内外层之间形成的单独的耐压腔体，压头穿过主机壳后直接抵在对应侧的试样垫块上，能腾出更多的空间布置尺寸、厚度更大的整体环形框架，因此使得腔体能承受的压力更大，能满足更复杂环境的模拟测试试验；

(2)由于省略了内层框架，伺服油缸直接施加力于试样各面，不需要穿过耐压腔体，伺服油缸穿过耐压腔体还需要考虑动密封，因此简化了结构，降低了成本，且可靠性更高；同时由于传统的内层框架相比外层框架更薄，压力较大时内层框架易产生膨胀变形，进一步影响内框架与伺服油缸之间的密封性；

(3)本测试装置中压头和试样垫块分离设计，对试样垫块连接处涂液态硅橡胶固化后密封，使得注入流体不会渗到外部区域；

(4)整体环形框架的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板，共同围成主机壳，对于试样前侧零部件的安装更加方便；而传统结构仅在后侧开孔配备盖板，前侧零部件需要检修或装拆试样，需要通过试样移动支架将试样移出整体环形框架，非常麻烦；

(5)采用带压裂孔和抽采孔的复合煤岩试样，置于真三轴试验测试装置中进行真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验，并结合压裂孔、压裂管、抽采孔、抽采管、注气孔的巧妙设置，压裂、抽采、注气的有效控制，能真实反映复合煤岩在顶板压裂情况下对提高瓦斯抽采量的影响，用于研究真三轴应力作用下顶板压裂配合煤层抽采的最佳技术参数，为工程实践中科学选择相关工艺参数提供科学依据。

附图说明

图1为本发明所采用的真三轴试验测试装置的结构示意图(含试样装入和取出两种状态)。

图2为图1中主机和主机支撑组件的左视图。

图3为六块试样垫块围成的试样密封垫的立体图。

图4为图3的剖视状态的正视图。

图5为前、后、左、下试样垫块上注气孔的透视图。

图6为试样垫块棱边密封采用硅橡胶固化后的状态。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

(1)、原煤试样制备；

选取原煤块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在原煤试样右表面中部打抽采孔16(如图4所示)，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用。

(2)、砂岩试样制备；

选取砂岩块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在试样上表面中心位置打压裂孔17(如图4所示)，在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用。

(3)、复合煤岩试样制备；

将砂岩试样的下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，在原煤试样的上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后将砂岩试样与原煤试样上下重叠后压实贴合在一起即可。

其中，砂岩试样的厚度小于原煤试样的厚度，抽采孔的长度大于压裂孔的长度。最好是，复合煤岩试样为正方体，复合煤岩试样尺寸为200×200×200mm，其中，原煤试样尺寸为200×200×140mm，砂岩试样尺寸为200×200×60mm。另外，最好是，抽采孔16直径为10mm，深度为105mm；压裂孔17直径为10mm，深度为35mm。抽采管长度为95mm，压裂管长度为25mm，但不限于此。

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

如图1—图4所示，真三轴试验测试装置主要由主机A、主机支撑组件B、滑轨C、滑轨支撑组件D和伺服油缸E组成。主机A通过主机支撑组件B支撑在地面上，六套伺服油缸E布置在主机A外的上下、左右、前后方向(即XYZ三个方向)。滑轨C在主机A下方前后延伸设置，且滑轨C穿过主机A后通过滑轨支撑组件D支撑在地面上。

整体环形框架1采用铸造成型，整体环形框架1的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板2。整体环形框架1和两个盖板2共同围成主机壳。主机内腔用于放置复合煤岩试样3，复合煤岩试样3的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块4，共需六个试样垫块4。位于下侧的试样垫块4下方设置有能在滑轨C上前后移动的试样移动支架5。

前后侧的伺服油缸E设置在对应侧的盖板2外，且前后侧的伺服油缸E下均设置有能在滑轨C上前后移动的油缸移动支架6，盖板2能随着对应侧的伺服油缸E一起移动。上下左右侧的伺服油缸E设置在整体环形框架对应侧外。

伺服油缸E的活塞杆7前端居中位置处设置有载荷传感器8，载荷传感器8最好采用嵌入安装。载荷传感器8的前端设置有压头9，载荷传感器8的前端穿过主机壳后安装有压头9。对复合煤岩试样3加载时，压头9直接抵在对应侧的试样垫块4上。在进行试验前，将试样垫块4安装在复合煤岩试样3外，再在试样垫块4连接处进行密封，完成密封后，将复合煤岩试样3放置在试样移动支架5上，并将试样移动支架5及后侧的油缸移动支架6依次推入到主机内腔内并固定，使所有压头9均直接抵在对应侧的试样垫块4之后再进行试验。

将复合煤岩试样放入六块试样垫块4围成的腔体内并通过快锁14组合安装后，再结合试样垫块4接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将复合煤岩试样3密封其中；棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块4之间的密封(如图6所示)。在硅橡胶固化后实现预密封，在试验时，通过主机内腔的围压，使硅橡胶紧贴试样，不仅能实现试样垫块4相邻表面之间的密封，还能减弱棱边处的边界效应。最好是，伺服油缸E内设置有油缸位移传感器10，上下左右侧的伺服油缸E通过端盖11固定安装在整体环形框架1上，前后侧的伺服油缸E通过盖板2固定安装在整体环形框架1上，所有活塞杆7穿过主机壳的位置处均设置有衬套，以保证主机内腔的密封性。

最好是，在六个试样垫块4围成的密封腔外的XYZ方向上，成对配备有试样变形位移传感器12，试样变形位移传感器12通过位移传感器加长杆13安装在试样垫块4的棱边外，且同一方向上的一对试样变形位移传感器12呈对角错开设置，能实现真三轴条件下不平衡不均匀变形的测量。

最好是，还配备有两套电液伺服增压器，分别为主机内腔提供围压、为试样提供注水压或渗透压，让围压、注水压或渗透压分别控制，可完成复杂的试验条件。电液伺服增压器内的控制高压阀门的工作压力大于增压最高输出的压力，为了保证工作的高可靠性和长使用寿命。

最好是，还配备有轴向柱塞泵液压源，且液压源带高低压转换，便于试验时，高低压的顺利切换。

先将复合煤岩试样装入六块试样垫块4围成的试样密封垫内，再在棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后，通过试样移动支架5将试样推入到主机内腔中，最后通过油缸移动支架6将前后侧的盖板2安装在整体环形框架1上，安装时保证主机内腔的密封，之后开始试验。

上压头9的下方固设有正对压裂孔17的压裂管，右压头9的左方固设有正对抽采孔16的抽采管，在压裂管、抽采管外壁分别均匀涂抹硅橡胶。首先将试样密封垫安装在下压头9上，再控制上压头9下移，使上压头9与试样密封垫上表面贴合的同时压裂管插入压裂孔17粘合密封，最后分别控制前、后、左、右四个压头9移动，使对应的压头9分别贴合到试样密封垫的对应表面，同时抽采管插入抽采孔16粘合密封，其中，前、后、左、下压头9及对应的试样垫块4上均布置有注气孔15。

最好是，抽采孔16直径为10mm，深度为105mm；压裂孔17直径为10mm，深度为35mm，抽采管长度为95mm，压裂管长度为25mm。另外，抽采孔16、压裂孔17的外侧端安装有万向密封接头18。

最好是，如图5所示，前、后、左、下试样垫块4的注气孔15包括靠近外侧的主注气孔15a和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔15b，且所有小注气孔15b与主注气孔15a通过纵横交错设置的注气连通沟槽15c连通。

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头9对复合煤岩试样施加应力至预定值。

步骤四、加瓦斯压力；

关闭抽采孔16、压裂孔17，通过前、后、左、下四个注气孔15同时向复合煤岩试样注瓦斯，使瓦斯压力达到预定值并保持稳定24±4小时。

步骤五、瓦斯首次抽采；

关闭前、后、下、左四个面的注气孔15，打开抽采孔16，记录瓦斯流量变化与各压头压力与位移变化，直至瓦斯抽采结束。

步骤六、上岩层压裂；

重复步骤四，再打开压裂孔17向砂岩试样高压注水，使高压水进入对复合煤岩试样3上部进行水力压裂，待水压降低50％后，关闭压裂孔17停止压裂，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化。

步骤七、瓦斯二次抽采；

打开抽采孔16进行瓦斯抽采，记录其瓦斯流量变化以及各向压头压力与位移变化。

步骤八、同组其他试验；

更换复合煤岩试样，改变原煤试验和砂岩试样的厚度，或者改变岩样、三轴压力、瓦斯压力，重复步骤一至步骤七。

步骤九、整理试验数据。下表为试验过程中的记录数据。

Claims (5)

1.一种真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、试样制备；

（1）、原煤试样制备；

选取原煤块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在原煤试样右表面中部打抽采孔（16），在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；

（2）、砂岩试样制备；

选取砂岩块进行切割打磨，使其断面平整度在±0.02mm以内，在试样上表面中心位置打压裂孔（17），在105±15°温度下烘干24±4小时后，冷却至常温备用；其中，砂岩试样的厚度小于原煤试样的厚度，抽采孔的长度大于压裂孔的长度；

（3）、复合煤岩试样制备；

将砂岩试样的下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，在原煤试样的上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后将砂岩试样与原煤试样上下重叠后压实贴合在一起；

步骤二、试样在真三轴试验测试装置上安装；

所述真三轴试验测试装置包括主机（A）、主机支撑组件（B）、滑轨（C）、滑轨支撑组件（D）和伺服油缸（E），六套所述伺服油缸（E）布置在主机（A）外的上下、左右、前后方向，所述滑轨（C）在主机（A）下方前后延伸设置，且穿过主机（A）后通过滑轨支撑组件（D）支撑在地面上，所述主机（A）包括铸造成型的整体环形框架（1），所述整体环形框架（1）的前后两侧开孔，并在每个开孔位置外侧配备有盖板（2），所述整体环形框架（1）和盖板（2）围成主机壳，主机内腔用于放置复合煤岩试样（3），复合煤岩试样（3）的上、下、左、右、前、后侧外分别配备有试样垫块（4），位于下侧的所述试样垫块（4）下方设置有能在滑轨（C）上前后移动的试样移动支架（5）；前后侧的伺服油缸（E）下方均设置有能在滑轨（C）上前后移动的油缸移动支架（6），所述盖板（2）能随着对应侧的伺服油缸（E）一起移动，上下左右侧的伺服油缸（E）固设在整体环形框架（1）的对应侧外，伺服油缸（E）的活塞杆（7）前端居中位置处设置有载荷传感器（8），所述载荷传感器（8）的前端穿过主机壳后安装有压头；

将复合煤岩试样放入六块试样垫块（4）围成的腔体内并通过快锁（14）组合安装后再结合试样垫块（4）接缝处的棱边密封胶密封成一个试样密封垫，从而将复合煤岩试样（3）密封其中；所述棱边密封胶采用在需要密封的棱边刷涂液态硅橡胶，待硅橡胶固化后便能实现试样垫块（4）之间的密封；

上压头的下方固设有正对压裂孔（17）的压裂管，右压头的左方固设有正对抽采孔（16）的抽采管，在压裂管、抽采管外壁分别均匀涂抹硅橡胶，首先将试样密封垫安装在下压头上，再控制上压头下移，使上压头与试样密封垫上表面贴合的同时压裂管插入压裂孔（17）粘合密封，最后分别控制前、后、左、右四个压头移动，使对应的压头分别贴合到试样密封垫的对应表面，同时抽采管插入抽采孔（16）粘合密封，其中，前、后、左、下压头及对应的试样垫块（4）上均布置有注气孔（15）；

步骤三、施加三轴应力；

通过前、后、左、右、上、下六个压头对复合煤岩试样施加应力至预定值；

步骤四、加瓦斯压力；

关闭抽采孔（16）、压裂孔（17），通过前、后、左、下四个注气孔（15）同时向复合煤岩试样注瓦斯，使瓦斯压力达到预定值并保持稳定24±4小时；

步骤五、瓦斯首次抽采；

关闭前、后、下、左四个面的注气孔（15），打开抽采孔（16），记录瓦斯流量变化与各压头压力与位移变化，直至瓦斯抽采结束；

步骤六、上岩层压裂；

重复步骤四，再打开压裂孔（17）向砂岩试样高压注水，使高压水进入对复合煤岩试样（3）上部进行水力压裂，待水压降低50%后，关闭压裂孔（17）停止压裂，记录该过程中前、后、左、右、上、下六个压头的压力与位移变化；

步骤七、瓦斯二次抽采；

打开抽采孔（16）进行瓦斯抽采，记录其瓦斯流量变化以及各向压头压力与位移变化；

步骤八、同组其他试验；

更换复合煤岩试样，改变原煤试验和砂岩试样的厚度，或者改变岩样、三轴压力、瓦斯压力，重复步骤一至步骤七；

步骤九、整理试验数据。

2.按照权利要求1所述的真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，其特征在于：所述前、后、左、下压头所对应的试样垫块的注气孔（15）包括靠近外侧的主注气孔（15a）和靠近内侧的若干呈矩阵分布的小注气孔（15b），且所有小注气孔（15b）与主注气孔（15a）通过纵横交错设置的注气连通沟槽（15c）连通。

3.按照权利要求1所述的真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，其特征在于：所述复合煤岩试样为正方体，复合煤岩试样尺寸为200×200×200mm，原煤试样尺寸为200×200×140mm，砂岩试样尺寸为200×200×60mm。

4.按照权利要求1所述的真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，其特征在于：所述抽采孔（16）直径为10mm，深度为105mm；压裂孔（17）直径为10mm，深度为35mm，抽采管长度为95mm，压裂管长度为25mm。

5.按照权利要求1所述的真三维应力下复合煤岩顶板压裂抽采模拟试验方法，其特征在于：所述抽采孔（16）、压裂孔（17）的外侧端安装有万向密封接头（18）。

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