CN114753820B - 一种超声波辅助煤层增透方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种超声波辅助煤层增透方法和系统。该超声波辅助煤层增透方法包括：对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透。籍此，通过对煤层增渗措施的效果调整全域话煤层的增渗方案，有效提高煤层的增渗效果。
Description
技术领域
本申请涉及煤层增透技术领域，特别涉及一种超声波辅助煤层增透方法和系统。
背景技术
我国煤矿普遍地质条件复杂，煤层渗透性低，瓦斯含量高，煤与瓦斯突出事故频发。煤层的赋存状态多样，需要采用相应增渗措施对这些煤层进行有效改造提升渗透性，高效抽采煤层中的瓦斯，从而消除煤与瓦斯突出事故危险性。目前，已有的增渗措施分为水利化措施如水力压裂、水力割缝等；气体化增渗措施如高压空气爆破、二氧化碳爆破以及液氮促流扩缝等，气体增渗措施如电脉冲、电爆震、超声波、微波等，但是每种技术所针对的煤层条件都有其实用性，单一技术不能实现煤层全域增透。
现有常规水力化及气体化煤层增渗技术均存在一次性改造，改造过程不可控制等缺陷，特别是针对复杂煤层群中的改造中，存在改造不均匀、不充分的现象，容易产生抽采空白带为煤矿生成带来危险。现有超声波煤层增渗技术在对煤层进行增渗施工过程中工序不统一，煤层改造不均匀，改造超声波频率单一，不能全面有效精准增透改造，改造时间即效果不精细等问题，
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种超声波辅助煤层增透方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供了一种超声波辅助煤层增透方法，包括：对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透。
优选的，所述对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果包括：根据煤矿矿井建井初期地质资料和临近采区地质揭露情况得到所述煤层赋存区的地质体分布情况，进而判断所述煤层是否处于构造破坏区的判断结果；其中，所述煤层赋存区的地质体包括正断层、逆断层、陷落柱、褶皱中的一种或多种；所述建井初期地质资料包括煤矿煤层底板等高线图、地质地形图、地质剖面图、瓦斯地质图。
优选的，所述根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：响应于所述煤层处于所述构造破坏区，根据所述煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；响应于所述煤层未处于所述构造破坏区，通过二氧化碳爆破或空气爆破对所述煤层进行初次增透。
优选的，所述响应于所述煤层处于所述构造破坏区，基于落锤法测试得到的煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数小于等于0.3，对所述煤层通过单一超声增透进行初次增透；响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于0.3且小于2，对所述煤层通过水力压裂或水力割缝进行初次增透；响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于等于2，对所述煤层通过水力压裂进行初次增透。
优选的，所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透包括：对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透；对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透。
优选的，所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透包括：响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过初次增透的方案进行二次增透；响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用超声波进行二次增透。
优选的，所述对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透包括：响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用单一超声波进行再次增透；响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后的所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过联合超声增透进行再次增透，直至所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值；其中，所述联合超声增透为所述煤层的初次增透与超声波联合的增透方案。
优选的，所述预设瓦斯抽采阈值为所述煤层增透前所有钻孔24小时的瓦斯抽采纯量的10倍。
本申请实施例还提供一种超声波辅助煤层增透系统，包括：构造判断单元，配置为对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；初次增透单元，配置为根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；再次增透单元，配置为对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透。
有益效果：
本申请实施例提供的超声波辅助煤层增透方案中，首先，对煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；然后，根据构造判断结果，确定不同的增透方案对煤层进行初次增透；最后，对煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对煤层进行再次增透。籍此，通过对煤层增渗措施的效果调整全域化煤层的增渗方案，有效提高煤层的增渗效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种超声波辅助煤层增透方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的一种超声波辅助煤层增透方法的逻辑示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的一种超声波辅助煤层增透系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程，超声波作用于液体时刻产生大量小气泡，一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而此液体逸出，成为小气泡；另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。
本申请通过超声波发生器和超声波换能器向钻孔周围发出超声波，通过空化作用以及超声震动使钻孔周围的煤体产生裂隙，改变煤体的孔隙结构，提供瓦斯运移通道，提高煤岩体渗透能力，有效辅助气体煤层增渗手段实现高效增渗，促进煤层瓦斯高效抽采。
通过超声波增透与其它增渗方案相结合，结合超声波技术拓展常规技术的适用性，增强常规技术的效果，及时增加相应辅助措施完成煤层全部区域的增渗，根据增渗效果逐次修正增透方案，有效解决单一增透方案增渗效果难以控制的问题。
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种超声波辅助煤层增透方法的流程示意图；如图1所示，该超声波辅助煤层增透方法包括：
步骤S101、对煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；
在本申请实施例中，在对煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果时，根据煤矿矿井建井初期地质资料和临近采区地质揭露情况得到所述煤层赋存区的地质体分布情况，进而判断煤层是否处于构造破坏区。具体的，煤层赋存区域存在正断层、逆断层、陷落柱、褶皱中的一种或多种地质体时，煤层就处于构造破坏区。需要说明的是，建井初期地址资料包括煤矿煤层底板等高线图、地质地形图、地质剖面图、瓦斯地质图。
步骤S102、根据构造判断结果，确定不同的增透方案对煤层进行初次增透；
在本申请实施例中，在根据构造判断结果，确定不同的增透方案对煤层进行初次增透包括：响应于煤层处于构造破坏区，基于落锤法测定的煤层的坚固性系数f，确定不同的增透方案对煤层进行初次增透；响应于煤层未处于构造破坏区，通过二氧化碳爆破或空气爆破对煤层进行初次增透。
进一步的，响应于煤层处于构造破坏区，且煤层的坚固性系数小于等于0.3，对煤层通过单一超声波增透进行初次增透；响应于苏搜煤层处于构造破坏区，且煤层的坚固性系数大于0.3且小于2，对煤层通过水力压裂或水力割缝进行初次增透；响应于煤层处于构造破坏区，且煤层的坚固性系数大于等于2，对煤层通过水力压裂进行初次增透。
在本申请实施例中，对煤层的坚固性系数小于等于0.3的煤层直接打钻、注水并插入超声波换能器进行初次增透。通过直接向钻孔中注水，送入超声波换能器向钻孔中发生超声波震动钻孔壁，实现对煤层的单一超声增透。
步骤S103、对每次初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对煤层进行再次增透。
在本申请实施例中，首先，对煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量W与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对煤层进行二次增透；然后，再对煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量W与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对煤层进行再次增透。
在本申请实施例中，对初次增透效果进行检验，将初次增透后煤层区域所有抽采钻孔24小时内的抽采瓦斯总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，若煤层初次增透后所有钻孔给的瓦斯抽采总量大于预设瓦斯抽采阈值，对煤层通过初次增透的方案进行二次增透；若煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于预设瓦斯抽采阈值，对煤层采用超声波进行二次增透，再次提升增透效果。其中，预设瓦斯抽采阈值为初次增透前煤层区域所有抽采钻孔24小时瓦斯抽采纯量Q的10倍(10Q)。
在本申请实施例中，若煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于预设瓦斯抽采阈值，且煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于预设瓦斯抽采阈值，对煤层采用单一超声波进行再次增透；若煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于预设瓦斯抽采阈值，且煤层初次增透后所有钻孔给的瓦斯抽采总量小于等于预设瓦斯抽采阈值，对煤层通过联合超声增透进行再次增透，直至煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于预设瓦斯抽采阈值；其中，联合超声增透为煤层的初次增透与超声波联合的增透方案。
在本申请实施例中，对初次增透后煤层的瓦斯抽采总量大于10Q，但是二次增透后煤层的瓦斯抽采总量小于等于10Q的煤层区域采用单一超声波再次进行进一步增透；对初次增透与二次增透后的瓦斯抽采总量均小于等于10Q的煤层区域采用初次增透方案与超声波联合的3、4、5、…、n次增透，直至二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于10Q。
在本申请实施例中，联合超声增透为在其它措施(比如水力压裂、水力割缝等)的基础上同步向钻孔内放入1个或多个超声波换能器，超声波换能器与钻孔外的超声波发生器相连，向钻孔内发生25kHz～50kHz的超声波辅助水力压裂或水力割缝措施进行煤层增透改造。籍此，通过超声波发生器和超声波换能器向钻孔周围发出超声波，通过空化作用以及超声震动使钻孔周围的煤体产生裂隙，改变煤体的孔隙结构，提供瓦斯运移通道，提高煤岩体渗透能力，有效辅助气体煤层增渗手段实现高效增渗，促进煤层瓦斯高效抽采。
本申请中，通过超声波增透与其它增渗方案相结合，结合超声波技术拓展常规技术的适用性，增强常规技术的效果，及时增加相应辅助措施完成煤层全部区域的增渗，根据增渗效果逐次修正增透方案，有效解决单一增透方案增渗效果难以控制的问题。
图3为根据本申请的一些实施例提供的一种超声波辅助煤层增透系统的结构示意图；如图3所示，该超声波辅助煤层增透系统包括：构造判断单元，配置为对煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；初次增透单元，配置为根据构造判断结果，确定不同的增透方案对煤层进行初次增透；再次增透单元，配置为对煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对煤层进行再次增透。
本申请实施例提供的超声波辅助煤层增透系统能够实现上述任一超声波辅助煤层增透方法实施例的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
在一具体的例子中，某煤矿煤层工作面采用走向常闭采煤法开采，工作面长度为180米，走向长度为800米，煤层倾角为3度，平均煤层厚度为1.9米，层位较稳定不属于构造破坏区；煤层绝对瓦斯压力高达1.82MPa，煤层瓦斯含量为19.2234m3/t，煤层的坚固性系数为0.9，烟煤，透气性系数为0.013m2/(MPa2·d)，属于典型低渗透难抽采需要改造增渗煤层。
根据本申请提供的超声波辅助煤层增透方案，首先，对煤层坚固性系数在0.3到2之间的煤层采用水力压裂技术进行初次增透，将煤层划分为多个区域，每个区域设置1个压裂钻孔，以及8个抽采钻孔，抽采钻孔均匀分布在压裂钻孔两侧，每个钻孔之间的间隔为6米；然后，对一个区域水力压裂之后，进行初次效果校验，初次增透后煤层区域8个抽采钻孔24小时内的抽采瓦斯总量为18.48m3，增透前该区域钻孔24小时内的瓦斯抽采纯量为2.34m3；接着，初次增透后的瓦斯抽采总量小于10×2.34m3，采用超声波技术辅助水力压力对该区域煤层进行二次增透，具体为，按照水力压裂方案再次对钻孔进行压裂，同步送入超声波换能器，压裂过程中打开超声波发生器，向钻孔中发生30kHz的超声波40min，对该区域进行再次提升增透效果；最后，对煤层的增透效果进行二次检验，二次增透后该区域的瓦斯抽采总量为23.44m3，大于10×2.34m3，根据超声波辅助水力压裂的二次增透方案对所有区域进行增透，在完成煤层的全域增透后开始瓦斯抽采。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超声波辅助煤层增透方法，其特征在于，包括：
对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；
根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；
对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透；
所述根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，基于落锤法测试得到的煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；
响应于所述煤层未处于所述构造破坏区，通过二氧化碳爆破或空气爆破对所述煤层进行初次增透；
所述响应于所述煤层处于所述构造破坏区，根据所述煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数小于等于0.3，对所述煤层通过单一超声增透进行初次增透；
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于0.3且小于2，对所述煤层通过水力压裂或水力割缝进行初次增透；
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于等于2，对所述煤层通过水力压裂进行初次增透；
所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透，包括：
对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透；
对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透；
所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透，包括：
响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过初次增透的方案进行二次增透；
响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用超声波进行二次增透；
所述对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透，包括：
响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用单一超声波进行再次增透；
响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后的所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过联合超声增透进行再次增透，直至所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值；其中，所述联合超声增透为所述煤层的初次增透与超声波联合的增透方案。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助煤层增透方法，其特征在于，所述对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果包括：根据所述煤层赋存区的地质体，得到所述煤层是否处于构造破坏区的判断结果；其中，所述煤层赋存区的地质体根据建井初期地勘资料及临近采区地质揭露情况进行确定，包括正断层、逆断层、陷落柱、褶皱中的一种或多种；所述建井初期地质资料包括煤矿煤层底板等高线图、地质地形图、地质剖面图、瓦斯地质图。
3.根据权利要求1-2任一所述的超声波辅助煤层增透方法，其特征在于，所述预设瓦斯抽采阈值为所述煤层增透前所有钻孔24小时的瓦斯抽采纯量的10倍。
4.一种超声波辅助煤层增透系统，其特征在于，包括：
构造判断单元，配置为对所述煤层是否处于构造破坏区进行判断，得到构造判断结果；
初次增透单元，配置为根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；
再次增透单元，配置为对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透；
所述根据所述构造判断结果，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，基于落锤法测试得到的煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透；
响应于所述煤层未处于所述构造破坏区，通过二氧化碳爆破或空气爆破对所述煤层进行初次增透；
所述响应于所述煤层处于所述构造破坏区，根据所述煤层的坚固性系数，确定不同的增透方案对所述煤层进行初次增透包括：
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数小于等于0.3，对所述煤层通过单一超声增透进行初次增透；
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于0.3且小于2，对所述煤层通过水力压裂或水力割缝进行初次增透；
响应于所述煤层处于所述构造破坏区，且所述煤层的坚固性系数大于等于2，对所述煤层通过水力压裂进行初次增透；
所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果确定是否对所述煤层进行再次增透，包括：
对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透；
对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透；
所述对所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行二次增透，包括：
响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过初次增透的方案进行二次增透；
响应于所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用超声波进行二次增透；
所述对所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量与所述预设瓦斯抽采阈值进行比较，并根据比较结果对所述煤层进行再次增透，包括：
响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层采用单一超声波进行再次增透；
响应于所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，且所述煤层初次增透后的所有钻孔的瓦斯抽采总量小于等于所述预设瓦斯抽采阈值，对所述煤层通过联合超声增透进行再次增透，直至所述煤层二次增透后所有钻孔的瓦斯抽采总量大于所述预设瓦斯抽采阈值；其中，所述联合超声增透为所述煤层的初次增透与超声波联合的增透方案。
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