CN115075867B - 低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，包括：根据低渗透突出危险煤层空间位置布设微震拾震器，监测突出矿井低渗透煤层的微震事件，包括主动微震事件和被动微震事件；基于微震事件定位结果和微震到时数据反算震动波纵波波速分布；根据震动波纵波波速分布划分煤层致密带和疏松破碎带；在煤层致密带附近顶底板或对应瓦斯抽采专用巷道布置单排定向钻孔；定向钻孔施工完成后，进行注浆封孔、连接水力压裂设备；利用水力压裂设备进行压裂，压裂完成后放水卸压；在煤层致密带打抽采钻孔进行瓦斯抽采。本发明能够精准确定需采取强化措施进行卸压和强化瓦斯抽采的地点和范围，实现煤与瓦斯突出灾害精准高效防治。
Description
技术领域
本发明涉及煤与瓦斯突出矿井安全开采和瓦斯防治技术领域，特别涉及一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产的主要煤岩动力灾害之一。随着煤矿开采深度与瓦斯压力的不断增加，煤与瓦斯突出灾害愈发严重，严重影响煤矿安全生产和社会稳定。钻孔瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出事故的有效措施，但低渗透突出危险煤层存在抽采浓度低、长时间抽采仍不达标等问题，严重制约了煤矿安全高效生产。
目前强化瓦斯抽采的手段包括水力化措施、注气驱替、爆破致裂卸压等手段，其中水力压裂卸压增透在我国得到了广泛使用，且取得了良好的效果，但是在低渗煤层采取上述措施后，经常部分水力压裂钻孔实施后瓦斯抽采效果不达预期的现象，造成了人力、材料和时间成本的极大浪费。因此，精准的低渗透突出危险煤层卸压和强化瓦斯抽采方法和手段，是实现矿井瓦斯治理、保证安全高效生产的迫切需求，也能极大的节省瓦斯防治费用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，实现在低渗透煤层区域瓦斯防治中，精准确定适用于开展水力压裂强化措施进行卸压和强化瓦斯抽采的地点和范围，通过定向钻孔水力压裂技术进行卸压和强化瓦斯抽采，实现煤与瓦斯突出灾害精准高效防治。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，包括以下步骤：
S1、根据低渗透突出危险煤层空间位置布设微震拾震器，监测突出矿井低渗透煤层的微震事件，包括主动微震事件和被动微震事件；
S2、基于微震事件定位结果和微震到时数据反算震动波纵波波速分布；
S3、根据震动波纵波波速分布划分煤层致密带和疏松破碎带；
S4、在煤层致密带附近顶底板或对应瓦斯抽采专用巷道布置单排定向钻孔；
S5、定向钻孔施工完成后，进行注浆封孔、连接水力压裂设备；
S6、利用水力压裂设备进行压裂，压裂完成后放水卸压；
S7、在煤层致密带打抽采钻孔进行瓦斯抽采。
优选地，所述步骤S1中，布设的微震拾震器不少于6个，所述微震拾震器能够接收到距离不小于2000m处的震动信号；所述微震拾震器布设在待消突区域附近大巷、机巷、风巷或瓦斯抽采专用巷道，相邻微震拾震器的水平间距在100m～150m之间，垂直落差大于待消突区域煤层厚度，所述微震拾震器将待卸压消突区域包围，用于监测区域内微震事件坐标(x，y，z)和接收微震到时数据。
优选地，所述步骤S2中，反算震动波纵波波速分布基于微震纵波理论到时与实际到时相同的原理，反算的速度连续模型为：
其中Ti为微震纵波理论到时，t0为震源发生时间，S为微震事件坐标点(x，y，z)上的慢度值，Li为震源位置到各微震拾震器的传播射线；传播射线的初始位置为微震事件定位得到的(x，y，z)，终点位置为各微震拾震器的安装位置坐标(xi，yi，zi)；
将反算区域划分为M×N×Z的网格，则微震事件理论计算到时为震动波在各网格内传播的时间累加与震源初始时间的和，即：
其中，Sj为传播射线在网格j的慢度，Gij为第i条传播射线在网格j传播路径的长度；初次计算沿网格节点的直线段计算用时最短的路径，再利用射线弯曲算法，对网格内的路径取中间点，分解初始路径为两个分段，计算中间点的S梯度，并调整中间点的位置，通过迭代计算逐步改进传播路径和传播慢速；
其中，反算迭代次数不小于10次，用于震动波波速分布反算的微震事件总数量不低于50个，微震事件位置须位于待卸压消突区域内，最终得到网格节点震动波纵波波速V，通过surfer软件绘制震动波纵波波速分布云图。
优选地，所述步骤S3中，致密带Sh划分标准为V≥5100m/s∪VG≥10％，疏松破碎带Sw划分标准为V＜5100m/s∪VG≤10％；
其中，波速变化值
V为反算区域某点的震动波纵波波速值，
为反算区域震动波纵波波速的平均值。
优选地，所述步骤S4中，定向钻孔标准间距d＝30m，钻孔数量n根据致密带长度确定；
根据致密带最大震动波纵波波速的不同，实际钻孔间距计算公式如下：
其中VMax为反算区域最大震动波纵波波速，VZ为疏松破碎带正常震动波纵波波速，单位m；钻孔数量n＝L/D，其中L为致密带长度。
优选地，定向钻孔施工中，穿岩层部分的钻孔施工角度与巷道煤壁法相夹角在0～60°之间；定向钻孔穿煤层孔的施工角度与煤层倾向夹角在±3°之间。
优选地，所述步骤S5中，定向钻钻孔孔径不小于98mm，通过定向钻机保证钻孔穿过致密带区域，封孔采用水泥砂浆和聚氨酯进行封孔。
优选地，所述步骤S6中，水力压裂过程水压需大于P MPa；
其中σh为最小主应力，σH为最大主应力，T为煤体抗张强度，
为煤层孔隙度，v为岩石泊松比；ρ为煤的密度；水力压裂结束的标志是水压迅速下降且不再上升。
优选地，所述步骤S7中，抽采钻孔直径不小于50mm，抽采钻孔位于压裂孔两侧，与煤层倾向夹角在±3°之间，两抽采钻孔间距不大于10m。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明提供的一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，与现有技术相比，能对低渗煤层区域内致密带和疏松破碎带进行云图划分，精准确定需采取强化措施进行卸压和强化瓦斯抽采的地点和范围，进行卸压和强化瓦斯抽采。所述方法相较于盲目的选择开展强化瓦斯抽采措施导致效果经常不达预期而言，提供了精准确定采取强化防治措施地点的方法，能实现煤与瓦斯突出灾害精准高效防治。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法的微震探头布置示意图；
图3是本发明实施例提供的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法的致密带和疏松破碎带划分、压裂钻孔布置和抽采钻孔布置示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供了一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、根据低渗透突出危险煤层空间位置布设微震拾震器，监测突出矿井低渗透煤层的微震事件，包括主动微震事件和被动微震事件。
所述步骤S1中，布设的微震拾震器不少于6个，所述微震拾震器能够接收到距离不小于2000m处的震动信号；所述微震拾震器布设在待消突区域附近大巷、机巷、风巷或瓦斯抽采专用巷道，相邻微震拾震器的水平间距在100m～150m之间，垂直落差大于待消突区域煤层厚度，所述微震拾震器将待卸压消突区域包围，用于监测区域内微震事件坐标(x，y，z)和接收微震到时数据。
S2、基于微震事件定位结果和微震到时数据反算震动波纵波波速分布。
所述步骤S2中，反算震动波纵波波速分布基于微震纵波理论到时与实际到时相同的原理，反算的速度连续模型为：
其中Ti为微震纵波理论到时，t0为震源发生时间，S为微震事件坐标点(x，y，z)上的慢度值，Li为震源位置到各微震拾震器的传播射线；传播射线的初始位置为微震事件定位得到的(x，y，z)，终点位置为各微震拾震器的安装位置坐标(xi，yi，zi)。
将反算区域划分为23×25×13的网格，则微震事件理论计算到时为震动波在各网格内传播的时间累加与震源初始时间的和，即：
其中，Sj为传播射线在网格j的慢度，Gij为第i条传播射线在网格j传播路径的长度；初次计算沿网格节点的直线段计算用时最短的路径，再利用射线弯曲算法，对网格内的路径取中间点，分解初始路径为两个分段，计算中间点的S梯度，并调整中间点的位置，通过迭代计算逐步改进传播路径和传播慢速。
本发明实施例中，为了提高反算的精度，反算迭代次数不小于10次，用于震动波波速分布反算的微震事件总数量不低于50个，如图2所示，用于计算的微震事件数量为53个。微震事件位置须位于待卸压消突区域内，最终得到网格节点震动波纵波波速V，通过surfer软件绘制震动波纵波波速分布云图，如图3所示。
S3、根据震动波纵波波速分布划分煤层致密带和疏松破碎带(或称孔隙裂隙带)。
所述步骤S3中，致密带Sh划分标准为V≥5100m/s∪VG≥10％，疏松破碎带Sw划分标准为V＜5100m/s∪VG≤10％。
其中，波速变化值
V为反算区域某点的震动波纵波波速值，
为反算区域震动波纵波波速的平均值。
S4、在煤层致密带附近顶底板或对应瓦斯抽采专用巷道布置单排定向钻孔。
所述步骤S4中，定向钻孔标准间距d＝30m，钻孔数量n根据致密带长度确定；
根据致密带最大震动波纵波波速的不同，实际钻孔间距计算公式如下：
其中VMax为反算区域最大震动波纵波波速，VZ为疏松破碎带正常震动波纵波波速，单位m；钻孔数量n＝L/D，其中L为致密带长度。
例如在图3中，采用波速指标进行划分，致密带分别为A1和A2区域，两个区域长度分别为100m和50m，d＝30m为标准钻孔间距，实际钻孔间距计算公式为：
这里近似取D为27m，N1＝100/27≈4，N2＝50/27≈2，两个区域施工钻孔数量分别为4个和2个，定向压裂钻孔位置如图3所示。
定向钻孔施工中，穿岩层部分的钻孔施工角度与巷道煤壁法相夹角在0～60°之间；定向钻孔穿煤层孔的施工角度与煤层倾向夹角在±3°之间。
S5、定向钻孔施工完成后，进行注浆封孔、连接水力压裂设备。
所述步骤S5中，定向钻钻孔孔径不小于98mm，通过定向钻机保证钻孔穿过致密带区域，封孔采用水泥砂浆和聚氨酯进行封孔。
S6、利用水力压裂设备进行压裂，压裂完成后放水卸压。
所述步骤S6中，水力压裂过程水压需大于P MPa；
其中σh为最小主应力，σH为最大主应力，T为煤体抗张强度，
为煤层孔隙度，v为岩石泊松比；ρ为煤的密度。
将起裂压力P的公式代入现场参数计算，所述水力压裂过程水压需超过15.86MPa；水力压裂结束的标志是水压迅速下降且不再上升。
S7、在煤层致密带打抽采钻孔进行瓦斯抽采。
所述步骤S7中，抽采钻孔直径不小于50mm，抽采钻孔位于压裂孔两侧，与煤层倾向夹角在±3°之间，两抽采钻孔间距不大于10m，抽采钻孔布置如图3所示。
本实施例的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其精准卸压与强化瓦斯抽采优势体现在以下方面：
一是通过震动波波速反算，可以清晰的得到煤层区域波速的分布情况。波速越高的地区，煤岩体越致密，抽采难度越高，越应该采取卸压和强化瓦斯抽采措施。本发明提供的方法可以精准的确定煤层致密带。
二是煤层疏松破碎带瓦斯抽采相对容易，采取水利化措施后可能会由于水封的作用导致原本容易抽采的区域瓦斯抽采效率降低。本发明方法可以精准的确定煤层疏松破碎带，能有效避免采取强化措施后，抽采效果变差的情况发生。
三是精准卸压与强化瓦斯抽采地点的选择，有利于提高施工的效能，大大减少瓦斯防治区域措施的时间，保障安全生产的同时提升经济效益。
经过低渗透突出危险煤层区域精准卸压与水力压裂可进行强化瓦斯抽采，该方法实施后，在低渗透煤层区域瓦斯防治中，精准确定了需采取强化措施进行卸压和强化瓦斯抽采的地点和范围，进行卸压和强化瓦斯抽采，实现煤与瓦斯突出灾害精准高效防治。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)
1.一种低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据低渗透突出危险煤层空间位置布设微震拾震器，监测突出矿井低渗透煤层的微震事件，包括主动微震事件和被动微震事件；
S2、基于微震事件定位结果和微震到时数据反算震动波纵波波速分布；
所述步骤S2中，反算震动波纵波波速分布基于微震纵波理论到时与实际到时相同的原理，反算的速度连续模型为：
其中Ti为微震纵波理论到时，t0为震源发生时间，S为微震事件坐标点(x，y，z)上的慢度值，Li为震源位置到各微震拾震器的传播射线；传播射线的初始位置为微震事件定位得到的(x，y，z)，终点位置为各微震拾震器的安装位置坐标(xi，yi，zi)；
将反算区域划分为M×N×Z的网格，则微震事件理论计算到时为震动波在各网格内传播的时间累加与震源初始时间的和，即：
其中，Sj为传播射线在网格j的慢度，Gij为第i条传播射线在网格j传播路径的长度；初次计算沿网格节点的直线段计算用时最短的路径，再利用射线弯曲算法，对网格内的路径取中间点，分解初始路径为两个分段，计算中间点的S梯度，并调整中间点的位置，通过迭代计算逐步改进传播路径和传播慢速；
其中，反算迭代次数不小于10次，用于震动波波速分布反算的微震事件总数量不低于50个，微震事件位置须位于待卸压消突区域内，最终得到网格节点震动波纵波波速V，通过surfer软件绘制震动波纵波波速分布云图；
S3、根据震动波纵波波速分布划分煤层致密带和疏松破碎带；
S4、在煤层致密带附近顶底板或对应瓦斯抽采专用巷道布置单排定向钻孔；
S5、定向钻孔施工完成后，进行注浆封孔、连接水力压裂设备；
S6、利用水力压裂设备进行压裂，压裂完成后放水卸压；
S7、在煤层致密带打抽采钻孔进行瓦斯抽采。
2.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S1中，布设的微震拾震器不少于6个，所述微震拾震器能够接收到距离不小于2000m处的震动信号；所述微震拾震器布设在待消突区域附近大巷、机巷、风巷或瓦斯抽采专用巷道，相邻微震拾震器的水平间距在100m～150m之间，垂直落差大于待消突区域煤层厚度，所述微震拾震器将待卸压消突区域包围，用于监测区域内微震事件坐标(x，y，z)和接收微震到时数据。
3.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S3中，致密带Sh划分标准为V≥5100m/s∪VG≥10％，疏松破碎带Sw划分标准为V＜5100m/s∪VG≤10％；
其中，波速变化值
V为反算区域某点的震动波纵波波速值，
为反算区域震动波纵波波速的平均值。
4.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S4中，定向钻孔标准间距d＝30m，钻孔数量n根据致密带长度确定；
根据致密带最大震动波纵波波速的不同，实际钻孔间距计算公式如下：
其中VMax为反算区域最大震动波纵波波速，VZ为疏松破碎带正常震动波纵波波速，单位m；钻孔数量n＝L/D，其中L为致密带长度。
5.根据权利要求4所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，定向钻孔施工中，穿岩层部分的钻孔施工角度与巷道煤壁法相夹角在0～60°之间；定向钻孔穿煤层孔的施工角度与煤层倾向夹角在±3°之间。
6.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S5中，定向钻钻孔孔径不小于98mm，通过定向钻机保证钻孔穿过致密带区域，封孔采用水泥砂浆和聚氨酯进行封孔。
7.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S6中，水力压裂过程水压需大于P MPa；
其中σh为最小主应力，σH为最大主应力，T为煤体抗张强度，
为煤层孔隙度，v为岩石泊松比；ρ为煤的密度；水力压裂结束的标志是水压迅速下降且不再上升。
8.根据权利要求1所述的低渗透突出危险煤层区域精准卸压与强化瓦斯抽采方法，其特征在于，所述步骤S7中，抽采钻孔直径不小于50mm，抽采钻孔位于压裂孔两侧，与煤层倾向夹角在±3°之间，两抽采钻孔间距不大于10m。
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