一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置以及测定方法

摘要

一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置及测定方法，装置包括注水系统、数据观测系统和集水系统；注水系统包括减压装置和稳压装置；数据观测系统包括注水流量观测装置和钻孔水压观测装置。所述方法包括以下步骤：第一步，在不受采动影响区域施工增透措施孔和注水测试孔；第二步，安装本装置；第三步，在注水测试钻孔内实施注水并记录相关数据；第四步，关闭截止阀I并记录压力计每下降0.05MPa所用时间；第五步，对所记录数据进行数据处理；第六步，在受到采动影响的不同区域按照上述步骤进行注水测试。本发明通过水流量和水压下降速度来评价各项增透措施下煤层裂隙的发育程度，为划分增透措施的有效范围提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置以及测定方法，属于煤层瓦斯防治技术领域。

背景技术

煤体不同于其他岩体，是一种多孔弹性介质。煤体内部存在大量吸附态和游离态瓦斯，瓦斯气体通过煤体内原生裂隙和孔隙向采掘空间内涌出，成为制约煤炭安全采掘的重要因素。煤层内的裂隙是瓦斯气体的主要运移通道，为保证安全采掘，通常采用水力压裂、水力冲孔等措施在煤层内人为造成大量的裂隙，从而为瓦斯抽采过程中瓦斯的运移提供大量的通道。煤层受到采动或者各项措施影响下，加之自身膨胀和应力作用，产生大量的次生裂隙，不同区域的煤层裂隙发育的程度有所不同，如何评价不同区域煤层次生裂隙的发育程度成为判定煤层瓦斯防治措施的有效作用范围的关键技术。

煤层瓦斯防治技术包括通风防治瓦斯技术和瓦斯抽采技术(危险煤层的抽放采和湿润、煤层水力松动，煤层水力压裂等措施)，但这些措施方法在防治过程中存在一些缺陷：1、不能直接测定出煤层裂隙的发育程度；2、不能有效的对不同区域煤层的裂隙发育程度进行区分；3、没有一套科学可靠且便于使用的试验装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置以及测定方法，以水为介质，可以有效针对不同区域的煤层裂隙发育程度进行测定，从而为煤层瓦斯防治提供科学依据。

为了实现上述目的所采用的技术方案：一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置，以水为介质，装置包括注水系统、数据观测系统和集水系统；

注水系统包括减压装置和稳压装置，井下输水管路中的高压水依次通过减压装置和稳压装置，并利用注水管路向钻孔中注水；

数据观测系统包括注水流量观测装置和钻孔水压观测装置；

注水系统和数据观测系统设置在注水测试孔处，集水系统设置在增透措施孔处。

利用注水减压装置将井下输水管路中高压水降至安全压力，利用稳压装置稳定水压并通过注水管路向钻孔中注水，同时开始计量每秒的注水流量和注水时间直至水压达到稳定值，水压稳定过后立即关闭注水钻孔的阀门，计量钻孔内水压的下降速度与时间的关系，利用注水速度和压力下降速度来反映煤体裂隙的发育程度，集水装置能够在注水测试孔与增透措施孔布置距离较近时，收集从注水测试孔注入的水通过沟通的裂隙流入措施孔中的水量，可用于收集水量并监测反映裂隙的沟通能力。

进一步的，减压装置包括滤水装置和水用减压阀；

稳压装置包括高精度水力稳压阀和水压力表；

注水流量观测装置包括高精度流量计和截止阀I，钻孔水压观测装置为压力计；

井下输水管路通过三通I与滤水装置相连，三通I另一端连接耐高压管路，滤水装置的另一端与水用减压阀相连，水用减压阀的另一端连接水力稳压阀，水力稳压阀上连接水压力表，水力稳压阀的另一端连接有三通II，三通II的另两个支路上分别连接注水管I和截止阀I，截止阀I的另一端连接高精度流量计，高精度流量计的另一端连接一个四通，四通的主路上连接一个高压软管I，四通其中一个支路上设置压力计，高压软管I的另一端连接一个球阀I，球阀I的另一端连接有一个注水管II，注水管II伸入至煤层的注水测试孔中；

集水系统包括注水管III、球阀II、高压软管II和水量收集器，注水管III伸入至煤层的增透措施孔中，注水管III的另一端连接球阀II，球阀II通过高压高压软管II与水量收集器相连。

更进一步的，三通I与滤水装置之间设有截止阀II，注水管I的另一端设有截止阀III。通过调节不同的截止阀可以控制不同钻孔的注水特性。

更进一步的，四通的另一个支路上设有针型阀I，水量收集器的另一端设有针型阀II。通过利用针型阀I进行放水来调整注水室内压力值，通过利用针型阀II进行放水来调节集水器的测量水量。

一种利用上述装置测定煤层采动裂隙发育程度的方法，包括以下步骤：

第一步，在井下需要测试区域施工一个增透措施孔，然后在距增透措施孔适当距离处施工注水测试孔，该注水测试孔不实施增透措施，钻孔施工完毕后需要立即封孔，同时将注水管II伸入至煤层的注水测试孔中、注水管III伸入至煤层的增透措施孔中共同封入孔内；

第二步，在增透措施孔处安设集水装置，在注水测试孔处安设测试装置；

第三步，装置安装结束后立即按照设定压力向注水测试孔内实施注水，首先打开截止阀II和截止阀III，然后调节减压阀和水力稳压阀，并观察水压表将注水压力稳定在设定值，待压力调节结束后关闭截止阀，打开球阀I后再打开截止阀I开始注水，同时记录时间T₀，开始记录高精度流量计的水流量和压力计的水压力，直至注水室内水压达到设定压力，此时记录时间T₁，持续注水并开始每隔5分钟记录水流量，直至水流量为0，记录时间T₂；

第四步，达到设定压力值后关闭截止阀I，然后开始观察注水测试孔内压力下降规律，孔内水压由设定压力开始下降，记录压力计每下降0.05MPa所用时间，直至压力下降稳定，并将上述测定的数据绘制成压力值与时间的关系曲线；

第五步，若是注水过程中，第三步中增透措施孔中能够收集到水量，表明两个钻孔相互沟通，注水流量越大表明沟通的裂隙越发育；若是无法连通则可根据第四步记录数据按照公式P_f＝P₀-a·[1-exp(-b·t)]进行拟合，并将所记录数据用公式拟合得出b值进行对比；

其中P_f表示t时刻水压力(MPa)，P₀表示初始时刻水压力(MPa)，b表征渗透能力大小，数学意义为其中c为常数；

第六步，在受到采动影响的井下需要测试的不同区域，按照上述一至四步骤进行注水测试，并按照第五步中方法对测定数据进行处理。

上述测试过程可以三天进行一次，以保证数据的可靠性。

注水测试时的注水压力应不高于1MPa；若是注水室内压力值超过设定压力值，打开针型阀I进行放水调节，若集水器在测量水量时出现超量程，打开针型阀II进行放水调节。

第一步中实施钻孔的位置应选择煤层赋存条件较好、且顶板和底板不含水的地方。

上述测试方法应在增透措施的钻孔实施后进行，注水钻孔布置在距增透钻孔合适的距离，且按照正常施工不进行附加增透措施下完成，在煤层中钻进时使用风力排渣，各个钻孔施工结束后应立即封孔。本发明中的测定装置和方法是以未受采动影响下注水试验数据为基础，通过试验测定在不同距离受到采动影响下注水室压力值与时间的关系图表并将两者进行对比则可判定该范围内的裂隙发育程度。有助于评价各项增透措施下煤层裂隙的发育范围，为划分增透措施的有效范围提供了技术支持。

附图说明

图1是本发明中测定装置的示意图。

图中：1、井下输水管路；2、三通I；3、截止阀II；4、滤水装置；5、水用减压阀；6、水力稳压阀；7、水压力表；8、三通II；9、注水管I；10、截止阀III；11、截止阀I；12、高精度流量计；13、压力计；14、四通；15、针型阀I；16、高压软管I；17、球阀I；18、注水管II；19、注水管III；20、球阀II；21、高压软管II；22、水量收集器；23、增透措施孔；24、注水测试孔；25、针型阀II；26、煤层；27、底板；28、封孔剂；29、顶板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种煤层采动裂隙发育程度的测定装置，以水为介质，装置包括注水系统、数据观测系统和集水系统；

注水系统包括减压装置和稳压装置，井下输水管路中的高压水依次通过减压装置和稳压装置，并利用注水管路向钻孔中注水；

数据观测系统包括注水流量观测装置和钻孔水压观测装置；

注水系统和数据观测系统设置在注水测试孔处，集水系统设置在增透措施孔处。

利用注水减压装置将井下输水管路中高压水降至安全压力，利用稳压装置稳定水压并通过注水管路向钻孔中注水，同时开始计量每秒的注水流量和注水时间直至水压达到稳定值，水压稳定过后立即关闭注水钻孔的阀门，计量钻孔内水压的下降速度与时间的关系，利用注水速度和压力下降速度来反映煤体裂隙的发育程度，集水装置能够在注水测试孔与增透措施孔布置距离较近时，收集从注水测试孔注入的水通过沟通的裂隙流入措施孔中的水量，可用于收集水量并监测反映裂隙的沟通能力。

进一步的，减压装置包括滤水装置4和水用减压阀5；

稳压装置包括高精度水力稳压阀6和水压力表7；

注水流量观测装置包括高精度流量计12和截止阀I11，钻孔水压观测装置为压力计13；

井下输水管路1通过三通I2与滤水装置4相连，三通I2另一端连接耐高压管路，滤水装置4的另一端与水用减压阀5相连，水用减压阀5的另一端连接水力稳压阀6，水力稳压阀6上连接水压力表7，水力稳压阀6的另一端连接有三通II8，三通II8的另两个支路上分别连接注水管I9和截止阀I11，截止阀I11的另一端连接高精度流量计12，高精度流量计12的另一端连接一个四通14，四通14的主路上连接一个高压软管I16，四通14其中一个支路上设置压力计13，高压软管I16的另一端连接一个球阀I17，球阀I17的另一端连接有一个注水管II18，注水管II18伸入至煤层的注水测试孔24中；

集水系统包括注水管III19、球阀II20、高压软管II21和水量收集器22，注水管III19伸入至煤层的增透措施孔23中，注水管III19的另一端连接球阀II20，球阀II20通过高压高压软管II21与水量收集器22相连。

更进一步的，三通I2与滤水装置4之间设有截止阀II3，注水管I9的另一端设有截止阀III10。通过调节不同的截止阀可以控制不同钻孔的注水特性。

更进一步的，四通14的另一个支路上设有针型阀I15，水量收集器22的另一端设有针型阀II25。通过利用针型阀I15进行放水来调整注水室内压力值，通过利用针型阀II25进行放水来调节集水器的测量水量。

本装置安装之前首先施工注水测试孔24，钻孔施工结束后立即利用封孔剂28进行封孔，同时将注水管II18封入钻孔内连接注水室，安装球阀I17；然后从井下主要输水管路1中接入一个三通I2，通过一个注水管连接一个截止阀II3，通过管路系统利用法兰盘连接滤水器4、减压阀5和水力稳压阀6，同时将水压力表7安装在水力稳压阀6中，再通过注水管与另一个三通II8相连接，然后通过注水管在各端口连接截止阀III10和截止阀I11，其中截止阀I11连接精密流量计12，然后接入一个四通14，四通左右两个端口各连接压力计13和针型阀I15，四通通过高压胶管I16与封入注水钻孔中的球阀I17相连接；

同样在增透措施孔24处安装集水装置，利用封孔剂28封孔并将注水管III封入钻孔内，安装球阀II20，水量收集器22通过高压胶管II21安装在球阀II20的另一端，最后在水量收集器22上安装针型阀I15。

一种利用上述装置测定煤层采动裂隙发育程度的方法，包括以下步骤，

第一步，在井下煤层26赋存条件较好、且顶板29和底板27不含水的需要测试区域施工一个增透措施孔，然后在距增透措施孔适当距离处施工注水测试孔，该注水测试孔不进行增透措施，钻孔施工完毕后需要立即封孔，同时将注水管II18伸入至煤层的注水测试孔24中、注水管III19伸入至煤层的增透措施孔23中共同封入孔内；

第二步，在增透措施孔23处安设集水装置，在注水测试孔24处安设测试装置；

第三步，装置安装结束后立即按照设定压力向注水测试孔内24实施注水，首先打开截止阀II3和截止阀III10，然后调节减压阀5和水力稳压阀6，并观察水压力表7将注水压力稳定在设定值，待压力调节结束后关闭截止阀10，打开球阀I17后再打开截止阀I11开始注水，同时记录时间T₀，开始记录高精度流量计12的水流量和压力计13的水压力，直至注水室内水压达到设定压力，此时记录时间T₁，持续注水并开始每隔5分钟记录水流量，直至水流量为0，记录时间T₂；

第四步，达到设定压力值后关闭截止阀I11，然后开始观察注水测试孔24内压力下降规律，孔内水压由设定压力开始下降，记录压力计13每下降0.05MPa所用时间，直至压力下降稳定，并将上述测定的数据绘制成压力值与时间的关系曲线；

第五步，若是注水过程中，第三步中增透措施孔中能够收集到水量，表明两个钻孔相互沟通，注水流量越大表明沟通的裂隙越发育；若是无法连通则可根据第四步记录数据按照公式P_f＝P₀-a·[1-exp(-b·t)]进行拟合，并将所记录数据用公式拟合得出b值进行对比；

其中P_f表示t时刻水压力(MPa)，P₀表示初始时刻水压力(MPa)，b表征渗透能力大小，数学意义为其中c为常数，a为常用系数。

第六步，在受到采动影响的井下需要测试区域，按照上述一至四步骤进行注水测试，并按照第五步中方法对测定数据进行处理。

上述测试过程可以三天进行一次，以保证数据的可靠性。

注水测试时的注水压力应不高于1MPa；若是注水室内压力值超过设定压力值，打开针型阀I15进行放水调节，若集水器在测量水量时出现超量程，打开针型阀II25进行放水调节。本发明通过测试不同区域煤体中注水流量和压力下降速度判定该范围内裂隙的发育程度，同时将有助于评价各项增透措施下煤层的裂隙发育范围，为划分增透措施的有效范围提供技术支持。

第一步中实施钻孔的位置应选择煤层26赋存条件较好、且顶板29和底板27不含水的地方。

本发明利用注水装置通过对高压水进行降压、稳压处理，然后通过注水管路对不同区域煤层钻孔注水室内进行注水试验，监测注水过程中的注水流量数据和注水室内达到设定压力后监测到的压力下降数据，并根据测定方法进行数据处理比对，得到不同区域煤层中裂隙的发育程度。本发明的测定装置和方法有助于评价各项增透措施下煤层裂隙的发育范围，为划分增透措施的有效范围提供了技术支持。