一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法

摘要

本发明公开了一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法，包括以下步骤：确定致裂孔和抽采孔钻孔的多个布设方案：抽采孔钻孔及联网：致裂孔钻孔及联网：预留抽采孔钻孔及联网：多方案联网判断：数据处理与最佳方案确定；通过对纯瓦斯总量、致裂前后抽采孔内的二氧化碳含量、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积和微观结构的数据进行处理，以获得增透效果结果，并比较各方案增透效果，确定最佳方案。本发明的有益效果是，通过多种孔距的布设方案，以及致裂后的多方案数据采集，并通过对瓦斯气的流量、压力和浓度监测，以及二氧化碳含量分析、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积以及微观结构变化等数据进行对比分析，从而获得最佳增透效果的钻孔布置方式。

说明书

技术领域

本发明涉及矿井瓦斯抽采技术领域，尤其是一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法。

背景技术

近年来，我国多数煤矿进入了深部开采阶段。煤层赋存条件复杂，高应力，高瓦斯压力，降低了煤层的透气性。随着煤矿开采机械化程度的不断提高，单一的瓦斯抽采方法已经无法高效的解决煤矿瓦斯隐患。同时，瓦斯作为一种清洁能源，可以有效的改善和优化我国的能源结构，降低煤矿生产成本，还能够减少大气污染。瓦斯抽采技术是防治煤矿瓦斯灾害的主要技术之一，但是由于深部煤层普遍存在赋存条件复杂，煤层透气性差等问题，单纯的抽采也很难满足目前煤矿治理瓦斯的需求，严重制约了煤矿高产高效生产。煤层致裂技术应运而生，其中液态二氧化碳相变致裂技术作为一种新型的煤层增透手段，凭借其安全高效，工艺简单等优势受到煤矿的广泛关注，并且已经开始应用于煤矿煤层增透措施之中。

然而，由于各个矿井中的煤质不同，对二氧化碳相变致裂效果也产生不同影响。液态二氧化碳相变致裂增透半径，以及重复致裂后增透效果的叠加程度都会影响致裂后煤层瓦斯抽采效果。因此，不同煤层对应的最佳布孔方式也不相同，为了快速准确的确定最佳布孔方式，本发明提供了一种确定液态二氧化碳相变致裂的最佳布孔方式的方法，以克服单孔测量半径容易受到其他因素干扰的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法，该方法通过多种孔距的布设方案，以及致裂后的多方案数据采集，并通过对瓦斯气的流量、压力和浓度监测，以及二氧化碳含量分析、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积以及微观结构变化等数据进行对比分析，从而获得最佳增透效果的钻孔布置方式。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法，包括以下步骤：

第一步，确定致裂孔和抽采孔钻孔的多个布设方案：按照不同孔间距布设至少四种钻孔方案；各方案中的钻孔均按至少4排等间距布置；其中，至少两排全部为抽采孔，至少两排为抽采孔和致裂孔间隔布置结构，相邻两排钻孔相互错位，具有致裂孔的相邻孔排间的致裂孔交错布置，以使每个致裂孔周围等间距相邻的钻孔全为抽采孔，且在设置有致裂孔的孔排中至少具有两个致裂孔；

第二步，抽采孔钻孔及联网：选择钻孔布设方案，按照选定的方案逐排按从左至右或从右至左的顺序司钻抽采孔；在司钻第一个抽采孔时，对煤层进行取样；并预留最后一个致裂孔同排的两个相邻抽采孔待施工；对抽采孔进行“两封一注”的方式进行封孔；对抽采孔进行联网，使各排形成一个独立的抽采支网，并将多个网络进行并网形成汇总网络，且对每个抽采孔，以及汇总网络进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录；

第三步，致裂孔钻孔及联网：在抽采孔瓦斯流量稳定后，按钻孔布设方案逐排依次司钻致裂孔；在一个致裂孔司钻完成后，进行封孔、致裂和联网，再进行下一个致裂孔司钻，同一排的致裂孔组成一个单独的网络后并入汇总网络，并进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录，直至同一方案中的多个致裂孔全部联网完成；

第四步，预留抽采孔钻孔及联网：在同一方案中的最后一个致裂孔致裂完成并联网后；对预留的两个抽采孔进行钻孔，并在单个预留抽采孔司钻、封孔完成后与同一排的其他抽采孔进行联网，并进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录，且在司钻预留抽采孔期间进行煤层采样；

第五步，多方案联网判断：在一个布设方案的流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录期间，或者，在一个布设方案的流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录完成后，判断多个方案是否全部完成所有联网工作，是，则进行下一步；否，则重复进行第二步～第四步，直至各个方案全部完成抽采联网完成；

第六步，数据处理与最佳方案确定：包括对纯瓦斯总量、致裂前后抽采孔内的二氧化碳含量、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积和微观结构的数据进行处理，以获得增透效果结果，并比较各方案增透效果，确定最佳方案。

采用前述技术方案的本发明，通常按第一排和第三排全部为抽采孔，第二排和第四排为抽采孔与致裂孔间隔布置的布设钻孔；通过多种不同孔间距的钻孔方案可以考察不同致裂距离对增透效果的影响；通过逐个施工致裂孔，按照单个致裂孔司钻、封孔、致裂和联网的顺序，在第一个致裂孔联网后进行抽采监测，能够获得单一致裂孔的增透效果；在第二排的致裂孔致裂完成后，可从第一排或第三排抽采孔的抽采瓦斯净含量变化情况获得单独一排致裂孔与单独一排抽采孔的钻孔布置方式的增透效果，显然，第一排和第三排的抽采瓦斯净含量可简单的算术平均或加权平均的计算方式抽采净量的平均值；在第四排的致裂孔致裂完成后，可通过第三排抽采孔的抽采瓦斯净含量变化情况获得单独一排抽采孔与等距离的两排致裂孔重复致裂的钻孔布置方式的增透效果；通过第一排抽采孔的抽采瓦斯净含量变化情况获得单独一排抽采孔与距离等的两排致裂孔重复致裂的钻孔布置方式的增透效果；另外，本方案中相邻两排钻孔相互错位，可在同一致裂孔周围形成4-6个等距离的抽采孔，以通过这4-6个抽采孔的瓦斯抽采净含量变化情况，获得单独致裂、重复致裂增透效果的平均值。故发明的钻孔布设方案可获得致裂影响范围、单独致裂和等距离重复致裂的增透效果，以及多距离重复致裂的增透效果等数据。依据这些试验结果，达到确定二氧化碳相变致裂煤层增渗的最佳布孔方式。

本方案中的“两封一注”封孔方式是采用采用双囊袋加中间注浆封孔的方式进行封孔，里外囊袋通过注浆管连通，且里外囊袋的注浆管段上设有爆破阀，在注浆管与注浆泵相连后，封孔液因注浆泵的压力进入注浆管及膨胀囊袋中，膨胀囊袋迅速膨胀，将膨胀囊袋的外壁与钻孔相密封；当压力达到设定值时；爆破阀爆破，以在里外囊袋间形成注浆封孔段。通常，封孔管采用φ32mm耐压封孔管。穿层钻孔的封孔长度根据孔深确定，封孔管里端无堵头，其中筛管段长度5m，里囊位于煤岩交界处，外囊视钻孔深度确定，但要保证里外囊之间有至少8m的注浆段。本煤层钻孔封孔管长度不低于45m，其中，筛管段长度20m，里囊位于孔口内20～23m处，外囊位于孔口内15米处，但里外囊之间应确保不低于8m的注浆段。

优选的，所述钻孔方案由孔间距为3m、5m、7m和9m的四个方案构成。通过合理的间距参数和方案数量设置，以尽量少的试验次数获得钻孔的最佳布置方式，降低试验成本，提高试验效率。

优选的，所述二氧化碳含量变化分析通过色谱分析方法进行。以充分利用现有技术的分析测试手段获得抽采的瓦斯气中的二氧化碳含量，从而从一个方面确定增透效果。

优选的，所述二氧化碳含量变化分析所需样本通过集气袋收集致裂前后紧邻致裂孔的抽采孔内的气体获得，且采集工作需在致裂后30min内采集，多个抽采孔的采集时间一致。以获得分析样本采集的一致性，消除干扰因素，确保分析结果准确。

进一步优选的，在具有重复致裂的抽采孔，所述样本收集应在紧邻的两个致裂孔分别致裂后，分别进行一次。以准确获得重复致裂增透效果。

优选的，所述孔隙率和比表面积通过对致裂前后的煤样进行压汞实验获得。以利用现有分析手段获得煤样致裂前后的孔隙率和比表面积的变化情况，从另一个方面获得致裂效果。

优选的，所述微观结构通过电镜扫描等实验获得。以利用现有试验手段获得准确的煤样微观结构，以通过微观结构变化获得致裂效果。

本发明的有益效果是，通过多种孔距的布设方案，以及致裂后的多方案数据采集，并通过对瓦斯气的流量、压力和浓度监测，以及二氧化碳含量分析、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积以及微观结构变化等数据进行对比分析，从而获得最佳增透效果的钻孔布置方式。

附图说明

图1是本发明方法实施步骤的流程图。

图2是本发明钻孔布置方案的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1、图2，一种确定二氧化碳相变致裂煤层增渗最佳布孔方式的方法，包括以下步骤：

第一步，确定致裂孔和抽采孔钻孔的多个布设方案：按照3m、5m、7m和9m不同孔间距布设四种钻孔方案，该四种方案按间距由小至大的顺序依次命名为方案一、方案二、方案三和方案四；四个方案中的钻孔均按4排等间距布置，同一排中的孔间距A分别为3m、5m、7m和9m，如图2所示，由下至上分别命名为第一排、第二排、第三排和第四排；其中，四排中两排即第一排和第三排全部为抽采孔，另两排即第二排和第四排为抽采孔和致裂孔间隔布置结构，相邻两排钻孔相互错位二分之一的孔间距A，具有致裂孔的第二排和第四排孔排间的致裂孔交错布置，以使每个致裂孔周围等间距相邻的钻孔全为抽采孔，且在设置有致裂孔的孔排中至少具有两个致裂孔；四个方案中相邻排的排间距B分别为2.6m、4.3m、6.1m和7.8m；在第一、三排布置8个钻孔，第二、四排布置7个钻孔时，第一、三排的钻孔按2个成列对齐成8列；第二、四排的钻孔按2个成列对齐成7列；钻孔从左至右编号为，第一排为1#—8#；第二排钻孔编号为9#—15#；第三排钻孔编号为16#—23#；第四排钻孔编号为24#—30#；其中，第二排的第1、3、5、7位孔即编号为9#、11#、13#和15#孔为致裂孔；第四排的第2、4、6位孔即编号为25#、27#和29#孔为致裂孔；

第二步，抽采孔钻孔及联网：按空间距由小至大的顺序或方案编号由一至四的顺序选择钻孔布设方案的方案一，按照选定的方案一逐排按从左至右，即按编号由小至大的顺序司钻抽采孔1#—8#、10#、12#、14#、16#—23#、24#和26#；在司钻第一个抽采孔即1#孔时，对煤层进行取样；并预留最后一个致裂孔29#同排的两个相邻抽采孔28#和30#待施工；对抽采孔进行“两封一注”的方式进行封孔；对抽采孔进行联网，使各排形成一个独立的抽采支网，即1#—8#构成第一排抽采支网，10#、12#和14#构成第二排抽采支网，16#—23#构成第三排抽采支网，24#和26#构成第四排抽采支网；并将多个网络进行并网形成汇总网络，且对每个抽采孔，以及汇总网络进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录；

第三步，致裂孔钻孔及联网：在抽采孔瓦斯流量稳定后，按钻孔布设方案逐排依次司钻致裂孔，即按照9#、11#、13#、15#、25#、27#和29#孔的顺序司钻；在一个致裂孔司钻完成后，进行封孔、致裂和联网，再进行下一个致裂孔司钻，同一排的致裂孔组成一个单独的网络后并入汇总网络，即9#、11#、13#和15#致裂孔组成第一致裂支网络，25#、27#和29#致裂孔组成第二致裂支网络，两个致裂支网均并入汇总网络；并进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录，直至同一方案中的多个致裂孔全部联网完成；

第四步，预留抽采孔钻孔及联网：在同一方案中的最后一个致裂孔29#致裂完成并联网后；对预留的28#抽采孔和30#抽采孔进行钻孔，并在单个预留抽采孔司钻、封孔完成后与同一排的其他抽采孔即24#和26#构成第四排抽采支网进行联网，并进行流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录，且在司钻预留抽采孔期间进行煤层采样；

第五步，多方案联网判断：在一个布设方案的流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录期间，或者，在一个布设方案的流量、压力、流速和瓦斯浓度的监测与记录完成后，判断多个方案是否全部完成所有联网工作，是，则进行下一步；否，则重复进行第二步～第四步，直至各个方案全部完成抽采联网完成；

第六步，数据处理与最佳方案确定：包括对纯瓦斯总量、致裂前后抽采孔内的二氧化碳含量、致裂前后煤样的孔隙率、比表面积和微观结构的数据进行处理，以获得增透效果结果，并比较各方案增透效果，确定最佳方案。

其中，二氧化碳含量变化分析通过色谱分析方法进行；二氧化碳含量变化分析所需样本通过集气袋收集致裂前后紧邻致裂孔的抽采孔内的气体获得，且采集工作需在致裂后30min内采集，以防止在致裂后未及时采集气体导致二氧化碳扩散衰减，多个抽采孔的采集时间一致；且在具有重复致裂的抽采孔，样本收集应在紧邻的两个致裂孔分别致裂后，分别进行一次；孔隙率和比表面积通过对致裂前后的煤样进行压汞实验获得；微观结构通过电镜扫描等实验获得。

本实施例中，钻孔布设方案可采用五个或五个以上，钻孔也可布置为五排或五排以上；在采用五排布置时，第五排全部为抽采孔，此时钻孔顺序也可从上至下；在任一布设方案中钻孔也可从右至左的顺序进行司钻。

在本实施例中，通过监测、记录和分析第一排抽采孔1#—8#和第三排的抽采孔16#—23#可获得单次致裂的增透效果；通过监测、记录和分析第二排的抽采孔10#、12#、14#；第三排的抽采孔16#—23#以及第四排的抽采孔25#、27#和29#可获得重复致裂的增透效果；通过致裂前后的煤层取样分析可获得煤样的微观结构和孔隙率等变化情况，以进一步为最优布孔方式提供理论依据。

通过观测致裂前后与重复致裂的煤样内部结构的不同，从机理方面进一步指导煤层中液态二氧化碳相变致裂增透的最佳钻孔布置方式。一般认为，致裂后煤样比表面积越大，孔隙裂隙越发育对煤层增透越有利，增透效果越明显。

在监测孔内二氧化碳含量过程中，可以通过重复致裂后孔内气体二氧化碳含量的增量来进一步判断重复致裂对煤层增透效果的提升程度；通过不同方案的增透效果比较，可以判断不同钻孔距离重复致裂的增透效果的差异。一般而言，二氧化碳浓度越高，表明增透效果越好。

在监测孔内二氧化碳含量过程中，利用第二排抽采孔和第三排抽采孔在重复致裂上存在的时间差异，可以获得二次致裂时间对重复致裂增透效果的影响，以此结果可以获得液态二氧化碳相变致裂增透技术的重复致裂间隔的基础数据。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。