一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法與流程

2023-06-22 13:00:26 4

本發明涉及一種含瓦斯煤體增透評估方法，具體涉及一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法，屬於煤礦防瓦斯突出安全治理技術領域。

背景技術：
我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在我國能源結構中佔有重要地位。近年來，我國煤礦在安全上的投入極大，也取得了較好的效果。然而煤礦事故時有發生。統計表明，礦井瓦斯事故和頂板事故佔總事故的80％以上，其中礦井瓦斯事故因危害度強、傷亡率高、造成經濟損大而成為煤礦的第一殺手。可見，礦井瓦斯治理成為減少甚至杜絕瓦斯事故的根本所在。隨著我國煤礦開採深度的逐步加大，開採條件更趨於複雜，出現了高地應力、高瓦斯、高非均質性、低滲透性、低強度的煤體特徵，煤體的原生裂隙和孔隙度逐漸變小，煤層的滲透率隨之降低，而我國賦存煤層滲透率普遍差，進而使得工作面發生煤與瓦斯突出的危險性隨之加劇。由此可見，滲透率低已經成為制約煤層瓦斯抽採的關鍵因素，提高煤層滲透率，是瓦斯災害治理和資源利用的根本途徑。瓦斯預抽已經成為我國煤礦瓦斯治理的一項重要技術，煤層透氣性係數的高低直接決定著抽採效果的好壞。但是當前普遍存在預抽鑽孔工程量大，抽採效率低，單個鑽孔有效影響範圍小等問題，導致常規瓦斯抽採方法難以發揮作用，瓦斯爆炸和瓦斯突出的威脅也愈加嚴重。目前煤層增透的主要技術方法有水力壓裂增透、高壓水射流擴孔增透、水力割縫增透、深孔控制預裂爆破增透等，這些措施在有的地區取得了一些效果，但在一些地區增透效果不甚理想，而且目前關於含瓦斯煤體增透缺乏有效的評估方法。

技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明提供一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法，利用水力壓裂在實現一級增透的同時使得煤體中裂隙充分擴展，在為後期酸液的注入創造有利條件同時增大酸液與煤體的接觸面積及酸液的有效作用距離，在深度與廣度上形成煤層深部酸化改造的同時提高煤質，實現煤體的二級增透，並對增透效果進行評估，最終達到提高煤層瓦斯抽採率的目的。為實現上述目的，採用如下技術方案：一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法，包含以下步驟：A、製備酸性溶液的步驟；B、現場增透方案實施的步驟；在工作面迴風巷中開設多組鑽孔，分別採用單純水力壓裂增透措施下的瓦斯抽採、單純採取酸化增透措施下的瓦斯抽採、水力壓裂與酸化聯合增透措施下的瓦斯抽採，並統計各組的單孔平均瓦斯抽採純量；C、根據步驟B統計數據對增透效果進行評估的步驟。優選的，所述步驟A製備的酸性溶液為：質量分數分別對應為15％～20％、2％～4％、1％～2％的HCL、HF、CH3COOH的混合酸液。進一步的，所述步驟B、現場增透方案實施的步驟，具體包含以下分步：分步B0：在迴風巷中以設定角度的傾角向煤層開設3組鑽孔，分別為G1組、G2組、G3組；其中，G1組單純用於採取水力壓裂增透措施下的瓦斯抽採研究，G2組單純用於採取酸化增透措施下的瓦斯抽採研究，G3組用於採取水力壓裂與酸化聯合增透措施下的瓦斯抽採研究；分步B1：記錄G1組單孔平均瓦斯抽採純量q1；分步B2：記錄G2組單孔平均瓦斯抽採純量q2；分步B3：記錄G3組單孔平均瓦斯抽採純量q3。進一步的，所述步驟C、根據步驟B統計數據對增透效果進行評估，操作過程如下：若滿足max(q1,q2)＜q3≤1.1max(q1,q2)，則增透效果一般；若滿足1.1max(q1,q2)＜q3≤1.2max(q1,q2)，則增透效果較好；若滿足q3＞1.2max(q1,q2)，則增透效果明顯。進一步的，分步B0所述的G1組、G2組、G3組鑽孔，其中每組開設2個鑽孔，一個為控制鑽孔，另一個為導向鑽孔。優選的，鑽孔間距為5-8m，組與組間距不小於30m。優選的，G1組鑽孔在壓裂結束後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量。優選的，G2組兩鑽孔同時注入酸性溶液後要求先封孔並保持酸化時間不低於48h，反排酸液之後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量。優選的，G3組鑽孔要求壓裂結束之後，緊接著通過控制鑽孔注入酸性溶液封孔並保持酸化時間不低於48h之後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量。進一步的，所述的一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法，其特徵是，根據評估結果，若增透效果較好或增透效果明顯，此時，將導向鑽孔和控制鑽孔封孔接入抽採系統進行聯合抽採。本發明具有如下有益效果：1.採用鹽酸、氫氟酸及醋酸等多組分酸性溶液，其中以鹽酸作為主體酸，可有效溶解煤中的碳酸鹽巖類礦物成分及硫化物，並且在煤層中保持較低PH值，可抑制氫氧化鐵沉澱生成；氫氟酸作為一種輔助酸，用於溶解煤層中所含有的矽酸鹽巖類礦物成分；醋酸作為有機酸，屬於弱酸起輔助作用，可緩蝕緩速酸化能力，進而可使酸化程度最優化，增加煤層透氣性，提高瓦斯抽採率。2.相比巖石，煤中層理、裂隙高度發育，可以看作是裂隙集合體，採用水力壓裂使得煤層中裂隙擴展並增加，形成瓦斯流動通道，進而使得煤層中的游離瓦斯快速釋放，吸附瓦斯也可解吸釋放，有效降低了煤層中瓦斯含量；同時水力致裂後由於煤體中裂隙增多，此時注入酸性溶液更為容易，且增加了與煤體的接觸面積，同時也增大了酸液的有效作用距離，在深度與廣度上真正形成煤層的深部酸化改造，有利於煤層的進一步增透。3.煤中所含可與酸性溶液反應的主要碳酸鹽及硫化物屬於煤的無機物質中的礦物質類，是有害成分且是煤中的主要雜質，注入酸液在實現增透的同時也提高了煤的質量和利用價值，是一種一舉兩得的舉措。4.目前水力壓裂技術在我國一些礦區煤炭開採中已得到應用並積累了一定的實踐經驗，而且還具有成套的裝備，技術上已經比較成熟，易操作、好實施；在前期增透過程中以水為壓裂液，用量大，成本低，且能達到安全、環保、高效的目的。5.水力壓裂與酸化聯合作用於含瓦斯煤體，充分將二者的長處進行有機結合，相互促進，不僅顯著增加了煤層的透氣性，提高了瓦斯抽採率，同時破壞了堅硬煤體的完整性，顯著降低了其儲能特性，還增加了煤的溼潤性，起到除塵作用，解除安全隱患的同時提高了工作面作業環境，是一種一舉多得的舉措，易於推廣應用，而且對於衝擊地壓-煤與瓦斯突出等煤礦複合動力災害的防治也具有積極的意義。附圖說明圖1是本發明一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法流程圖。圖2是本發明實施例方案中3組鑽孔單孔平均瓦斯抽採純量分布柱狀圖。具體實施方式為充分體現本發明的特徵與優點，下面將結合具體實施例及附圖予以詳細敘述。研究背景：某礦C3煤層，厚度0.95-2.35m，平均厚度1.65m，煤層結構較簡單、層位較穩定、對比可靠、區內可採，屬較穩定型煤層。上距C4煤層平均12.5m，下距C2煤層平均20.38m，頂板巖性為泥巖及砂質泥巖局部含有粉砂巖，底板巖性以粉砂質泥巖為主。現場測定絕對瓦斯壓力最高達1.85MPa，最低1.74MPa，直接法測定煤層高瓦斯含量最高達17.9952m3/t，屬於典型煤與瓦斯突出型礦井，煤層中硬，無煙煤，變質程度高，煤質較好，透氣性係數0.025m2/(MPa2·d)，屬於典型含瓦斯難抽煤層。如圖1所示，一種含瓦斯煤體水力壓裂與酸化聯合強化增透評估方法，包含步驟如下：A、製備酸性溶液的步驟，操作過程如下：現場取煤樣，對取回的煤樣進行加工使其滿足實驗室實驗要求，利用電鏡掃描、CT或核磁共振觀測煤樣的微觀結構，利用X射線衍射及螢光光譜查明煤樣中可與酸反應的碳酸鹽巖、矽酸鹽巖及硫化物種類並利用標定法確定含量。表1給出了本實施例煤樣中所含可與酸性溶液反應的碳酸鹽巖、矽酸鹽巖及硫化物成分及含量。表1通過煤粉溶蝕率測定實驗確定適合本煤層的複合酸液的質量分數，具體操作過程如下：將煤樣研磨成80目的煤粉，用分析天平稱取4份煤粉各3g，精度為0.001g；將煤粉與酸液按一定比例倒入玻璃量筒中，再放入60℃的恆溫水浴臺中進行加熱反應；反應達到預定時間3h後，將量筒從恆溫水浴臺中取出，過濾把剩下的煤粉以及濾紙放入乾燥箱中，直至恆重；根據酸化前後煤粉的質量變化，計算出不同質量分數混合酸液對煤粉的溶蝕率，確定出合適的酸液質量分數。溶蝕率K計算表達式為：上式中，m1-酸化前煤粉質量，g；m2-酸化後煤粉質量，g；由表1分析可知，該煤樣中所含矽酸鹽巖較多，在溶蝕率測定時，適當提高混合酸液中HF的比例，試驗最終確定選取的適合本煤層的混合酸液為18％HCL+4％HF+2％CH3COOH；步驟B、現場增透方案實施的步驟，具體包含以下分步：分步B0：在迴風巷中以30°傾角向煤層開設3組鑽孔，分別為G1組、G2組、G3組；其中，G1組單純用於採取水力壓裂增透措施下的瓦斯抽採研究，G2組單純用於採取酸化增透措施下的瓦斯抽採研究，G3組用於採取水力壓裂與酸化聯合增透措施下的瓦斯抽採研究；分步B1：記錄G1組單孔平均瓦斯抽採純量q1；分步B2：記錄G2組單孔平均瓦斯抽採純量q2；分步B3：記錄G3組單孔平均瓦斯抽採純量q3。圖2給出了本發明實施例方案中3組鑽孔單孔平均瓦斯抽採純量分布柱狀圖。步驟C、根據步驟B統計數據對增透效果進行評估，操作過程如下：若滿足max(q1,q2)＜q3≤1.1max(q1,q2)，則增透效果一般；若滿足1.1max(q1,q2)＜q3≤1.2max(q1,q2)，則增透效果較好；若滿足q3＞1.2max(q1,q2)，則增透效果明顯。將圖2數據代入上式檢驗，得出q1＞q2，q3＝1.32q1，顯然滿足q3＞1.2max(q1,q2)，增透效果明顯。進一步，分步B0所述的G1組、G2組、G3組鑽孔，其中每組開設2個鑽孔，一個為控制鑽孔，另一個為導向鑽孔，鑽孔間距5-8m，本實施例中優選5m；組與組間距不小於30m，本實施例中優選30m。進一步，G1組鑽孔在壓裂結束後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量。進一步，G2組兩鑽孔同時注入酸性溶液後要求先封孔並保持酸化時間不低於48h，反排酸液之後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量，本實施例中優選48h。進一步，G3組鑽孔要求壓裂結束之後，緊接著通過控制鑽孔注入酸性溶液封孔並保持酸化時間不低於48h之後抽採並統計單孔平均瓦斯抽採純量，本實施例中優選48h。進一步，根據評估結果，若增透效果較好或增透效果明顯，此時，將導向鑽孔和控制鑽孔封孔接入抽採系統進行聯合抽採。根據現場實施方案監測的效果(圖2)可知，對含瓦斯煤體採取單純水力壓裂或單純注入酸性溶液均能起到一定程度的增透效果，水力壓裂相對酸化效果較好，分析認為，該煤層屬於高煤階變質煤，再加上存在因芳香環聚合化程度高造成表面溶蝕效果差的缺點，酸液有效作用距離有限，致使單純酸化效果相對更不明顯。而對煤體水力壓裂後注入酸性溶液，增透效果明顯。分析認為，水力壓裂首先實現了含瓦斯煤體的一級增透，此時煤中游離瓦斯快速釋放，吸附瓦斯也可解吸為游離瓦斯釋放，同時壓裂使煤體產生大量裂隙，增加了瓦斯運移通道，後期注入酸性溶液更為容易且增大了酸液與煤體的接觸面積及有效作用距離，充分溶解煤中雜質的同時進一步增加煤體的滲透率，同時也淨化了煤質，使酸化程度最優化，實現了含瓦斯煤體的二級增透，進而提高了瓦斯抽採率。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。