[发明专利]瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法

权利要求书

1.一种瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：它包括主腔体、地应力模拟模块、充放瓦斯模块、水力压裂模块及电阻率测试模块；

所述的主腔体包括底座(3)、设在底座(3)上的方形筒体和设在方形筒体上的上盖(1)，方形筒体的前、后、左3个面为可观测水力压裂时煤样(8)表面的实时破裂演化过程的有机玻璃(4)，右面为开有导向孔(21)的钢板(5)，所述的底座(3)上设有通向筒体内的左通道和右通道；

所述的地应力模拟模块包括穿过上盖(1)进入主腔体内的柱塞(2)和对柱塞(2)施加压力的压力机(27)；

所述的充放瓦斯模块包括一端与瓦斯罐(17)相连，另一端与底座(3)的左通道相连的瓦斯导管(15)，瓦斯导管(15)上依次设有瓦斯阀门(16)和瓦斯压力表(18)；还包括与底座(3)的右通道相连的排气/水管(12)，排气/水管(12)上设有卸压阀(13)；

所述水力压裂模块包括设在方形筒体内的煤样(8)、一端与受控水泵(24)相连，另一端穿过钢板导向孔(21)进入煤样(8)内的导水管(20)，导水管(20)上设有高压水表(23)，所述煤样(8)的顶底部分别设有金属垫块(6)，金属垫块(6)与煤样(8)之间设有绝缘橡皮垫(7)；

所述的电阻率测试模块包括电极片(9)、电法仪(26)和铜质漆包线(10)，电极片(9)设在煤样(8)表面，呈十字均匀布置，铜质漆包线(10)一端与电极片(9)相连，另一端穿出上盖导线孔(25)与电法仪(26)相连。

2.根据权利要求1所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：所述的主腔体上盖(1)与柱塞(2)的配合面上设有密封圈。

3.根据权利要求1所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，其特征在于：所述进入煤样(8)内的导水管(20)管段表面与煤样之间上注有密封胶(11)。

4.一种使用权利要求1所述装置的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征于包括如下步骤：

a.将煤矿井下取得的原煤加工成符合实验尺寸的正方体煤样(8)，在煤样(8)一侧面正中心位置施工一个压裂孔；

b.将导水管(20)一端插入压裂孔，之后用密封胶(11)对插入压裂孔内的导水管(20)管段进行封孔；

c.利用导电胶将电极片(9)耦合在煤样的前、后2个侧面上，每个电极片(9)连出一根铜质漆包线(10)；

d.将煤样从主腔体的上部装入，之后装好上盖(1)，将铜质漆包线(10)通过上盖导线孔(25)与电法仪(26)连接，将导水管(20)与高压水表(23)、受控水泵(24)连接，并分别用密封螺栓(22)密封；

e.关闭卸压阀门(13)，将与瓦斯罐(17)相连的瓦斯阀门(16)打开，使瓦斯气体在低于0.1MPa的压力下通过底座(3)左通道的进气嘴(19)进入主腔体内，检查容器的气密性；

f.若无漏气，则调节瓦斯阀门(16)，向主腔体中充入瓦斯气体，使煤样(8)充分吸附瓦斯，若漏气，则重新检查主腔体气密性，直至密封良好后再充入瓦斯气体；

g.启动压力机(27)，通过柱塞(2)向煤样(8)施加竖直方向的应力，应力大小与所取煤样实际的地应力大小一致；

h.打开受控水泵(24)，通过导水管(20)向煤样(8)内部注水实施压裂，并打开电法仪(26)采集电阻率信号，同时，通过有机玻璃(4)观察煤样表面裂纹的演化及液体的渗出情况；

i.当有大量液体从煤样(8)表面渗出时，关闭受控水泵(24)停止注液；

j.依次关闭电法仪(26)和瓦斯阀门(16)，打开卸压阀(13)，放出主腔体内的瓦斯气体，处理实验用过的煤样；

k.分析电阻率信号，通过电阻率变化云图反演水力压裂过程煤样内部裂隙场时空演化规律，电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

水力压裂裂隙场判断准则为：电阻率减小20％以上的区域，即认为是水力压裂产生的裂隙区域，水力压裂有效区域为电阻率减小20％的区域面积之和。

5.根据权利要求4所述的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，其特征在于：所述压裂孔直径为8～12mm，孔深为煤样(8)边长的1/2～2/3之间；导水管(20)的直径为8～10mm，导水管(20)插入深度及封孔深度为煤样(8)边长的1/3～1/2。