[发明专利]瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法，属煤矿瓦斯灾害防治及煤矿安全技术领域，尤其适用于含瓦斯煤中水力压裂增透措施有效作用区域的测定实验测试装置及方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，但煤层赋存条件差异大，含瓦斯煤层多，瓦斯储量大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占矿井总数的50％以上。是随着煤炭生产的高效集约化和矿井开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸的威胁也越来越严重。瓦斯灾害已成为制约我国煤矿安全、高效生产的最重要因素。

解决高瓦斯煤层开采过程中瓦斯涌出问题的主要措施是瓦斯抽采，加强瓦斯抽采、实现“先抽后采”已被确立为瓦斯治理的治本之策，但传统的做法只能依靠增加钻探工程量、延长抽采时间等措施进行抽采，效果并不理想，造成回采和掘进过程中瓦斯超限频繁，安全隐患严重，这与构建本质安全型矿井不相符合，亟需新的瓦斯抽采及治理手段来改变这种困境。近年来，水力压裂(又称高压水力致裂)技术在矿井瓦斯治理方面应用较为广泛。实践证明，水力压裂能够对煤体起到良好的卸压增透作用，大大提高瓦斯抽采效率，最终达到良好的抽采及防突效果。

然而，目前水力压裂的效果评价仅停留在非常传统的手段，如考察钻屑量、含水量等传统指标及考察瓦斯抽采效果。这些参数均是对水力压裂潜在影响区域的“点评价”，即通过对水力压裂潜在影响区域内取固定地点岩芯测试相关参数进而对水力压裂是否影响到该点加以以评价，无法实现区内煤岩体结构演化的全面、时空连续评价，从而必然造成效果考察及后期瓦斯抽采施工的盲目性，不仅影响煤矿安全生产，也会导致施工成本的大幅提高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对煤矿水力压裂增透措施中存在的实际问题，克服已有技术中的不足之处，提供一种操作简单、测试全面、准确性高的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置及方法。

技术方案：本发明的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测装置，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、设在底座上的方形筒体和设在方形筒体上的上盖，方形筒体的前、后、左3个面为可观测水力压裂时煤样表面的实时破裂演化过程的有机玻璃，右面为开有导向孔的钢板，所述的底座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进入主腔体内的柱塞和对柱塞)施加压力的压力机；

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

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

所述的电阻率测试模块包括电极片、电法仪和铜质漆包线，电极片设在煤样表面，呈十字均匀布置，铜质漆包线一端与电极片相连，另一端穿出上盖导线孔与电法仪相连。

所述的主腔体上盖与柱塞的配合面上设有密封圈。

所述进入煤样内的导水管管段表面与煤样之间上注有密封胶。

使用上述装置的瓦斯煤水力压裂裂隙场时空监测方法，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，在煤样一侧面正中心位置施工一个压裂孔；

b.将导水管一端插入压裂孔，之后用密封胶对插入压裂孔内的导水管管段进行封孔；

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

d.将煤样从主腔体的上部装入，之后装好上盖，将铜质漆包线通过上盖导线孔与电法仪连接，将导水管与高压水表、受控水泵连接，并分别用密封螺栓密封；

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

f.若无漏气，则调节瓦斯阀门，向主腔体中充入瓦斯气体，使煤样充分吸附瓦斯，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，通过柱塞向煤样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，通过导水管向煤样内部注水实施压裂，并打开电法仪采集电阻率信号，同时，通过有机玻璃观察煤样表面裂纹的演化及液体的渗出情况；