CN115186601A - 一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿智能化开采技术领域，具体是一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法。包括以下步骤，S100：对回采工作面及其顶底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计；S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的施工参数，该施工参数下水力裂缝到达煤岩界面时能够沿界面扩展；S300：在采区工作面内布置微震监测设备的探头并进行设备调试；S400：按照计算得出的施工参数进行水力压裂作业；S500：煤层水力压裂过程中实时检测裂缝扩展反馈的微破裂震动信号，将信号分析处理后确定回采工作面煤岩界面的位置轨迹。本发明克服了现有方法受采煤作业环境影响大、对设备要求高、界面识别准确率低等问题。

Description

一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法

技术领域

本发明属于煤矿智能化开采技术领域，具体是一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法。

背景技术

煤矿智能化开采是近年来的研究热点，为实现煤矿井下回采工作面的智能化，首先需要精准确定采煤机的割煤轨迹或在回采过程中精准识别煤层与其顶底板界面，确保采煤机截齿的安全与截割效率，保证不增加后期选煤的工作强度与工作面资源回采率。

目前，主流的煤岩界面识别方法是基于图像、声音、压力信号、电流信号与扭矩信号等特征信息，结合自主学习方法实现对煤岩界面的识别，进一步根据识别结果确定采煤机割煤轨迹。申请公布号为CN113435294A、CN110424964A、CN112990169A等一批发明专利都是依据上述方法与原理进行的煤岩界面识别。然而，煤矿井下环境复杂多变，煤岩层的非均质性强，回采工作面环境恶劣等极易使图像识别困难、声音传输精准率低及信号辨识度低，导致煤岩界面识别难度大、不精准。

针对上述问题，本方法一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，主要通过调整施工参数，使水力裂缝定向起裂扩展到煤层及其顶底板界面后沿界面扩展，并通过提前布置好的监测探头捕捉裂缝扩展过程中的微振动信号，分析信号数据后确定回采工作面煤岩界面位置，为采煤机提供精准的割煤轨迹。

发明内容

本发明的目的是通过融合井下水力压裂技术与微震监测技术确定煤岩界面，克服现有方法受采煤作业环境影响大、对设备要求高、界面识别准确率低等问题，提供一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法。

本发明采取以下技术方案：一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，包括以下步骤，S100：对回采工作面及其顶底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计；S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的施工参数，该施工参数下水力裂缝到达煤岩界面时能够沿界面扩展；S300：在采区工作面内布置微震监测设备的探头并进行设备调试；S400：按照计算得出的施工参数进行水力压裂作业；S500：煤层水力压裂过程中实时检测裂缝扩展反馈的微破裂震动信号，将信号分析处理后确定回采工作面煤岩界面的位置轨迹。

步骤S100中，回采工作面及其顶底板煤岩体的基础参数包括层厚、弹性模量、泊松比、抗拉压强度、断裂韧性以及地应力的大小和方向，其中地应力包括垂向地应力、最大水平主应力与最小水平主应力；界面的基础参数为煤-顶板界面与煤-底板界面的抗剪强度，当煤层直接顶或直接底过薄无法测试处厚度外的其他基础参数时，按煤层基础参数的1.2～1.5倍进行统计，界面抗剪强度按煤层的0.9～1.1倍进行统计。

步骤S200中，井下水力压裂的施工参数包括起裂位置、射孔方向与个数、注液速率以及压裂孔的位置与间距。

起裂位置设置在回采工作面中部；射孔方向垂直回采工作面倾向向上或向下，当煤-顶板界面与煤-底板界面的抗剪强度的差值在±10%以内，顶板和底板抗拉强度的差值在±20%以内时，采用双向对称射孔，其他条件下采用单向射孔；双向射孔时每个起裂点进行一次射孔作业即可，单向射孔时每个起裂点进行两次射孔作业，先进行上侧射孔作业，间隔20cm处进行下侧射孔左右，双向射孔与单向射孔高度均在10cm处。

压裂孔的位置在切眼中部煤层厚度1/2位置处沿煤层走向施工。压裂液类型可为清水压裂液，注液速率的合理范围根据以下不等式计算：

式中，P ₀为井筒内的水压，MPa；P ₁为水力裂缝到达界面时穿层扩展的临界水压，MPa；P ₂为水力裂缝到达界面时沿界面扩展的临界水压，MPa；q为压裂液排量，m³/s；ρ为流体的密度，kg/m³；h为裂缝高度，m；γ为压裂液黏度，mPa·s；E为储层的弹性模量，GPa；K _CC为煤层的I型断裂韧性，MPa·m^1/2；l为裂缝的半长，m；K _RC为顶板或底板的断裂韧性，MPa·m^1/2；σ _V为垂向地应力，MPa；σ _h为水平最小地应力，Mpa；π/2-α为煤层倾角，°。

步骤S300中，微震监测设备包括包括微震仪和探头，微震监测设备的探头为加速度传感器，探头的布设位置分为探头布设固定区域与探头布设移动加密区域，探头布设固定区域位于工作面切眼和采区胶带运输巷内，分上下两排布置，上排距顶板5～10cm，下排距底板5～10cm，每排布置5组探头，每组设置1～3个探头；探头布设移动加密区域位于每次起裂点前后100m的两侧的回风顺槽和辅运顺槽内，分上下两排布置，上下排分别距顶板和底板5～10cm，每排布置10组探头，每组设置3个探头。

步骤S400采用双端封堵后退式压裂方法，每次后退距离小于等于工作面切眼长度，压裂过程具体为：采用高压水割缝的方式进行射孔作业后安装封孔器和水压仪并调试，将封孔器推送至预定起裂位置后给封孔器加压至10MPa，随后给水泵通水通电开始压裂直至巷道顶底板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出停止；按照上述步骤，沿压裂孔依次由工作面停采线后退至切眼时完成压裂作业。

步骤S500的具体过程为，将实时统计的每个微震仪通道的峰值、平均值和有效值数据传输到数据分析处理软件，数据处理完成后输出破裂位置的三维散点图，进一步,对散点进行曲面拟合后可得出回采工作面的煤岩界面轨迹。

与现有技术相比，本发明通过准确设置井下压裂的施工参数，使起裂后的水力裂缝在其高度方向扩展到煤层与顶底板界面时沿界面扩展，结合微震监测技术实时记录水力裂缝扩展过程中的破裂信号，最后根据微震监测信号反演出煤岩界面的位置及其变化。本发明克服了现有方法受采煤作业环境影响大、对设备要求高、界面识别准确率低等问题。

附图说明

图1是本发明煤岩界面确定方法的流程框图；

图2是本发明煤岩界面确定方法的压裂钻孔与起裂点位置示意图；

图3是图2的剖面图；

图4是本发明双向射孔时射孔位置与高度示意图；

图5是本发明双向射孔时射孔剖面图；

图6是本发明单向射孔时射孔位置与高度示意图；

图7是本发明单向射孔剖面图；

图8是本发明所述煤岩界面确定方法的微震监测探头布设区域与各区域探头布设点位置示意图；

图9是本发明探头布设点位置示意图；

图中1-采区胶带运输巷，2-起裂点，3-压裂钻孔，4-回风顺槽，5-辅运顺槽，6-切眼，7-切眼煤壁，8-煤-顶板界面，9-煤-底板界面，10-双向射孔位置，11-上侧射孔位置，12-下侧射孔位置，13-探头布设固定区域，14-探头布设移动加密区域，15-探头布设移动加密区域，16-探头布设点，L为工作面切眼长度；h为煤层厚度；L₁为起裂点间的距离，h₁为射孔高度。

具体实施方式

本发明提供一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法。该方法的原理为：通过准确设置井下压裂的施工参数，使起裂后的水力裂缝在其高度方向扩展到煤层与顶底板界面时沿界面扩展，结合微震监测技术实时记录水力裂缝扩展过程中的破裂信号，最后根据微震监测信号反演出煤岩界面的位置及其变化。

实现本发明上述目的是通过以下技术方案实现的。

如图1所示，一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，所述煤岩界面确定方法是按下列步骤进行的。

S100：对回采工作面及其顶底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计。

回采工作面及其顶底板煤岩体的基础参数应包括层厚、弹性模量、泊松比、抗拉压强度、断裂韧性、地应力大小和方向，其中地应力应包括垂向地应力、最大水平主应力与最小水平主应力；界面的基础参数主要为煤-顶板界面与煤-底板界面的抗剪强度。当煤层直接顶或直接底过薄无法测试处厚度外的其他基础参数时，可按煤层基础参数的1.2～1.5倍进行统计，界面抗剪强度可按煤层的0.9～1.1倍进行统计。

具体过程，将回采工作面掉落的煤块、顶底板岩块与包含界面的煤岩混合块体加工成标准试件后，采用高精度伺服压力机进行弹性模量、泊松比、抗拉压强度、断裂韧性的测试；垂直于工作面煤壁开设地应力测试钻孔后将刚性钻孔变形计安装在测量孔内，通过测量解除前后变形计上的压力变化得出地应力。

S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的施工参数，该施工参数下水力裂缝到达煤岩界面时能够沿界面扩展。

井下水力压裂施工参数应包括起裂位置、射孔方向与个数、注液速率、压裂孔的位置与间距。其中，为尽量确保水力裂缝扩展过程中的对称性，如图2、3所示，起裂位置设置在工作面中部。射孔方向垂直工作面倾向向上或向下；当煤-顶板界面与煤-底板界面的抗剪强度的差值在±10%以内，顶板和底板抗拉强度的差值在±20%以内时，采用双向对称射孔（如图6、7所示），其他条件下采用交错单项射孔（如图4、5所示）；双向射孔时每个起裂点进行一次射孔作业即可，单向射孔时每个起裂点进行两次射孔作业，先进行上侧射孔作业，间隔20cm左右进行下侧射孔左右，双向与单向射孔高度均在10cm左右。压裂孔可在切眼中部煤层厚度1/2位置处沿煤层走向施工。压裂液类型可为清水压裂液，注液速率的合理范围根据以下不等式计算：

式中，P ₀为井筒内的水压，MPa；P ₁为水力裂缝到达界面时穿层扩展的临界水压，MPa；P ₂为水力裂缝到达界面时沿界面扩展的临界水压，MPa；q为压裂液排量，m³/s；ρ为流体的密度，kg/m³；h为裂缝高度，m；γ为压裂液黏度，mPa·s；E为储层的弹性模量，GPa；K _CC为煤层的I型断裂韧性，MPa·m^1/2；l为裂缝的半长，m；K _RC为顶板或底板的断裂韧性，MPa·m^1/2；σ _V为垂向地应力，MPa；σ _h为水平最小地应力，Mpa；π/2-α为煤层倾角，°。

不使用上述参数水力裂缝到达煤岩界面时无法沿界面扩展，难以达到该效果。水力裂缝到达煤岩界面时有三种扩展方式即钝化、沿界面扩展和穿层扩展，施工参数和地质条件是影响裂缝扩展方式的主要影响因素。根据流体流动和固体弹性变形耦合理论建立水力裂缝到达煤岩界面时扩展路径的判别模型，将地质参数代入模型后可以计算出三种扩展方式对应施工参数的临界值。只有将实际的施工参数设置在上述范围内时，水力裂缝才会沿界面扩展。

S300：在采区工作面内布置井下微震监测设备的探头并进行设备调试。

微震监测设备包括微震仪和探头，微震监测设备的探头为加速度传感器，加速度传感器的灵敏度为1 V/g，动态范围为104dB。如图8、9所示，探头的布设位置分为探头布设固定区域13与探头布设移动加密区域14，探头布设固定区域13位于工作面切眼6和采区胶带运输巷1内，分上下两排布置，上排距顶板5～10cm，下排距底板5～10cm，每排布置5组探头，每组设置1～3个探头；探头布设移动加密区域14位于每次起裂点2前后100m的两侧的回风顺槽4和辅运顺槽5内，分上下两排布置，上下排分别距顶板和底板5～10cm，每排布置10组探头，每组设置3个探头。

S400：按照计算得出的施工参数进行井下水力压裂作业。

水力压裂采用双端封堵后退式压裂方法，每次后退距离小于等于工作面切眼长度，压裂过程具体为：采用高压水割缝的方式进行射孔作业后安装封孔器和水压仪并调试，将封孔器推送至预定起裂位置后给封孔器加压至10MPa，随后给水泵通水通电开始压裂直至巷道顶底板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出停止。按照上述步骤，沿压裂孔依次由工作面停采线后退至切眼时完成压裂作业。

S500：煤层水力压裂过程中实时检测裂缝扩展反馈的微破裂震动信号，将信号分析处理后确定回采工作面煤岩界面的位置轨迹。

微震监测设备主要包括微震仪和监测探头。将实时统计的每个微震仪通道的峰值、平均值和有效值数据传输到微震监测设备自带的数据分析处理软件，具体处理过程为：采用小波阈值或傅里叶变换去噪方法将采集到的微地震波进行去噪与拟合处理，根据处理结果确定时窗大小与位置，结合不同介质中微地震波的速度模型，以最小二乘算法为理论基础建立速度-时间差-距离模型，通过矩阵运算即可获得破裂点的位置坐标。数据处理完成后输出破裂位置的三维散点图，进一步通过MATLAB或Origin软件对散点进行曲面拟合后可得出回采工作面的煤岩界面轨迹。将破裂位置的三维散点集中统计后形成点云，将点云中各点的x-y-z数据栅格化处理，之后调用MATLAB软件中的mesh或surf函数绘制图形即可拟合出点云的曲面图。

Claims (8)

1.一种基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：包括以下步骤，

S100：对回采工作面及其煤层顶底板处的煤岩体及界面进行基础参数测试与统计；

S200：根据统计的煤岩体与界面的基础参数计算井下水力压裂的施工参数，该施工参数下水力裂缝到达煤岩界面时能够沿界面扩展；

S300：在采区工作面内布置微震监测设备的探头并进行设备调试；

S400：按照计算得出的施工参数进行水力压裂作业；

S500：煤层水力压裂过程中实时检测裂缝扩展反馈的微破裂震动信号，将信号分析处理后确定回采工作面煤岩界面的位置轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S100中，回采工作面及其顶底板煤岩体的基础参数包括层厚、弹性模量、泊松比、抗拉压强度、断裂韧性以及地应力的大小和方向，其中地应力包括垂向地应力、最大水平主应力与最小水平主应力；界面的基础参数为煤-顶板界面（8）与煤-底板界面（9）的抗剪强度，当煤层直接顶或直接底过薄无法测试处厚度外的其他基础参数时，按煤层基础参数的1.2～1.5倍进行统计，界面抗剪强度按煤层的0.9～1.1倍进行统计。

3.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S200中，井下水力压裂的施工参数包括起裂位置、射孔方向与个数、注液速率以及压裂孔的位置与间距。

4.根据权利要求3所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：起裂位置（2）设置在回采工作面中部；射孔方向垂直回采工作面倾向向上或向下，当煤-顶板界面（8）与煤-底板界面（9）的抗剪强度的差值在±10%以内，顶板和底板抗拉强度的差值在±20%以内时，采用双向对称射孔，其他条件下采用单向射孔；双向射孔时每个起裂点进行一次射孔作业即可，单向射孔时每个起裂点进行两次射孔作业，先进行上侧射孔作业，间隔20cm处进行下侧射孔左右，双向射孔与单向射孔高度均在10cm处。

5.根据权利要求3所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：压裂孔的位置在切眼中部煤层厚度1/2位置处沿煤层走向施工，压裂液类型为清水压裂液，注液速率的合理范围根据以下不等式计算：

式中，P ₀为井筒内的水压，MPa；P ₁为水力裂缝到达界面时穿层扩展的临界水压，MPa；P ₂为水力裂缝到达界面时沿界面扩展的临界水压，MPa；q为压裂液排量，m³/s；ρ为流体的密度，kg/m³；h为裂缝高度，m；γ为压裂液黏度，mPa·s；E为储层的弹性模量，GPa；K _CC为煤层的I型断裂韧性，MPa·m^1/2；l为裂缝的半长，m；K _RC为顶板或底板的断裂韧性，MPa·m^1/2；σ _V为垂向地应力，MPa；σ _h为水平最小地应力，Mpa；π/2-α为煤层倾角。

6.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S300中，微震监测设备包括包括微震仪和探头，微震监测设备的探头为加速度传感器，探头的布设位置分为探头布设固定区域（13）与探头布设移动加密区域（14），探头布设固定区域（13）位于工作面切眼（6）和采区胶带运输巷（1）内，分上下两排布置，上排距顶板5～10cm，下排距底板5～10cm，每排布置5组探头，每组设置1～3个探头；探头布设移动加密区域（14）位于每次起裂点（2）前后100m的两侧的回风顺槽（4）和辅运顺槽（5）内，分上下两排布置，上下排分别距顶板和底板5～10cm，每排布置10组探头，每组设置3个探头。

7.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S400采用双端封堵后退式压裂方法，每次后退距离小于等于工作面切眼长度，压裂过程具体为：采用高压水割缝的方式进行射孔作业后安装封孔器和水压仪并调试，将封孔器推送至预定起裂位置后给封孔器加压至10MPa，随后给水泵通水通电开始压裂直至巷道顶底板、煤帮或钻孔中有水渗出或冒出停止；按照上述步骤，沿压裂孔依次由工作面停采线后退至切眼时完成压裂作业。

8.根据权利要求1所述的基于水力压裂与微震监测技术的煤岩界面确定方法，其特征在于：所述的步骤S500的具体过程为，将实时统计的每个微震仪通道的峰值、平均值和有效值数据传输到数据分析处理软件，数据处理完成后输出破裂位置的三维散点图，进一步,对散点进行曲面拟合后可得出回采工作面的煤岩界面轨迹。

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