一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法技术

本发明专利技术公开了一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，包括以下具体步骤：1）在煤层巷道壁面的测试段上建立测试坐标系；2）计算煤层巷道塑性区半径R；3）在1）中建立的坐标系中，垂直煤层巷道壁面打一个注气孔，分别在x轴方向、y轴方向、xy45°方向的一定距离处各施工一个垂直煤层巷道壁面的流量测定孔；4）将注气孔和流量测定孔进行封孔，每个孔设置一个孔径相同的导气装置；5）将压缩气体注入注气孔，等待流量测定孔的气体流量稳定后，测定各流量测定孔的气体流量；6）计算确定x、y平面上任何方向的各向异性透气性系数。本发明专利技术实现了煤层各向异性透气性系数的测定，克服了传统方法无法区分透气性系数各向异性的不足。

A Method for Determining Anisotropic Permeability Coefficient of Coal Seam by Underground Gas Injection

The invention discloses a method for determining the anisotropic permeability coefficient of coal seam by underground gas injection, which includes the following specific steps: 1) establishing a test coordinate system on the test section of the wall of coal seam roadway; 2) calculating the radius R of the plastic zone of coal seam roadway; 3) in the coordinate system established in 1), drilling a gas injection hole on the wall of vertical coal seam roadway, respectively, in the direction of X axis, Y axis and X Y 45 degrees. Construction of a vertical coal seam roadway wall flow measurement hole at a certain distance; 4) sealing the gas injection hole and flow measurement hole, each hole with the same diameter of a gas guide device; 5) injecting compressed gas into the gas injection hole, waiting for the gas flow of the flow measurement hole to stabilize, measuring the gas flow of each flow measurement hole; 6) calculating and determining any direction on the x, y plane; Anisotropic permeability coefficient. The invention realizes the determination of the anisotropic permeability coefficient of coal seam, and overcomes the shortcoming that the traditional method can not distinguish the anisotropy of the permeability coefficient.

【技术实现步骤摘要】
一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法
本专利技术属于煤矿瓦斯抽采
，涉及井下瓦斯煤层透气性测试方法，尤其涉及一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的测试方法。
技术介绍
煤层瓦斯的主要成分为甲烷，是一种煤矿灾害致灾气体，同时也是一种高热值的洁净能源。抽采瓦斯具有三方面的社会和经济效益：（1）可防治煤矿瓦斯灾害，有效降低瓦斯突出和瓦斯爆炸危险；（2）瓦斯是一种温室效应气体，排放到大气中10年后可变成二氧化碳，极大的增加了二氧化碳的捕获难度，煤矿井下抽采瓦斯可起到减排温室气体，治理环境的作用；（3）瓦斯是一种高热值的非常规天然气，抽采瓦斯可为我国天然气供应提供补充，符合我国能源结构调整，鼓励洁净能源开发的产业政策。2014年，全国煤矿发生瓦斯事故47起，死亡266人，虽然近几年煤矿瓦斯事故逐年下降，但瓦斯事故总量依然较大，重大瓦斯事故没有得到有效遏制，煤矿瓦斯防治形势依然严峻。抽采瓦斯是防治瓦斯灾害事故的根本措施，2014年我国共抽采瓦斯170亿方，井下瓦斯抽采133亿方，地面抽采37亿方，井下抽采依然是目前瓦斯抽采的主体。2015年最新发布的《煤层气行动战略计划》提出，到2020年，我国井下瓦斯抽采量要达到200亿方。煤层透气性系数反映了瓦斯流动的难易程度，是评价瓦斯抽采能力和瓦斯突出危险性的关键参数，是瓦斯抽采设计中钻孔布置的重要依据。煤层瓦斯抽采工程实践表明，煤层的透气性存在各向异性，即煤层各方向的瓦斯流动难易程度存在较大差别，因而，测定煤层不同方向的透气性系数对合理设计瓦斯抽采工程具有至关重要的作用。目前，我国煤矿安全领域主要采用单孔径向流量法测定煤层透气性系数，这种方法假定煤层透气性系数各向同性，即，钻孔径向各个方向的透气性系数是相同的，瓦斯从径向方向流向钻孔，仅能得出一个综合的透气性系数，无法区分瓦斯流量来自哪个方向，因而这种方法不能反映煤层透气性的各向异性性质。同时，这种测试方法需要事先测定煤层原始瓦斯压力，待瓦斯压力稳定后再开始每天的瓦斯自然流量，一般需要30天以上，存在测定周期长的不足。为反映煤层渗透性的各向异性性质，曾有研究者拍摄了掘进工作面前方煤体图像，采用图像识别技术分析了煤体的裂隙分布，统计分析了煤层渗透性的各向异性性质，但这种方法仅能反映煤体表层的渗透性各向异性性质，无法测出煤体内部的各向异性透气性分布。同时，由于巷道壁面受到了采动的影响，这种方法拍摄出的图像反映的仅是采动后的裂隙分布，不是深部原始煤体的裂隙，因而不能反映原始煤体透气性系数的各向异性性质。中国专利201310317597.8公布了一种煤层透气性系数测试方法，采用的是注入示踪气体，但也假定了煤层透气性各向同性，不能测定煤层透气性系数的各向异性。另外，这种方法在注入流体尚未进入稳定流动阶段时即开始计算流速，将非稳定流速计为稳定流速，存在原理上的不足，同时未对孔径大小、孔间距做出说明，测试的准确性上存在较大不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，以解上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，包括以下具体步骤：（1）在开采煤层的运输巷或风巷内，选择煤层较为完好、无断层、无破碎、无抽采孔影响的一段煤层巷道壁面，在煤层巷道壁面的测试段上建立测试坐标系；（2）在测试段区域以外钻取煤芯标准试件，测定煤的物理力学参数，计算煤层巷道塑性区半径R；（3）在（1）中建立的坐标系中，以坐标零点为开钻点，垂直于煤层巷道壁面打一个钻孔，将此孔作为注气孔，注气孔的深度大于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；分别在x轴方向、y轴方向、xy45°方向的一定距离处，各施工一个垂直于煤层巷道壁面的钻孔，作为流量测定孔，流量测定孔的深度不小于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；（4）将注气孔和流量测定孔进行封孔，封孔深度均不小于塑性区半径R减去巷道半径R0的长度，且小于注气孔或流量测定孔的深度；煤巷塑性区内侧为弹性区，注气孔和流量测定孔与弹性区形成煤层气室；注气孔和流量测定孔封时每个孔设置一个孔径相同的导气装置，所述导气装置连通煤层气室和煤层巷道；（5）将压缩气体注入注气孔，等待流量测定孔的气体流量稳定后，测定各流量测定孔的气体流量；（6）根据压缩气体的动力粘性系数和注气压力、注气孔与流量测定孔连线的孔边距离、测量的各流量测定孔压力和气体流量关系计算各测定方向的透气性系数的大小λx、λy、λxy45，根据λx、λy、λxy45确定x、y平面上任何方向的各向异性透气性系数。优选的，所述导气装置为导气铁管，所述导气铁管伸入煤层壁面的深度与煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度相同。优选的，所述压缩气体为空气、二氧化碳、氮气和氦气中的一种气体。优选的，所述压缩气体的压力为3-6MPa。优选的，注气孔与x方向、y方向流量测定孔的孔间距为0.5～1m，注气孔与xy45°方向流量测定孔的孔间距为0.7～1.5m。优选的，注气孔与x方向和与y方向流量测定孔的孔间距均为600mm，注气孔与xy45°方向流量测定孔的孔间距为600mm。优选的，所述注气孔和流量测定孔的孔直径为120mm。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术通过在坐标零点和x轴方向、y轴方向、xy45°方向的一定距离处钻孔，通过注气孔注入压缩气体，流量测定孔测定气体流量及压力的方法，实现了煤层各向异性透气性系数的测定，克服了传统方法无法区分透气性系数各向异性的不足。此测试方法简便易行，测定时间短，无需测定原始瓦斯压力，缩短了等待时间。2、本专利技术的注气孔和流量测定孔的深度均不小于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度封孔深度均不小于塑性区半径R减去巷道半径R0的长度，且小于注气孔或流量测定孔的深度避开了巷道周边塑性区、破碎区漏气对透气性系数测定准确性的影响；3、做为压缩气体气源的空气、二氧化碳、氮气、氦气等气体来源广泛，对井下注气提高瓦斯抽采率等工程措施提供了现实的直接可用的计算参数，因此适用范围广。4、通过本专利技术公开的的注气方法可获得煤层巷道帮壁平面内任意方向的透气性系数大小，采用本专利技术测定的各向异性透气性系数，可计算各种注气促抽瓦斯工程的注气压力分布、注气影响距离、注气时间，评估各种注气能力，并据此设计注气参数，节省了试验时间和工程量。附图说明图1是煤层巷道壁面上注气孔与流量测定孔及设备连接示意图；图2是图1中A-A处的剖面图；图3是煤层巷道壁面上注气孔与流量测定孔钻孔布置位置及尺寸示意图；图4是各向异性透气性系数莫尔圆示意图。图中所示：1-煤层巷道壁面，2-注气孔，3-导气铁管，4-取样孔，5-空压机，6-压力表，7-流量测定孔，8-流量表，9-阀门，10-弹性区，11-煤层气室，12-煤层巷道，13-塑性区。具体实施方式实施例1以下结合附图1-4进一步说明本专利技术的实施例1。一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，包括如下具体步骤：（1）在井下埋深为H的运输巷或风巷等煤层巷道12内，选择煤层较为完整、无构造、无破碎、无抽采孔影响的一段煤层巷道12，在测试段煤层巷道壁面1上标定测定坐标系，以煤层巷道壁面1某点为坐标零点，从零点开始，水平向右为x方向，垂直向上为y方向，以此标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：（1）在开采煤层的运输巷或风巷内，选择煤层较为完好、无断层、无破碎、无抽采孔影响的一段煤层巷道壁面，在煤层巷道壁面的测试段上建立测试坐标系；（2）在测试段区域以外钻取煤芯标准试件，测定煤的物理力学参数，计算煤层巷道塑性区半径R；（3）在（1）中建立的坐标系中，以坐标零点为开钻点，垂直于煤层巷道壁面打一个钻孔，将此孔作为注气孔，注气孔的深度大于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；分别在x轴方向、y轴方向、xy45°方向的一定距离处，各施工一个垂直于煤层巷道壁面的钻孔，作为流量测定孔，流量测定孔的深度不小于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；（4）将注气孔和流量测定孔进行封孔，封孔深度均不小于塑性区半径R减去巷道半径R0的长度，且小于注气孔或流量测定孔的深度；煤巷塑性区内侧为弹性区，注气孔和流量测定孔与弹性区形成空间为煤层气室；注气孔和流量测定孔封时每个孔设置一个孔径相同的导气装置，所述导气装置连通煤层气室和煤层巷道；（5）将压缩气体注入注气孔，等待流量测定孔的气体流量稳定后，测定各流量测定孔的气体流量；（6）根据压缩气体的动力粘性系数和注气压力、注气孔与流量测定孔连线的孔边距离、测量的各流量测定孔压力和气体流量关系计算各测定方向的透气性系数的大小、、，根据、、确定x、y平面上任何方向的各向异性透气性系数。...

【技术特征摘要】
1.一种井下注气测定煤层各向异性透气性系数的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：（1）在开采煤层的运输巷或风巷内，选择煤层较为完好、无断层、无破碎、无抽采孔影响的一段煤层巷道壁面，在煤层巷道壁面的测试段上建立测试坐标系；（2）在测试段区域以外钻取煤芯标准试件，测定煤的物理力学参数，计算煤层巷道塑性区半径R；（3）在（1）中建立的坐标系中，以坐标零点为开钻点，垂直于煤层巷道壁面打一个钻孔，将此孔作为注气孔，注气孔的深度大于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；分别在x轴方向、y轴方向、xy45°方向的一定距离处，各施工一个垂直于煤层巷道壁面的钻孔，作为流量测定孔，流量测定孔的深度不小于煤巷塑性区半径R减去巷道半径R0的长度；（4）将注气孔和流量测定孔进行封孔，封孔深度均不小于塑性区半径R减去巷道半径R0的长度，且小于注气孔或流量测定孔的深度；煤巷塑性区内侧为弹性区，注气孔和流量测定孔与弹性区形成空间为煤层气室；注气孔和流量测定孔封时每个孔设置一个孔径相同的导气装置，所述导气装置连通煤层气室和煤层巷道；（5）将压缩气体注入注气孔，等待流量测定孔的气体流量稳定后，测定各流量测定孔的气体流量；（6）根据压缩气体的动力粘性系数和注气压力、注气孔与流量测定孔连线的孔边距离、测量的各流量测定孔压力和气体流量关...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，马树俊，彭建松，陈金生，刘军，陈向军，王林，戚灵灵，袁军伟，许彦鹏，安丰华，王立国，陈立伟，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41