一种用于确定煤体各向异性的三维监测综合方法

1.本发明涉及一种用于确定煤体各向异性的三维监测综合方法，尤其适用于特厚煤层全局结构分布及空间三维各向异性的精细表征。


背景技术：

2.随着矿井开采深度的不断增加，煤层厚度和地应力也随之增大。煤基质的属性精准监测成为深部较厚煤层安全开采的首要前提。煤层属性主要包括煤体变质程度、煤体孔隙率、煤体矿物组分、煤体渗透性等，这些属性参数均与各向异性存在密切关系。比如，煤体变质程度低，基质成熟度相对较低，孔隙率相对较大，形成煤体在孔隙结构、受力方向、渗透率等方面的各向异性。煤体基质的各向异性对煤体瓦斯含量分布及渗流运移同样也会产生一定程度的影响。孔隙结构连通性较差时，容易在煤基质内部形成多个独立的“瓦斯包”，可能会对煤层瓦斯含量及压力测试造成一定程度的影响，同时，各向异性较大的煤体基质在地应力的作用下，采用强化致裂增透措施所引起的裂隙发育、起裂具有很大的方向随机性，很难做到裂隙发育的方向可控。因此，煤体各向异性的确定对于探明煤体资源、瓦斯含量分布及宏观裂隙结构具有重要意义。
3.目前主要通过钻探和物探的方式对煤体各向异性进行测试，其中钻探方式是指通过钻取大量岩心，并根据对岩心孔隙结构等基本性质进行测试确定煤层的各向异性，但是由于该方式样品取样位置随机性较强，且样品取芯位置不能代表煤层整体，因此获得数据对于煤层整体来说存在一定误差。同时，对岩心的测试手段主要包括压汞法、sem、ct扫描法等，这些测试手段对样品尺寸具有一定的要求，测试范围较为有限，不能够反映所有的地层信息。而物探主要是借助巷道超前探测仪等检测手段对煤层结构进行探测，其探测范围较广，但是由于其施工地点一般布置在煤巷内，使得物探技术的信号接收容易受到煤层矿物质、气体、水等因素的影响发生较大衰减，接收信号强度及测试精度存在较大的误差。同时监测地点布置及探头的下放等都具有距离要求，震源与探头之间及相邻探头之间若距离较远，则接收信号强度较小，可能会因为门槛值设置遗漏掉某种信号的重要信息；而若距离较近，则会使测试工作量和测试成本大幅增加。
4.因此，如何提供一种方法，能在提高对煤体各向异性的监测精度及增加对煤体的探测范围情况下，还能有效节省监测成本，为煤层、页岩气储层、油气储层的非均质性探测提供数据支撑，是本行业的研究方向之一。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于确定煤体各向异性的三维监测综合方法，能在提高对煤体各向异性的监测精度及增加对煤体的探测范围情况下，还能有效节省监测成本，为煤层、页岩气储层、油气储层的非均质性探测提供数据支撑。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于确定煤体各向异性的三维监测综合方法，具体步骤为：
7.a、从岩巷顶板向待测厚煤层钻设多组穿层钻孔组，且各个穿层钻孔组的钻孔角度不同，每个穿层钻孔组均由多个穿层钻孔组成，且同组内各个穿层钻孔的钻孔方向平行；各穿层钻孔组均穿过煤层厚度直至煤层顶部与岩体结合处，然后利用岩心取芯机对各穿层钻孔组处于煤层内不同深度的位置进行取芯，接着将获取的煤芯作好标记并送至样品养护室内进行定期养护；
8.b、利用钻孔窥视仪对各穿层钻孔组取芯位置的钻孔壁依次进行可视化探测，且在取芯位置每移动0.1m，输出一次拍摄的钻孔壁图像，最后通过多次图像集成，获取整个取芯位置的钻孔壁图像，进而识别出钻孔壁上存在的层理、割理结构信息；
9.c、选择一组穿层钻孔组，将超声波发射装置放入该组内其中一个穿层钻孔直至钻孔最深处，所述超声波发射装置上设有多个超声波发射探头，超声波发射探头的数量与该组内其余穿层钻孔的数量相同、且各个超声波发射探头在该穿层钻孔内分别一一对应朝向该组内其余穿层钻孔，该组内其余穿层钻孔分别放入一个超声波接收探头，各个超声波接收探头分别达到各个穿层钻孔的最深处、且各个超声波接收探头均朝向放入超声波发射装置的穿层钻孔；然后对该组内所有穿层钻孔均采用胶囊封孔器封孔，使各个穿层钻孔内在靠近孔口的位置形成胶囊封孔段；所述胶囊封孔器上装有穿过胶囊封孔器的进液管和回液管，进液管一端和回液管一端均设有阀门、且回液管另一端伸入至穿层钻孔的最深处；打开进液管和回液管的阀门，采用注入泵将耦合剂以一定压力通过进液管分别注入各个穿层钻孔内，直至回液管一端流出耦合剂时，关闭回液管的阀门，并持续保压一段时间后停止耦合剂注入，并将进液管的阀门关闭，使各个穿层钻孔内均分成耦合剂充填段、胶囊封孔段和剩余钻孔段；
10.d、开启超声波发射装置，使其各个超声波发射探头同时向该组内其余穿层钻孔发射频率相同的超声波，该组内其余穿层钻孔内各个超声波接收探头分别接收各自对应的超声波发射探头发出的超声波信号，均传递给超声波数据分析仪，超声波数据分析仪对超声波信号衰减信息进行反演，从而得出超声波发射装置所处穿层钻孔与其余各个穿层钻孔间在该深度位置的煤体基质信息；接着将超声波发射装置及各个超声波接收探头在各自穿层钻孔内均向孔口方向移动相同距离，并重复上述超声波发射及接收过程，从而得出超声波发射装置所处穿层钻孔与其余各个穿层钻孔间在当前深度位置的煤体基质信息；如此重复，直至超声波发射装置及各个超声波接收探头在各自穿层钻孔内到达胶囊封孔器时，停止超声波监测过程，进而获得步骤a所取该穿层钻孔组内各个不同深度位置煤芯周围的煤体基质信息；对其余穿层钻孔组依次重复步骤c和d，获得各穿层钻孔组内各个不同深度位置煤芯周围的煤体基质信息；
11.e、将步骤a标记的各穿层钻孔组煤芯分别采用低场核磁共振技术、应力孔渗测试方法及三向纵波测试方法对煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性进行实验室测试，获取各穿层钻孔组不同深度位置煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性数据；
12.f、将步骤b和d通过现场测试获得的数据信息与步骤e通过实验室测试获得数据结果进行综合分析，将所有数据通过重叠数据筛选、异常数据剔除处理，将筛选后的数据随机分成训练组和测试组，通过bp优化算法对训练组进行训练后创建bp神经网络，接着利用创建的bp神经网络对测试组进行测试，最终经过测试后获得非均质特性数据模型，后续获得不同深度位置的参数输入至该数据模型即能计算得到对应位置的非均质特性，从而确定煤
体各向异性。
13.进一步，所述步骤a中每个穿层钻孔组均由9个穿层钻孔组成，且9个穿层钻孔呈3
×
3矩形阵列布置，相邻钻孔之间的间距为1m；每个穿层钻孔直径为150mm；取芯时在各个穿层钻孔内每隔0.5m取一次煤芯，直至岩心取芯机达到煤层顶部与岩体结合处时，停止取芯；所述钻取煤芯的尺寸为直径25mm、高度为50～60mm的圆柱体和直径80mm～100mm的圆柱体。
14.进一步，所述步骤c中胶囊封孔段的长度为穿层钻孔长度的三分之一；所述耦合剂的注入压力为2～3mpa。
15.进一步，所述超声波发射装置上设有8个超声波发射探头，8个超声波发射探头能同时释放同等频率的超声波信号；各个超声波发射探头与其对应的超声波接收探头之间的对向角度偏移量不超过5
°
，超声波发射装置放入各穿层钻孔组内中心位置的穿层钻孔内；所述步骤d中超声波发射装置及各个超声波接收探头在各自穿层钻孔内每次移动距离为0.5m。
16.进一步，所述步骤e的具体过程为：
17.对钻取煤芯分别进行真空脱水脱气及完全饱水处理，利用低场核磁共振技术测试得到饱水状态下的t2弛豫分布曲线；对饱水煤芯进行离心处理，同样利用低场核磁共振技术测试获得离心状态下的t2弛豫分布曲线；通过饱水-离心联测方法处理t2弛豫幅值差后，获得自由水空间占比，通过t2弛豫幅值差与孔隙度之间的线性关系，得到饱水、离心两种状态下的总孔隙率和残余孔隙率，二者之差等于有效孔隙率，最后根据sdr模型计算得到不同深度煤芯的核磁渗透率；
18.将煤芯置于应力三向非均质性的夹持器腔体中，通过施加不同荷载，获得煤芯在三个不同方向上的应力、渗透率敏感性数据；
19.对煤芯三个不同正交方向上不同测点位置的纵波进行测试，通过计算声波各向异性系数、波速比值、波列图分布参数获得煤体结构各向异性特征；其中，声波各向异性系数：
20.波速比值：
21.最终得到各穿层钻孔组不同深度位置煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性数据。
22.与现有技术相比，本发明采用现场探测和实验室测试相结合的方式，对煤体各向异性特征进行全面表征；在实验室测试方面借助低场核磁共振技术、应力孔渗测试方法和三向纵波测试方法对不同深度煤芯的孔隙结构、应力、渗透率敏感性进行测试并获取对应数据，揭示不同深度煤层孔隙结构空间分布差异性、三向渗透率和应力受载非均一性与煤体各向异性之间的对应关系；在现场探测方面通过钻孔窥视仪获取对不同深度钻孔壁面上
的层理或弱面结构位置及周向分布数据，并通过特定的穿层钻孔位置布设及超声波收发系统的探测方式及位置布设，从而能获得探测钻孔间不同深度煤体基质信息，该信息包括不同深度煤体基质断层、大型割理层理、溶洞数据，然后上述进行现场探测数据和实验室测试获得数据结果进行综合分析，将所有数据通过重叠数据筛选、异常数据剔除及综合数据反演后，计算得出煤层不同深度位置的非均质性系数，最终获得煤层各向异性的评估准则。综上所述，本发明通过对同一钻孔先进行不同深度煤芯钻取，接着对该钻孔进行二次利用，通过钻孔窥视技术和超声波探测技术进行煤层探测，无需再进行钻孔作业，不仅能提高对煤体各向异性的监测精度及增加对煤体的探测范围，而且能有效节省监测成本，为煤层、页岩气储层、油气储层的非均质性探测提供数据支撑。
附图说明
23.图1是本发明的整体布设示意图。
24.图2是本发明中穿层钻孔组内9个穿层钻孔的空间布置图。
25.图3是本发明中进行封孔及耦合剂注入后各个穿层钻孔的内部示意图。
26.图4是本发明中超声波发射装置的整体结构示意图。
27.图5是本发明中超声波发射及接收的原理结构图。
28.图中：1-岩巷；2-待测厚煤层；3-穿层钻孔组；3-1-中心位置的穿层钻孔；3-2-其余穿层钻孔；4-超声波发射装置；5-信号传输线；6-超声波数据分析仪；6-1-超声波发射探头；6-2-超声波接收探头；6-3-超声波信号显示器；7-胶囊封孔器；a-胶囊封孔段；b-耦合剂充填段；c-剩余钻孔段。
具体实施方式
29.下面将对本发明作进一步说明。
30.如图1所示，本发明具体步骤为：
31.a、从岩巷1顶板向待测厚煤层2钻设多组穿层钻孔组3，且各穿层钻孔组3的钻孔角度不同，每个穿层钻孔组3均由9个穿层钻孔组成，且同组内9个穿层钻孔的钻孔方向平行；如图2所示，9个穿层钻孔呈3
×
3矩形阵列布置，相邻钻孔之间的间距为1m；每个穿层钻孔直径为150mm；各穿层钻孔组3均穿过煤层厚度直至煤层顶部与岩体结合处，然后利用岩心取芯机对各穿层钻孔组处于煤层内不同深度的位置进行取芯，取芯时在各个穿层钻孔内每隔0.5m取一次煤芯，直至岩心取芯机达到煤层顶部与岩体结合处时，停止取芯；所述钻取煤芯的尺寸为直径25mm、高度为50～60mm的圆柱体和直径80mm～100mm的圆柱体，接着将获取的煤芯作好标记并送至样品养护室内进行定期养护；
32.b、利用kdvj-400型矿用钻孔窥视仪对各穿层钻孔组取芯位置的钻孔壁依次进行可视化探测，且在取芯位置每移动0.1m，输出一次拍摄的钻孔壁图像，最后通过多次图像集成，获取整个取芯位置的钻孔壁图像，进而识别出钻孔壁上存在的层理、割理结构信息；
33.c、选择一组穿层钻孔组3，将超声波发射装置4放入该组内中心位置的穿层钻孔3-1直至钻孔最深处，并通过信号传输线5与钻孔外部控制装置连接，如图4所示，所述超声波发射装置4上设有8个超声波发射探头6-1，8个超声波发射探头6-1能同时释放同等频率的超声波信号；且各个超声波发射探头6-1在该穿层钻孔内分别一一对应朝向该组内8个其余
穿层钻孔3-2，8个其余穿层钻孔3-2分别放入一个超声波接收探头6-2，各个超声波接收探头6-2分别达到各个穿层钻孔的最深处、且各个超声波接收探头6-2均朝向该组中心位置的穿层钻孔3-1，各个超声波发射探头6-1与其对应的超声波接收探头6-2之间的对向角度偏移量不超过5
°
；然后对该组内所有穿层钻孔均采用胶囊封孔器7封孔，使各个穿层钻孔内在靠近孔口的位置形成胶囊封孔段a，胶囊封孔段a的长度为穿层钻孔长度的三分之一；所述胶囊封孔器7上装有穿过胶囊封孔器7的进液管和回液管，进液管一端和回液管一端均设有阀门、且回液管另一端伸入至穿层钻孔的最深处；打开进液管和回液管的阀门，采用注入泵将耦合剂以2～3mpa压力通过进液管分别注入各个穿层钻孔内，直至回液管一端流出耦合剂时，关闭回液管的阀门，并持续保压一段时间后停止耦合剂注入，并将进液管的阀门关闭，如图3所示，使各个穿层钻孔内均分成耦合剂充填段b、胶囊封孔段a和剩余钻孔段c；
34.d、如图5所示，开启超声波发射装置4，使其各个超声波发射探头6-1同时向该组内其余穿层钻孔3-2发射频率相同的超声波，该组内其余穿层钻孔3-2内各个超声波接收探头6-2分别接收各自对应的超声波发射探头6-1发出的超声波信号，均传递给超声波数据分析仪6，超声波数据分析仪6对超声波信号衰减信息进行反演，并通过超声波信号显示器6-3显示接收的超声波信号，从而得出超声波发射装置4所处穿层钻孔与其余各个穿层钻孔间在该深度位置的煤体基质信息；接着将超声波发射装置4及各个超声波接收探头6-2在各自穿层钻孔内均向孔口方向移动0.5m，并重复上述超声波发射及接收过程，从而得出超声波发射装置4所处穿层钻孔与其余各个穿层钻孔间在当前深度位置的煤体基质信息；如此重复，直至超声波发射装置4及各个超声波接收探头6-2在各自穿层钻孔内到达胶囊封孔器7时，停止超声波监测过程，进而获得步骤a所取该穿层钻孔组3内各个不同深度位置煤芯周围的煤体基质信息；对其余穿层钻孔组依次重复步骤c和d，获得各穿层钻孔组3内各个不同深度位置煤芯周围的煤体基质信息；
35.e、将步骤a标记的各穿层钻孔组3煤芯分别采用低场核磁共振技术、应力孔渗测试方法及三向纵波测试方法对煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性进行实验室测试，获取各穿层钻孔组3不同深度位置煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性数据，具体为：
36.对钻取煤芯分别进行真空脱水脱气及完全饱水处理，利用低场核磁共振技术测试得到饱水状态下的t2弛豫分布曲线；对饱水煤芯进行离心处理，同样利用低场核磁共振技术测试获得离心状态下的t2弛豫分布曲线；通过饱水-离心联测方法处理t2弛豫幅值差后，获得自由水空间占比，通过t2弛豫幅值差与孔隙度之间的线性关系，得到饱水、离心两种状态下的总孔隙率和残余孔隙率，二者之差等于有效孔隙率，最后根据sdr模型计算得到不同深度煤芯的核磁渗透率；
37.将煤芯置于应力三向非均质性的夹持器腔体中，通过施加不同荷载，获得煤芯在三个不同方向上的应力、渗透率敏感性数据；
38.对煤芯三个不同正交方向上不同测点位置的纵波进行测试，通过计算声波各向异性系数、波速比值、波列图分布参数获得煤体结构各向异性特征；其中，声波各向异性系数：
39.波速比值：
40.最终得到各穿层钻孔组不同深度位置煤芯的孔隙结构、应力敏感性及渗透率各向异性数据；
41.f、将步骤b和d通过现场测试获得的数据信息与步骤e通过实验室测试获得数据结果进行综合分析，由于同一穿层钻孔组内不同深度煤芯周围的岩体之间因为断层、多尺度孔裂隙、流体等信息的存在会表现出不同的基础力学特征，在钻孔现场测试过程当中，会由于地层结构相同出现部分重叠数据和异常数据，为获得钻孔测试的有效数据，需要将重叠数据和异常数据进行剔除，因此将所有数据进行重叠数据筛选、异常数据剔除，将筛选后的数据随机分成训练组和测试组，通过bp优化算法对训练组进行训练后创建bp神经网络，接着利用创建的bp神经网络对测试组进行测试，最终经过测试后获得非均质特性数据模型，为后续获得不同深度位置的参数输入至该数据模型即能计算得到对应位置的非均质特性，从而确定煤体各向异性。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。