1、“863计划计划”主题项目主题项目-“煤炭地下气化产业化关键技术煤炭地下气化产业化关键技术”地下气化地应力监测技术地下气化地应力监测技术课题二课题二“气化工作面综合探测技术气化工作面综合探测技术”汇报人：杨彬汇报人：杨彬二一五年三月二一五年三月2 2目录目录项目概况项目概况1 1项目任务及指标项目任务及指标2 2项目完成情况项目完成情况3 3 3 3技术成果与分析技术成果与分析4 4 4 4项目总结项目总结3 3 5 5一、项目概况 地应力监测项目是863课题二燃空区综合探测技术之燃烧(空)区纵向位移钻孔直接探测技术的主要实现方法。利用应力应变传感器测量在燃空区上方由于顶板冒落或是变形引起的地
2、应力变化，进而推测燃空区的范围，为气化面综合探测技术提供燃空区的物理模型提供边界条件。同时通过地应力测量可对燃烧（空）区上覆煤岩层的移动、开裂，地表沉陷和气化炉状态进行监控，及时对环保提出预警，防止发生污染。根据常规采煤时顶板运动规律，煤层顶板具有初次来压及周期跨落特征，而相应位置的应力变化也随之发生变化，监测顶板应力可以反应空区变化情况。通过理论和实验模拟的结果，选择顶板合适位置下入地应力测量装置应该可以测到顶板应力变化。一、项目概况 淼晶磊（北京）科技有限公司自创立之初就致力于地应力的观测与研究工作，与中国地质科学院地质力学研究所有良好的合作关系。我国从20世纪60年代开始岩石钻孔中地应力
3、测量研究，由于广东新丰江水库地震（1964年）和河北邢台大地震（1966年），李四光先生提出要开展活动断裂带地应力测量和监测工作，历经近50年，中国地质科学院地质力学研究所始终坚持这项艰苦的工作，使地应力测量成为中国人创立的地质力学研究中一个最闪亮的点。主要成绩：使地学界、工程界普遍认可了地层中岩石内部确实存在不同的应力状态，地壳表层是以水平应力为主导；甘肃金川镍矿；青藏铁路勘测测量到2001年昆仑山8.1级地震一、项目概况 地应力监测系统由四部分组成：采集监控中心、通讯网络、现场应力采集设备和数据浏览分析。一、项目概况90mm应力应变组合传感器 当结构物受力或因温度变化发生线性伸缩变形时，与
4、结构物刚性固连的应变计产生同步变形，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的固有振动频率。激励与信号拾取装置激励振弦使其发生谐振，同时拾取其振动频率信号，此信号经电缆传输至读数装置。针对在第三系半成岩地层，传感器安装难度大的问题，在压磁应力测量元件的径向滑块中嵌入了一个应力环，同时适当加大同孔壁接触滑块的端面积，这样不仅可以消除温度变化等外界因素的影响，还提高了测量数据的稳定性。一、项目概况信号处理器 将应力应变组合传感器测量到的信号经过放大、处理、修正后传输到通讯采集器，信号处理器安装在深井中。通讯采集器 由数据采集器、海量存储器、通讯模块三部分组成，将模拟信号转换成数字信号
5、，并将数据存储在海量存储器中，海量存储器可存储几十年的数据，定时通过GPRS无线网将数据实时传输到INTERNET公网上的数据管理中心，发送数据的时间间隔可自行设置，可接入4路模拟信号和4路数字信号。智能遥测防雷电源系统 智能遥测防雷电源系统由防雷电源插座、开关电源、锂电池、控制系统、远程遥控模块和机柜六部分组成。系统采用主备双锂电池供电，交流电只是通过开关电源给锂电池充电，在停电的情况下，充足电的锂电池可连续向地应力监测台站供电5天。为了防止地应力监测台站免受感应雷的雷击，课题组首先采用防雷电源插座，在安装布线时采取相应的防雷措施。一、项目概况软件系统 在软件架构上分为两部分，分别是采集监控
6、中心和管理分析中心。二、项目任务及指标1.1.项目任务项目任务 根据863课题要求，利用地下气化区地应力观测孔，在钻孔里240米以上布置一个应力应变传感器，在线观测随气化工作面的推移顶板及上覆岩层应力应变变化和地层温度变化情况。2.2.主要主要技术指标技术指标（1）应力应变传感器：测程：-5MPa-+5MPa（-2.5MPa-+2.5MPa）（线性范围），有效测程可到-15MPa-+15MPa测量分辨率：1hPa测量精度：优于0.1%（2）温度传感器：测量范围：0-60 分辨率：0.02 精度：0.1三、项目完成情况地应力监测孔位置及探头下放深度的确定地应力监测孔位置的选择 根据工艺及前期的钻
7、进工作得出燃空区的影响范围在横向上为1520米，地应力监测孔设定在距定8通道10米左右。地应力孔尽量和测温孔靠近，用以对照地应力变化和煤层温度变化关联性，所以位置设在距离JC6，5-10米处。乌兰察布燃空区覆岩运动与裂隙发育规律研究报告：单点地应力变化规律，先增大后降低再稳定。三、项目完成情况地应力监测孔深度的确定 目的是利用应力应变传感器测量在燃空区上方由于顶板冒落或是变形引起的地应力变化，进而推测燃空区的范围。传感器尽量安装在弯曲下沉带，向下不能超过裂隙发育带，且岩石较完整，有足够的硬度。l 乌兰察布燃空区覆岩运动与裂隙发育规律研究报告的结论：最大冒落高度为11-13m，裂隙带的发育高度达
8、到28m。l 在试验的19#孔燃空区附近打三个验证孔用以验证燃空区位置，19#孔煤层深度为272.97-284.68米。结果是验证孔1在燃空区正上方，漏浆深度为241米，已经是裂隙发育带的顶部；验证孔2漏浆深度261米；验证孔3没有漏浆。l 距离地应力孔最近的两个孔15#孔顶板深度262.45米，28#孔顶板深度262.65米三、项目完成情况验证孔位置及剖面图验证孔位置及剖面图三、项目完成情况三、项目完成情况地应力监测设备下放方案钻孔结构技术要求：岩石完整，有足够的硬度钻孔平直，同心度好；井内干净，无岩粉、无泥浆；井内部有适度的套筒，确保孔壁不垮塌。针对内蒙古乌兰察布盟地层的岩石结构，岩石不够
9、坚硬、岩芯不够完整、遇水易松软等特点，以及目前安装位置岩芯的情况无法预知，因此我们制定三套安装方案。（1）带浆安装法（2）护套安装法（3）二次成孔法三、项目完成情况l 2012年10月施工完成地应力监测孔，孔深227米。采用护套安装方案，即在传感器的外层穿一件0.2-0.4mm的不锈钢外衣，在外衣上位于两测量元件方位分界线上刻有易拉槽，下放过程中，该外套可以护孔壁保持完整，从而使加载容易，加载完成后易拉槽自然撕裂不影响方向测量。11月进行地应力监测系统的下放和调试，从而实现地应力的在线监测。数据监测自2012年11月6日开始，数据平稳。l 2013年6月5日，地应力监测系统异常，不能正常显示数
10、据，经淼晶磊（北京）科技有限公司技术人员判断，此套设备存在故障，于是将设备提出地面送往北京进行检查修复。设备安装情况设备安装情况l 2013年7月，监测设备维修完毕，准备二次下放设备。但是由于上次安装对地层有一定的破坏，采用带浆安装法进行安装。用偏心钻头扫孔至230m，完孔后将孔中注入水泥浆，趁水泥浆未凝固时安装传感器，这样就避免了由底层泥化带来的问题。具体过程如下 用偏心钻头扫孔至230m，充分循环洗井；注入水泥浆0.3立方米（水泥375kg，膨胀剂40kg，水0.3立方米），采用清水计量替浆，替浆量0.5立方米；下放地应力传感器，下放深度225.48m；下放信号发生器，下放至钻孔内水面以下
11、，深度约50m左右三、项目完成情况三、项目完成情况地应力设备安装情况图地应力设备安装情况图应力应力1 1的安装方位是的安装方位是318318度即北偏西度即北偏西4242度度三、项目完成情况四、技术成果与分析 地应力监测项目共取得了337天地应力监测数据，其中2012年11月6日至2013年6月5日地应力数据平稳，没有明显变化四、技术成果与分析2013年11月1日至11月21日应力应变曲线图 由于地应力设备第二次安装为注浆安装法，监测设备周边水泥需要2-3个月的稳定期，期间的数据没有实际意义，自2013年8月19日至10月31日期间数据不予分析，自11月1日开始记录分析数据四、技术成果与分析20
12、13年11月21日至12月12日应力应变曲线图四、技术成果与分析2013年12月12日至12月31日应力应变曲线图四、技术成果与分析2013年11月1日至12月21日地应力曲线图四、技术成果与分析 通过我们的持续观测，发现在2013年11月26日前，地应力数值平稳，没有太大变化，自11月26日后，应力1发生明显变化，12月11日后，应力2、应力3也出现变化。l 自11月26日开始，应力1测量数值由32620持续降低至0（12月12日），而后又逐渐回升，到目前为止升至5219。由于条件限制没有测量地层的绝对应力，并且传感器是在钢桶中标定的，所以测量的实际数值没有现实意义，数据分析主要以测量值的变
13、化率为研究对象。应力1的变化情况为：3262005219，即先变化了100%，而后又恢复至16%；l 应力2测量数值有小幅变动，自12月11日开始降低，至14日达到低值而后开始升高，应力2的变化情况为：449554285244041，即先变化了4.68%，而后又恢复至97.97%；l 应力3测量数值变化较明显，也是自12月11日开始，呈下降趋势，应力3的变化情况为：3522124162，即变化了31.40%。四、技术成果与分析根据地应力监测设备的设置，应力测量数值降低代表实际应力增加，测量数值升高代表实际应力减小。四、技术成果与分析 结合应力监测设备的安装情况进行分析，可以看出应力1的安装方位
14、是318度即北偏西42度及其反向；应力3的安装方位是北偏东18度及其反向，与应力1间隔60度；应力2的安装方位是北偏东78度及其反向，与应力3间隔60度。可以初步认为近南北方向有一个应力增加的趋势。以地应力井的相对位置来看，可能在JC6至JC9方向或者15#至28#方向有应力反应，目前试验的进气位置为定8列，所以在地应力井北面的黄色区域有应力反应更符合现实。四、技术成果与分析四、技术成果与分析 由地应力监测井的安装位置可得，JC6井在地应力井北偏东31度的方向，与地应力井相距9.81米，基本与方位1相似。结合工艺运行情况来看，11月21日JC6炸孔，开始进高压空气，至11月26日15：00，J
15、C6压力下降至0.8MPa以下，依据以往的经验，我们可以判断是JC6完成贯通，而后开始增加进风量，并于11月29日开始进富氧二氧化碳。于12月12日停止进气，与地应力产生变化的时间一致。地应力监测孔于12月21日测温数据为负值，经检测发现地面设备一切正常，判断是应力监测设备损坏，极有可能是监测探头上端电缆由于应力作用而被剪断了。四、技术成果与分析12月1日与12月11日地下情况模拟图五、项目总结 根据863课题气化工作面综合探测技术的要求，建立了一套地应力在线监测系统，实现对煤层上覆岩层地应力变化的实时监测。在试验区内施工地应力监测孔，并安装了地应力监测系统，取得了地下煤层顶板岩层地应力变化的
16、数据，并结合工艺运行情况进行分析，得出了燃空区变化与其顶板应力的变化是有一定联系的。1、成功在深度220以下的地层安装地应力监测装置，并且是在第三系渐新统呼尔井组F段浅灰色泥岩及中细粒砂岩中，尝试了护套安装和带浆安装两种安装方法，获得了成功的安装经验，解决了应力应变传感器下放的技术难题，能够测量到顶板应力变化，并且在下部煤层燃烧时有明显的应力反应；2、从地应力设备的安装方位来看，结合应力曲线的变化形态，可以初步认为近南北方向有一个应力增加的趋势，并且在JC6进气时反应尤为明显，应力增加方向与JC6的方向几乎一致，并且应力变化的时间与JC6进气时间较吻合，可以认为随着燃空区的发展可以导致煤层顶板产生应力反应；五、项目总结五、项目总结3、在定8列其他井进气燃烧时地应力设备没有太大反应，直到JC6作为进气口燃烧煤层时才表现出明显的反应，以致12月21日地应力设备电缆被切断，可以证明燃空区的影响是有一定范围的；4、由此次地应力观测情况来看，燃空区的发展与顶板地应力的变化是有一定联系的，但由于气化区域地质结构复杂，目前这一个点的观察有很大的局限性，并且地应力设备一旦损坏就无法维修，失去了应力监测的功能，监测成本过大，建议优化监测手段，增加测量点，这样才能找出煤层顶板应力变化规律，进而分析出煤层燃空区的运移情况。
