CN103821553A - 一种确定y型通风采空区瓦斯富集区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，属于瓦斯抽采领域，本发明对采动裂隙场中的渗透率和孔隙率进行实时动态计算，使得Y型通风采空区瓦斯富集区域的定位更加准确，能够为瓦斯抽采中钻孔的布置提供更有针对性的指导。本发明还根据不同的工作环境，考虑了不同区域的瓦斯涌出量，进一步的提高了Y型通风采空区瓦斯富集区域定位的全面性。

Description

一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法

技术领域

本发明属于瓦斯抽取领域，特别是涉及一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法。

背景技术

矿井采掘空间的瓦斯来源主要是工作面和采空区涌出瓦斯以及邻近层涌入瓦斯，其中采空区涌出瓦斯占采掘空间瓦斯涌出量的40%左右，有些矿井采空区涌出瓦斯占到采掘空间总瓦斯涌出量的60%～70%。因此，研究采空区瓦斯运移及富集规律，对矿井瓦斯灾害防治、采空区瓦斯抽采和煤与瓦斯共采技术的实现具有重要的意义。

在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力场，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。在应力重新分布过程中，围岩产生变形、移动甚至破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。根据矿山压力理论，随着工作面向前推进，在工作面周围将形成一个采动应力场，采动应力场及其影响范围在垂直方向上形成“竖三带”，由下向上分别为垮落带、断裂带和弯曲带。在水平方向上形成“横三区”，沿工作面推进方向分别为重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区。随着工作面的向前推进，采动应力场随时空演化并形成采动裂隙场，为瓦斯在采空区上覆岩层中的运移和富集提供了通道和空间。由于对瓦斯在工作面附件及采空区的运移与富集规律不甚清楚，传统的穿层钻孔抽采方法往往不能正确地确定钻孔位置。

传统的U型通风方式，由于采空区漏风导致采空区高浓度瓦斯汇聚于工作面上隅角，采用高位钻孔抽采时，层位难以控制，瓦斯抽采效果难以得到充分的保证，乃至于利用高抽巷也不能从根本上解决上隅角瓦斯超限问题。在Y型通风沿空留巷内由布置在瓦斯富集区中的倾向抽采瓦斯钻孔进行抽采，瓦斯富集区不只是单纯的位于Y型通风工作面沿空留巷的采空区顶板断裂带，现场环境的不同会导致实际瓦斯富集区的变化。

在现有的沿空留巷Y型通风采空区顶板卸压瓦斯抽采的方法，未能解决如何寻找采空区上覆岩层中的瓦斯富集区域的问题，在其寻找卸压裂隙带的过程中，也需运用大量人力、物力进行全面的现场监测。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确定位Y型通风采空区的瓦斯富集区域。

为实现上述目的，本发明提供了一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率，同时根据现场工况确定瓦斯源项；

步骤二、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K＝ak₀exp^(-bσ)和峰值点后关系K＝ck₀e^dσ中a、b、c、d的拟合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；通过计算

转换得到煤层孔隙率与应力状态之间的关系；所述K为煤样渗透率，所述σ为有效体积应力，所述a、b、c、d均为依据材料特性得到的参数；φ为孔隙率，φ₀为初始孔隙率；

步骤三、利用Navier-Stokes方程和Brinkman方程构建出采煤工作面空气流动模型，求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布；利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型；

步骤四、通过COMSOL MULTIPHYSICS对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解,得到瓦斯富集区域。

煤层开采后上覆岩层层面离层裂隙和穿层破断裂隙相互贯通，形成动态变化的采动裂隙场分布，该区域为本煤层中的卸压瓦斯流动和储集提供了通道和空间。采用以上技术方案，渗透率和孔隙率随着不同的应力状态有不同的计算值，跟其具体应力状态动态调整，渗透率和孔隙率的取值是确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的关键问题，对最后结果影响很大。相较于传统技术的凭经验固定取值，本发明对采动裂隙场中的渗透率和孔隙率测量得更加准确，使得Y型通风采空区瓦斯富集区域的定位更加准确，能够为瓦斯抽采中钻孔的布置提供更有针对性的指导。

较佳的，所述含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验按以下步骤进行：

S1、煤样试件安装：用704硅橡胶将煤样试件侧面抹一层1mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将煤样放置于含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的三轴压力室中支撑轴上，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用热风将圆筒热缩管均匀吹紧，以保证圆筒热缩管与煤样试件的外壁贴合，将煤样试件上下两端的圆筒热缩管与支撑轴的重合部分、圆筒热缩管与加压活塞杆的重合部分分别用金属箍箍住，在煤样试件上安装链式径向位移引伸计。由于在煤样试件上抹了胶层，进一步的保证了煤样的密封性。

S2、装机：将三轴压力室上座与下座对好位，将瓦斯进气管与加压活塞杆上端进气孔连通，在瓦斯出气管上设置流量计；向三轴压力室排空充油，检查各系统是否正常工作。

S3、真空脱气：打开试验容器的出气阀门，用真空泵对试验容器内的煤样进行脱气。

S4、吸附平衡：脱气后，关闭试验容器的出气阀门，将所述三轴压力室降入恒温水箱，设定恒温水箱的温度值，并对所述三轴压力室施加恒定的轴压和围压，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力固定，向所述煤样试件内充气，使煤样瓦斯充分吸附平衡。

S5、进行含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验，得到渗透率与应力状态之间的关系。

较佳的，所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算得到工作面瓦斯涌出量，所述Q_g为工作面瓦斯涌出量，k₁为围岩瓦斯涌出系数，k₂为工作面遗煤瓦斯涌出系数，k₃为准备的巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；m₀为煤层的厚度，m₁为工作面采高，X₀为煤层原始瓦斯含量，X₁为煤的残存瓦斯含量。

设定Q_s为工作面瓦斯源项，计算

得到工作面瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为工作面瓦斯源项所占总体积。

较佳的，所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算 $Q_g=l\·{\mathrm{\ρ}}_m\·q_0\·v_0\·[\exp (-\sqrt{\frac{l_1}{v_0{t}_0}})-\exp (-\sqrt{\frac{l_2}{v_0{t}_0}})]$ 得到采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述Q_g为采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述l为采空区遗煤的体积比，ρ_m为采空区遗煤的密度，q₀为煤层瓦斯含量，v₀为工作面的推进速度，l₁为煤壁至采空区边界区域内遗煤的体积比，l₂为工作面附近遗煤的体积比，t₀为时间常数，t₀＞0。

设定Q_s为采空区遗煤瓦斯源项，计算得到采空区遗煤瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为采空区遗煤瓦斯源项所占总体积。

采用以上技术方案，使得瓦斯抽采效果好，抽采钻孔依次贯穿垮落带、断裂带至弯曲下沉带的下部，解决不同煤系地层覆岩结构下抽采瓦斯钻孔准确定位的问题，使抽采瓦斯的效果得到保证。由于大量的卸压瓦斯和采空区瓦斯被抽出，从根本上解决上隅角瓦斯超限和回风流瓦斯超限问题，保证矿井的安全生产。同时本发明提出的钻孔布置方法在保证抽采效果的前提下，对瓦斯富集区域的针对性强，减少了抽采钻孔数量，增大了抽采钻孔布置间距，具有工程量小，经济节约的优点。

本发明的有益效果是：本发明对采动裂隙场中的渗透率和孔隙率测量得更加准确，使得Y型通风采空区瓦斯富集区域的定位更加准确，能够为瓦斯抽采中钻孔的布置提供更有针对性的指导。本发明还根据不同的工作环境，考虑了不同区域的瓦斯涌出量，进一步的提高了Y型通风采空区瓦斯富集区域定位的全面性。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的流程示意图。

图2是本发明中Y型通风采空区的钻孔布置示意图。

图3是本发明采空区瓦斯浓度分布纵向剖面图。

图4是本发明采空区瓦斯浓度分布水平剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一：如图1所示，一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗流速率，计算

得到煤样渗透率，同时根据现场工况确定瓦斯源项。所述K为煤样渗透率，q为渗流速率，μ为瓦斯黏度，L为煤样长度，P₁为煤样入口瓦斯压力，P₂为煤样出口瓦斯压力，P₀为大气压力，A为煤样横截面积。

步骤二、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K＝ak₀exp^(-bσ)和峰值点后关系K＝ck₀e^dσ中a、b、c、d的拟合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；通过计算

转换得到煤层孔隙率与应力状态间的关系；所述K为煤样渗透率，所述σ为有效体积应力，φ为孔隙率，φ₀为初始孔隙率；所述a、b、c、d均为依据材料特性得到的参数。岩石在成岩过程中,随着所受压力的增加,当岩石不可压缩时,颗粒之间越来越紧密,孔隙空间越来越小,孔隙之间的连通性越来越差,当压力增加到一定程度时,上述变化要显著减慢。在压力的作用下,岩石内部产生应力。岩层的渗透率与所处的应力状态相关，特别是与开采引起的应力状态改变息息相关。煤层投入开采之后,随着气体的排出,煤层的瓦斯压力将不断地变化,由煤层的原始地应力减去瓦斯压力所得到的有效地应力也随之改变。这会造成煤体变形,改变煤层的孔隙结构,进而使煤层的渗透率发生变化。本发明正是考虑渗透率的变化性，相较传统的以经验值来确定煤样渗透率固定值，本发明从源头使得瓦斯富集区域的定位更加准确。

步骤三、利用Navier-Stokes方程(纳维叶－斯托克斯方程)和Brinkman方程构建出采煤工作面空气流动模型，求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布；利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型。

步骤四、通过COMSOL MULTIPHYSICS多物理场耦合分析软件对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解,可模拟出瓦斯涌出并扩散到工作面的过程,并得出瓦斯涌出过程中工作面和采空区各点瓦斯浓度分布结果即瓦斯的富集区域。

如图2至图4所示，在煤层开采后，将工作面8的上巷采空区侧通过支护5形成沿空留巷3，作为采煤工作面回风巷，以机巷1和材料巷2作为进风巷，并以机巷1作为主进风巷，以材料巷2作为辅助进风巷，回风由沿空留巷3经边界回风巷4或回风石门流出，建立沿空留巷Y型工作面通风系统。在材料巷2和沿空留巷3中设置抽采瓦斯管道9，各倾向抽采瓦斯钻孔6与抽采瓦斯管道9形成连通，构成所述汇集在采空区7上部裂隙带内的解吸游离瓦斯通过倾向抽采瓦斯钻孔6，并通过抽采瓦斯管道9进入瓦斯抽采系统。图3中左边的颜色-数值对应图表示的是瓦斯浓度百分比，右图中不同颜色即对于不同的浓度百分比，图中交叉的横纵轴及相应数值代表空间位置，单位为m。图4中左边的颜色-数值对应图表示的是瓦斯浓度百分比，右图中不同颜色即对于不同的浓度百分比，图中交叉的横纵轴及相应数值代表空间位置，单位为m。

本实施例中，所述含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验按以下步骤进行：

S1、煤样试件安装：用704硅橡胶将煤样试件侧面抹一层1mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将煤样放置于含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的三轴压力室中支撑轴上，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用热风将圆筒热缩管均匀吹紧，以保证圆筒热缩管与煤样试件的外壁贴合，将煤样试件上下两端的圆筒热缩管与支撑轴的重合部分、圆筒热缩管与加压活塞杆的重合部分分别用金属箍箍住，在煤样试件上安装链式径向位移引伸计；

S2、装机：将三轴压力室上座与下座对好位，将瓦斯进气管与加压活塞杆上端进气孔连通，在瓦斯出气管上设置流量计；向三轴压力室排空充油，检查各系统是否正常工作；

S3、真空脱气：打开试验容器的出气阀门，用真空泵对试验容器中的煤样进行脱气；

S4、吸附平衡：脱气后，关闭试验容器的出气阀门，将所述三轴压力室降入恒温水箱，设定恒温水箱的温度值，并对所述三轴压力室施加恒定的轴压和围压，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力固定，向所述煤样试件内充气，使煤样瓦斯充分吸附平衡；

S5、进行含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验，得到渗透率与应力状态之间的关系。

所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算

得到工作面瓦斯涌出量，所述Q_g为工作面瓦斯涌出量，k₁为围岩瓦斯涌出系数，k₂为工作面遗煤瓦斯涌出系数，k₃为准备的巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；m₀为煤层的厚度，m₁为工作面采高，X₀为煤层原始瓦斯含量，X₁为煤的残存瓦斯含量；

设定Q_s为工作面瓦斯源项，计算

得到工作面瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为工作面瓦斯源项所占总体积。

实施例二：本发明的流程与实施例一基本相同，所不同的是：所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算 $Q_g=l\·{\mathrm{\ρ}}_m\·q_0\·v_0\·[\exp (-\sqrt{\frac{l_1}{v_0{t}_0}})-\exp (-\sqrt{\frac{l_2}{v_0{t}_0}})]$ 得到采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述Q_g为采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述l为采空区遗煤的体积比，ρ_m为采空区遗煤的密度，q₀为煤层瓦斯含量，v₀为工作面的推进速度，l₁为煤壁至采空区边界区域内遗煤的体积比，l₂为采空区附近遗煤的体积比，t₀为时间常数，t₀＞0。

设定Q_s为采空区遗煤瓦斯源项，计算

得到采空区遗煤瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为采空区遗煤瓦斯源项所占总体积。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据现场工况进行含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验，得到煤样在应力-应变全过程中的渗透率，同时根据现场工况确定瓦斯源项；

步骤二、通过得到的煤样渗透率进行峰值点前关系K＝ak₀exp^(-bσ)和峰值点后关系K＝ck₀e^dσ中a、b、c、d的拟合，得到煤层渗透率与应力状态之间的关系；通过计算转换得到煤层孔隙率与应力状态之间的关系；所述K为煤样渗透率，所述σ为有效体积应力，所述a、b、c、d均为依据材料特性得到的参数；φ为孔隙率，φ₀为初始孔隙率；

步骤三、利用Navier-Stokes方程和Brinkman方程构建出采煤工作面空气流动模型，求解模型得出空气流动平衡状态下压力场分布和速度场分布；利用对流-扩散方程和Fick定律扩散方程来构建瓦斯扩散模型；

步骤四、通过COMSOL MULTIPHYSICS对空气流动模型和瓦斯扩散模型联立求解,得到瓦斯富集区域。

2.如权利要求1所述的一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，其特征是：所述含瓦斯煤热流固耦合三轴渗流试验按以下步骤进行：

S1、煤样试件安装：用704硅橡胶将煤样试件侧面抹一层1mm左右的胶层，待抹上的胶层完全干透后，将煤样放置于含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的三轴压力室中支撑轴上，用一段比煤样长出40mm左右的圆筒热缩管套在煤样上，同时将加压活塞杆放置于煤样上，用热风将圆筒热缩管均匀吹紧，以保证圆筒热缩管与煤样试件的外壁贴合，将煤样试件上下两端的圆筒热缩管与支撑轴的重合部分、圆筒热缩管与加压活塞杆的重合部分分别用金属箍箍住，在煤样试件上安装链式径向位移引伸计；

S2、装机：将三轴压力室上座与下座对好位，将瓦斯进气管与加压活塞杆上端进气孔连通，在瓦斯出气管上设置流量计；向三轴压力室排空充油，检查各系统是否正常工作；

S3、真空脱气：打开试验容器的出气阀门，用真空泵对试验容器内的煤样进行脱气；

S4、吸附平衡：脱气后，关闭试验容器的出气阀门，将所述三轴压力室降入恒温水箱，设定恒温水箱的温度值，并对所述三轴压力室施加恒定的轴压和围压，调节高压甲烷钢瓶出气阀门，保持瓦斯压力固定，向所述煤样试件内充气，使煤样瓦斯充分吸附平衡；

S5、进行含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验，得到渗透率与应力状态之间的关系。

3.如权利要求1所述的一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，其特征是：所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算

得到工作面瓦斯涌出量，所述Q_g为工作面瓦斯涌出量，k₁为围岩瓦斯涌出系数，k₂为工作面遗煤瓦斯涌出系数，k₃为准备的巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；m₀为煤层的厚度，m₁为工作面采高，X₀为煤层原始瓦斯含量，X₁为煤的残存瓦斯含量；

设定Q_s为工作面瓦斯源项，计算

得到工作面瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为工作面瓦斯源项所占总体积。

4.如权利要求1所述的一种确定Y型通风采空区瓦斯富集区域的方法，其特征是：所述根据现场工况确定瓦斯源项按以下步骤进行：

计算 $Q_g=l\·{\mathrm{\ρ}}_m\·q_0\·v_0\·[\exp (-\sqrt{\frac{l_1}{v_0{t}_0}})-\exp (-\sqrt{\frac{l_2}{v_0{t}_0}})]$ 得到采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述Q_g为采空区遗煤的瓦斯涌出量，所述l为采空区遗煤的体积比，ρ_m为采空区遗煤的密度，q₀为煤层瓦斯含量，v₀为工作面的推进速度，l₁为煤壁至采空区边界区域内遗煤的体积比，l₂为工作面附近遗煤的体积比，t₀为时间常数，t₀＞0；

设定Q_s为采空区遗煤瓦斯源项，计算得到采空区遗煤瓦斯源项，所述ρ_g为瓦斯密度，所述V为采空区遗煤瓦斯源项所占总体积。

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