CN108876011B - 一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法 - Google Patents

一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，属于煤矿安全技术领域，步骤A跟踪采掘工作面推进，对采煤工作面煤壁和运输巷煤壁进行裂隙拍照摄影，获取煤壁裂隙照片；B对煤壁裂隙照片进行处理，以突出像素显示；C将处理后的煤壁裂隙照片导入AutoCAD绘图软件，按照预先设定的参考方位角度，按0～90°或0～‑90°范围，分别测量出煤壁裂隙迹线倾伏信息；D绘制煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图，划分优势发育组；E根据步骤D的优势发育组情况，预测煤层空间可能存在的裂隙面类型；F根据采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的空间关系，建立裂隙产状计算数学模型；G选取井下代表性的煤壁裂隙进行测量；为试验区煤层瓦斯高效抽采设计提供了理论参考。

Description

一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法
技术领域
本发明属于煤矿安全技术领域，特别涉及一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法。
背景技术
煤层裂隙在规模上分为宏观裂隙和微观裂隙。宏观裂隙直接导致煤层渗透性各项异性，造成煤层瓦斯渗流优势，关系到井下煤层瓦斯抽采和地面煤层气井的生产效率。美国矿业局的资料显示，受煤层裂隙优势发育方位的影响，不同方向的煤层渗透率之比高达17:1，煤层气抽采量相差3～10倍。我国焦作韩王煤矿井下瓦斯抽采试验表明，同一煤层不同方向的瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采效率存在显著差异，垂直面割理方向钻孔瓦斯极限抽采量是平行面割理方向钻孔的2.6倍，抽放率高出4.3倍。在煤层气开发和瓦斯抽采过程中，对煤层裂隙优势发育方位的预测至关重要。
然而，由于煤矿井下受采掘工程条件的限制，且裂隙在煤层各个地质单元内呈现出不同特点，煤层宏观裂隙有效预测往往存在一定难度。传统的煤层宏观裂隙测量方法，就是借助于罗盘和皮尺等工具，在井下逐个量取统计，这种方法的原理和操作简单，但是费力耗时，而且易受自然环境条件或机械装备磁场干扰；借助于数字近景摄影测量和计算机的图像处理技术来测量，可以在井下提取信息后带到室内整理，降低了现场工作量和劳动强度，但由于煤壁划痕、阴影等图像等方面影响，数字图像技术对于煤层宏观裂隙预测的准确度往往不高。
因此，根据煤层宏观裂隙的发育特点，提出适合矿井煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，对于提高我国矿井煤层瓦斯抽采效率有着重要的应用价值。
发明内容
本发明目的是为解决上述现有技术中存在的煤层宏观裂隙预测技术困难的问题而提出了一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，为达到上述目的所采取的技术方案是：
一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，包括如下步骤：
A：跟踪采掘工作面推进，对采煤工作面煤壁和运输巷煤壁进行裂隙拍照摄影，获取煤壁裂隙照片；
B：对煤壁裂隙照片进行处理，以突出像素显示；
C：将处理后的煤壁裂隙照片导入AutoCAD绘图软件，按照预先设定的参考方位角度，按 0～90°或0～-90°范围，分别测量出煤壁裂隙迹线倾伏信息；
D：绘制煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图，划分优势发育组；判断出采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为N1,…,Ni,…,Nx，运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为 M1,…,Mj,…,My；其中，i＝1,2,3,…,x；j＝1,2,3,…,y；
E：根据步骤D的优势发育组情况，预测煤层空间可能存在的裂隙面类型，在理论上，可以预测煤层空间可能出现Lij裂隙面,其中Lij裂隙面由优势发育组为Ni与优势发育组为Mj组合得到；
F：根据采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的空间关系，建立裂隙产状计算数学模型，结合采煤工作面煤壁的走向、运输巷煤壁的走向以及煤壁裂隙迹线倾伏角信息，可以从理论上预测煤层空间可能出现Lij裂隙面的裂隙产状；其中，裂隙产状包括走向、倾向和倾角信息；
G：选取井下代表性的煤壁裂隙进行实际测量，将现场实际测量的煤壁裂隙产状与理论预测值既Lij裂隙面的裂隙产状进行对比分析，如果现场测量存在相对应的裂隙产状，则说明Lij裂隙面预测真实存在，否则为假想裂隙面，予以剔除；最后根据代表性的裂隙发育情况就可以对煤层空间的裂隙优势发育方位做出预测。
优选的，在步骤A中，进行裂隙拍照摄影时，以采掘工作面顶板为参照面，记录当天采掘工作面的长度、走向、倾向；拍照顺序沿着同一方向进行。
优选的，在步骤B中，煤壁裂隙照片进行灰度处理，对灰度处理之后仍不清晰的细微裂隙，采用Windows系统中绘图面板进行人工干预。
优选的，步骤F中，Lij裂隙面的裂隙产状的计算方法如下：
Lij裂隙面的倾角βij的计算：
设γ为采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角、α1i为采煤工作面煤壁第i条裂隙迹线倾伏角、α2j为运输巷煤壁第j条裂隙迹线倾伏角、根据极射赤平投影基本原理可得倾角βij式1：
tan2βijsin2γ-tan2α1i-tan2α2j+2tanα1itanα2jcosγ＝0 (式1)
求解方程1，得到倾角βij的式2：
Figure BDA0001672329400000021
优选的，步骤F中，Lij裂隙面的裂隙产状的计算方法如下：
Lij裂隙面的倾向、走向的计算：
根据采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为N1,…,Ni,…,Nx，运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为M1,…,Mj,…,My的倾角信息，可以计算得到采煤工作面煤壁Ni裂隙迹线赤平投影大圆半径r1i、运输巷煤壁Mj裂隙迹线赤平投影大圆半径r2j；其中，
Figure BDA0001672329400000031
Figure BDA0001672329400000032
以单位1为基圆半径，再将指北线以Ni、Mj倾伏向为旋转角度沿顺时针方向进行旋转，得到此时指北线所在位置即为Ni、Mj裂隙迹线倾伏线；
与基圆同心，以半径r1i为半径画圆，该圆弧与Ni裂隙迹线倾伏线的交点A1i即为Ni裂隙迹线投影；以半径r2j为半径画圆，该圆弧与Mj裂隙迹线倾伏线的交点A2j即为Mj裂隙迹线投影；
Figure BDA0001672329400000033
分别将Lij裂隙面的倾角βij带入上式5中，可得Lij裂隙迹线赤平投影大圆半径Rij；然后以A1i或A2j为圆心，以Rij为半径画圆，该圆弧与A1i、A2j两点垂直平分线的交点Oij，再以Oij为圆心，以Rij为半径画圆，该圆弧就是Lij裂隙面的极射赤平投影，该圆弧弦长方向即为Lij裂隙面的走向方位、与弦长垂直向即为裂隙倾向方位。
本发明所具有的有益效果为：本方法操作简单、经济快速、获得数据丰富全面、减轻了人工现场测量劳动强度，大大提高了煤层宏观裂隙统计分析效率和准确率，在试验矿区进行了开采煤层裂隙宏观裂隙优势发育方位预测，成功预测试验工作面煤层裂隙优势发育方位，为试验区煤层瓦斯高效抽采设计提供了理论参考。
附图说明
图1为采煤工作面煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图；
图2为运输巷煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图；
图3为裂隙迹线倾伏线预测示意图；
图4为M2裂隙迹线投影预测示意图；
图5为裂隙的赤平投影预测示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
本方法在某矿区实地应用和测试，取得了非常好的预测效果，具体过程如下：
A：该矿区试验工作面采用走向长壁采煤法开采，全部垮落法处理采空区，采煤工作面煤壁的走向为NW285°，运输巷煤壁的走向为NE15°，在工作面开采过程中，以采掘工作面顶板为参照面，对采煤工作面煤壁和运输巷煤壁进行裂隙拍照摄影，获取煤壁裂隙照片，拍照过程中，始终从采煤工作面煤壁下端口至上端口、从运输巷煤壁的外端至里端；
B：在Windows系统中绘图面板中对煤壁裂隙照片进行人工干预，以突出裂隙与煤壁之间的色差；
C：将处理后的煤壁裂隙照片导入AutoCAD绘图软件，设定采煤工作面煤壁和运输巷煤壁的交点为0参考点，向0参考点倾伏为正，背离0参考点倾伏为负，按0～90°或0～-90°范围，分别测量出煤壁裂隙迹线倾伏角度；
D：绘制煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图，划分优势发育组，如图1为采煤工作面煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图；图2为运输巷煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图；由图1和图2可以明显看出采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为N1(-60°)、N2(5°)两组；运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为M1(-45°)、M2(15°)两组；再结合采煤工作面煤壁的走向NW285°，运输巷煤壁的走向NE15°可以进一步确定采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为 N1(NE105°∠60°)、N2(NW285°∠5°)两组；运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为 M1(SW195°∠45°)、M2(NE15°∠15°)；
E：根据步骤D的优势发育组情况，预测煤层空间可能存在的裂隙面类型，在理论上，可以预测煤层空间可能出现Lij裂隙面，即L11(N1与M1组合)、L12(N1与M2组合)、L21(N2与M1组合) 和L22(N2与M2组合)四种类型；
F：Lij裂隙面的裂隙产状的计算
(1)Lij裂隙面的倾角βij的计算：
Figure BDA0001672329400000051
L11(N1与M1组合)裂隙面：N1的倾伏角α11为60°，M1的倾伏角a21为45°，采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角γ为90°，将上述参数带入上式2中，可得倾角β11为63°；
L12(N1与M2组合)裂隙面：N1的倾伏角α11为60°，M1的倾伏角a22为15°，采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角γ为90°，将上述参数带入上式2中，可得倾角β12为60°；
L21(N2与M1组合)裂隙面：N2的倾伏角α12为5°，M1的倾伏角a21为45°，采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角γ为90°，将上述参数带入上式2中，可得倾角β21为45°；
L22(N2与M2组合)裂隙面：N2的倾伏角α12为5°，M1的倾伏角a22为15°，采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角γ为90°，将上述参数带入上式2中，可得倾角β22为16°；
(2)Lij裂隙面的倾向、走向的计算：
Figure BDA0001672329400000052
Figure BDA0001672329400000053
将N1(NE105°∠60°)、N2(NW285°∠5°)、M1(SW195°∠45°)和M2(NE15°∠15°)分别带入上式3、式4，得到r11＝0.27、r12＝0.92、r21＝0.41和r22＝0.77；
线如图3所示，固定圆心坐标，分别以单位1为基圆半径画圆，再将指北线分别以105°、 285°、195°、15°为角度沿顺时针方向进行旋转，此时指北线所在位置即为N1、N2、M1和M2裂隙迹线倾伏线；
如图4所示，与基圆同心，分别以r11＝0.27、r12＝0.92、r21＝0.41和r22＝0.77为半径画圆，r11半径圆与N1裂隙迹线倾伏线交点A11即为N1裂隙迹线投影；r12半径圆与N2裂隙迹线倾伏线交点A12即为N2裂隙迹线投影；r21半径圆与M1裂隙迹线倾伏线交点A21即为M1裂隙迹线投影；r22半径圆与M2裂隙迹线倾伏线交点A22即为M2裂隙迹线投影；
Figure BDA0001672329400000061
如图5所示，分别将β11＝63°、β12＝60°、β21＝45°、β22＝16°带入上式5，得到Lij裂隙迹线赤平投影大圆半径Rij，分别为：R11＝2.24、R12＝2.02、R21＝1.42、R22＝1.04；
然后再以A11或A21为圆心、以R11为半径画圆，该圆弧与A11、A21两点垂直平分线的交点为O11，再以O11圆心、R11为半径画圆，该圆弧就是L11裂隙的赤平投影；以A11或A21为圆心、以R12为半径画圆，该圆弧与A11、A21两点垂直平分线的交点为O12，再以O12圆心、R12为半径画圆，该圆弧就是L12裂隙的赤平投影；A12或A21为圆心、以R21为半径画圆，该圆弧与A12、 A21两点垂直平分线的交点即为O21，再以O21圆心、R21为半径画圆，该圆弧就是L12裂隙的赤平投影；以A12或A22为圆心、以R22为半径画圆，该圆弧与A12、A22两点垂直平分线的交点即为O22，再以O222圆心、R22为半径画圆，该圆弧就是L22裂隙的赤平投影。
测量可得L11投影圆弧弦长方位为NE45°、与弦长垂直方位为SE135°，即L11裂隙走向 NE45°、倾向SE135°；
测量可得L12投影圆弧弦长方位为NE6°、与弦长垂直方位为SE96°，即L12裂隙走向NE6°、倾向SE96°；
测量可得L21投影圆弧弦长方位为SE110°、与弦长垂直方位为SW200°，即L21裂隙走向 SE110°、倾向SW200°；
测量可得L22投影圆弧弦长方位为NE45°、与弦长垂直方位为SE135°，即L22裂隙走向 SW265°、倾向NW355°。
因此，煤层可能发育的优势裂隙组共有：倾向SE135°∠63°、倾向SE96°∠60°、倾向SW200°∠45°、倾向NW355°∠16°四组。
G：选取井下代表性的煤壁裂隙进行实际测量，测得裂隙优势发育倾向SE125°和SW200°、倾角在45°～60°范围。其中，理论预测倾向SE135°∠63°、倾向SE96°∠60°的裂隙组接近观测组(倾向SE125°)，认为这两组裂隙真实存在；理论预测倾向SW200°∠45°的裂隙组接近观测组(SW200°)，认为这组裂隙真实存在；而理论预测倾向NW355°∠16°的裂隙组无论倾向上、倾角上都与观测值不符，判断为假想裂隙，剔除。
因此，判断试验工作面煤层裂隙可能存在优势发育方位为：倾向SE135°、倾向SE96°、倾向SW200°，倾角为45°～60°之间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A：跟踪采掘工作面推进，对采煤工作面煤壁和运输巷煤壁进行裂隙拍照摄影，获取煤壁裂隙照片；
B：对煤壁裂隙照片进行处理，以突出像素显示；
C：将处理后的煤壁裂隙照片导入AutoCAD绘图软件，按照预先设定的参考方位角度，按0～90°或0～-90°范围，分别测量出煤壁裂隙迹线倾伏信息；
D：绘制煤壁裂隙迹线倾伏角玫瑰花图，划分优势发育组；判断出采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为N1,…,Ni,…,Nx，运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为M1,…,Mj,…,My；其中，i＝1,2,3,…,x；j＝1,2,3,…,y；
E：根据步骤D的优势发育组情况，预测煤层空间可能存在的裂隙面类型，在理论上，可以预测煤层空间可能出现Lij裂隙面,其中Lij裂隙面由优势发育组为Ni与优势发育组为Mj组合得到；
F：根据采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的空间关系，建立裂隙产状计算数学模型，结合采煤工作面煤壁的走向、运输巷煤壁的走向以及煤壁裂隙迹线倾伏角信息，可以从理论上预测煤层空间可能出现Lij裂隙面的裂隙产状；其中，裂隙产状包括走向、倾向和倾角信息；
G：选取井下代表性的煤壁裂隙进行实际测量，将现场实际测量的煤壁裂隙产状与理论预测值既Lij裂隙面的裂隙产状进行对比分析，如果现场测量存在相对应的裂隙产状，则说明Lij裂隙面预测真实存在，否则为假想裂隙面，予以剔除；最后根据代表性的裂隙发育情况就可以对煤层空间的裂隙优势发育方位做出预测。
2.根据权利要求1所述的煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，其特征在于，在步骤A中，进行裂隙拍照摄影时，以采掘工作面顶板为参照面，记录当天采掘工作面的长度、走向、倾向；拍照顺序沿着同一方向进行。
3.根据权利要求2所述的煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，其特征在于，在步骤B中，煤壁裂隙照片进行灰度处理，对灰度处理之后仍不清晰的细微裂隙，采用Windows系统中绘图面板进行人工干预。
4.根据权利要求3所述的煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，其特征在于，步骤F中，Lij裂隙面的裂隙产状的计算方法如下：
Lij裂隙面的倾角βij的计算：
设γ为采煤工作面煤壁和运输巷煤壁之间的夹角、α1i为采煤工作面煤壁第i条裂隙迹线倾伏角、α2j为运输巷煤壁第j条裂隙迹线倾伏角、根据极射赤平投影基本原理可得倾角βij式1：
tan2βijsin2γ-tan2α1i-tan2α2j+2tanα1itanα2jcosγ＝0 (式1)
求解方程1，得到倾角βij的式2：
Figure FDA0003251695150000021
5.根据权利要求4所述的煤层宏观裂隙优势发育方位预测方法，其特征在于，步骤F中，Lij裂隙面的裂隙产状的计算方法如下：
Lij裂隙面的倾向、走向的计算：
根据采煤工作面煤壁裂隙迹线的优势发育组为N1,…,Ni,…,Nx，运输巷煤壁裂隙迹线的优势发育组为M1,…,Mj,…,My的倾角信息，可以计算得到采煤工作面煤壁Ni裂隙迹线赤平投影大圆半径r1i、运输巷煤壁Mj裂隙迹线赤平投影大圆半径r2j；其中，
Figure FDA0003251695150000022
Figure FDA0003251695150000023
以单位1为基圆半径，再将指北线以Ni、Mj倾伏向为旋转角度沿顺时针方向进行旋转，得到此时指北线所在位置即为Ni、Mj裂隙迹线倾伏线；
与基圆同心，以半径r1i为半径画圆，该圆弧与Ni裂隙迹线倾伏线的交点A1i即为Ni裂隙迹线投影；以半径r2j为半径画圆，该圆弧与Mj裂隙迹线倾伏线的交点A2j即为Mj裂隙迹线投影；
Figure FDA0003251695150000024
分别将Lij裂隙面的倾角βij带入上式5中，可得Lij裂隙迹线赤平投影大圆半径Rij；然后以A1i或A2j为圆心，以Rij为半径画圆，该圆弧与A1i、A2j两点垂直平分线的交点Oij，再以Oij为圆心，以Rij为半径画圆，该圆弧就是Lij裂隙面的极射赤平投影，该圆弧弦长方向即为Lij裂隙面的走向方位、与弦长垂直向即为裂隙倾向方位。
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