CN110630318B - 井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，包括如下步骤：S1.对煤层进行钻孔，并进行密封处理；S2.对钻孔内瓦斯进行抽采，获取抽采参数；S3.将效果指标值与指标值临界值进行比较分析；S4.将残余瓦斯含量与残余瓦斯含量临界值进行比较分析；S5.得到抽采达标半径在不同煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线；S6.为煤层下一区域设置钻孔间距。本发明的一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，能够提高抽采各工艺环节的运行质量，实现钻孔抽采瓦斯的精细化管理。

Description

井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法。

背景技术

瓦斯爆炸、突出等占煤矿安全事故的一半以上，瓦斯灾害治理是煤矿安全生产的重中之重。井下施工煤层预钻孔抽采瓦斯，可以有效降低煤层瓦斯含量，是防治瓦斯灾害事故的主要技术措施。一般进行瓦斯抽采的煤层必须先抽采瓦斯，而抽采效果达到标准要求后方可安排采掘作业，钻孔瓦斯抽采效果的好坏直接决定了能否有效消除煤矿瓦斯隐患，同时抽采效率的高低也影响着矿井抽掘采作业是否可以顺利接替。

受限于煤层地应力大、渗透率低、技术水平参差不齐等，我国煤矿抽采瓦斯浓度低、钻孔单孔流量小、钻孔服务寿命短等现象普遍存在，造成瓦斯抽采率长期处于较低水平，煤炭回采过程中瓦斯涌出量大幅增加，矿井通风压力增大，使得先进产能得不到有效释放，限制了矿井的安全高效生产。因此，保障钻孔高质量抽采瓦斯对于煤矿安全高效生产至关重要。

井下钻孔抽采瓦斯是一项系统性的周期工程，按时间先后包括工程设计、钻孔施工、钻孔封孔、负压抽采以及抽采效果评价等众多工艺环节，每一环节均对瓦斯抽采效果有着直接影响。但是目前钻孔抽采的设计、管理方式粗放，必要的量化测评、钻孔维护方法缺失，导致钻孔长期处于故障状态，有效抽采时间无法保障，瓦斯治理效果差、效率低，难以满足煤矿安全高效生产的需求。

因此，为解决以上问题，需要一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，能够提高抽采各工艺环节的运行质量，实现钻孔抽采瓦斯的精细化管理。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，涵盖了钻孔的设计、密封、抽采和效果评价的整个过程，能够提高钻孔抽采瓦斯各工艺环节的运行质量，实现钻孔抽采瓦斯的精细化管理。

本发明的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，包括如下步骤：

S1.在确定的钻孔位置对煤层进行钻孔，钻孔完成后对钻孔进行注浆密封；

S2.采用负压对钻孔内的瓦斯进行抽采，并采集抽采参数，其中，抽采参数包括抽采流量、抽采浓度以及抽采达标半径变化值；

S3.根据抽采参数计算钻孔抽采单元的抽采效果指标值，将抽采效果指标值与抽采达标临界值进行比较，如果抽采效果指标值大于或等于抽采达标临界值，则进入步骤S4；

S4.测量钻孔抽采单元内煤层的残余瓦斯含量，并将测得的残余瓦斯含量与残余瓦斯含量临界值进行比较，如果残余瓦斯含量小于残余瓦斯含量的临界值，则钻孔抽采单元的抽采效果达标，则进入步骤S5；

S5.将抽采效果达标的钻孔抽采单元中钻孔的抽采达标半径变化值与抽采时间进行拟合，得到抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线；

S6.在煤层下一个目标区域划分钻孔抽采单元，根据抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线确定该目标区域的钻孔抽采单元的钻孔间距，并按照步骤S1-S5进行操作。

进一步，步骤S6中，以钻孔抽采单元内预抽采时间最小的钻孔的抽采达标半径的2～2.5倍作为该钻孔抽采单元的钻孔间距。

进一步，步骤S1中，钻孔完成后，根据如下步骤确定合理的钻孔封孔深度：

S11.采用巷道煤体应力分布数值计算方法确定煤体内应力峰值点深度L₁；

S12.在钻孔内部每间隔距离步长△l，实测钻孔内部不同钻孔深度处的气体压力与瓦斯浓度；

S13.计算钻孔内部测量点编号i对应的钻孔深度l_i处的气体压力衰减幅度△p_i＝(p_i+1-p_i)/p_i+1以及瓦斯浓度衰减幅度△c_i＝(c_i+1-c_i)/c_i+1；

其中，i为测量点编号，取值为1,2,…,N；p_i+1为钻孔深度l_i+1处的气体压力；p_i为钻孔深度l_i处的气体压力；c_i+1为钻孔深度l_i+1处的瓦斯浓度；c_i为钻孔深度l_i处的瓦斯浓度；

S14.将测量点编号i的气体压力衰减幅度△p_i以及瓦斯浓度衰减幅度△c_i分别与衰减幅度临界值δ进行比较，如果△p_i≥δ或△c_i≥δ，则钻孔内部存在漏气点，该漏气点所处钻孔深度l_a:l_i≤l_a≤l_i+1；

S15.重复步骤S23到S24，直到完成钻孔内部所有测量点的比较判断；

S16.取所处钻孔深度最大的漏气点，将该漏气点对应的上限钻孔深度标记为L₂；

S17.取L₁与L₂两者中的最大值作为合理的钻孔封孔深度。

进一步，步骤S2中，间隔时间t测定每个钻孔的抽采流量Q_nt及抽采浓度C_nt，计算钻孔的抽采效果波动幅度，将抽采效果波动幅度异常的钻孔确定为故障钻孔，并对故障钻孔进行修复；其中，n＝0,1,2,...,N。

进一步，所述钻孔的抽采效果波动幅度包括钻孔抽采流量波动幅度以及钻孔抽采浓度波动幅度；其中：

钻孔抽采流量波动幅度F_Q的计算公式如下：

F_Q＝|(Q_(n+1)t-Q_nt)/Q_nt|

钻孔抽采浓度波动幅度F_C的计算公式如下：

F_C＝|(C_(n+1)t-C_nt)/C_nt|；

其中，Q_nt为nt时刻的钻孔抽采流量；Q_(n+1)t为(n+1)t时刻的钻孔抽采流量；C_nt为nt时刻的钻孔抽采浓度；C_(n+1)t为(n+1)t时刻的钻孔抽采浓度。

进一步，当钻孔抽采流量波动幅度F_Q≥ξ或钻孔抽采浓度波动幅度F_C≥ξ时，则确定钻孔抽采效果波动幅度出现异常；其中，ξ为波动幅度临界值。

进一步，步骤S6中，划分钻孔抽采单元具体包括：

S61.确定钻孔间预抽采时间的差异系数η:

其中，T_max为最大的预抽采时间；T_min为最小的预抽采时间。

S62.将钻孔间预抽采时间的差异系数η小于设定阈值的钻孔归为一个钻孔抽采单元。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，通过划分抽采单元，确定钻孔间距，对抽采单元进行钻孔；通过对钻孔进行合理密封，对钻孔抽采单元进行抽采；获取抽采参数值，对钻孔抽采过程进行评估，并对发生的故障进行修复；对抽采效果达标的钻孔抽采单元，分析得到抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线，从而为下一个目标区域的钻孔抽采单元确定钻孔间距提供数据支持。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的钻孔抽采全阶段示意图；

图3为本发明的钻孔抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，包括如下步骤：

S1.在确定的钻孔位置对煤层进行钻孔，钻孔完成后对钻孔进行注浆密封；

S2.采用负压对钻孔内的瓦斯进行抽采，并采集抽采参数，其中，抽采参数包括抽采流量、抽采浓度以及抽采达标半径变化值；

S3.根据抽采参数计算钻孔抽采单元的抽采效果指标值，将抽采效果指标值与抽采达标临界值进行比较，如果抽采效果指标值大于或等于抽采达标临界值，则进入步骤S4；

S4.测量钻孔抽采单元内煤层的残余瓦斯含量，并将测得的残余瓦斯含量与残余瓦斯含量临界值进行比较，如果残余瓦斯含量小于残余瓦斯含量的临界值，则钻孔抽采单元的抽采效果达标，则进入步骤S5；

S5.将抽采效果达标的钻孔抽采单元中钻孔的抽采达标半径变化值与抽采时间进行拟合，得到抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线；

S6.在煤层下一个目标区域划分钻孔抽采单元，根据抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线确定该目标区域的钻孔抽采单元的钻孔间距，并按照步骤S1-S5进行操作。

本发明提出的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法所涉及的全阶段包括涵盖了钻孔的设计、密封、抽采和效果评价阶段，各个阶段前后衔接形成统一有机的整体，有利于井下瓦斯钻孔抽采管理体系的建立。在设计阶段确定合理优化的钻孔间距，保证按期抽采效果达标；在密封阶段提高钻孔密封效果，从而提升钻孔抽采效果；在抽采阶段筛选并修复故障状态钻孔，延长钻孔抽采寿命；在效果评价阶段，实测抽采达标半径变化规律，为下一区域的钻孔间距确定提供依据；各个阶段的管控方法均具有量化的指标，提高了井下瓦斯钻孔管理的可操作性和精细化程度。

本实施例中，步骤S6中，根据上一工作面(或目标区域)的抽采效果情况，将抽采效果达标的钻孔的抽采达标半径在煤层不同原始瓦斯含量情况下随抽采时间的变化规律作为设置本工作面的钻孔抽采单元的钻孔间距的依据，具体的：将一个钻孔抽采单元中煤层原始瓦斯含量和最小的钻孔预抽采时间T_i作为参数，代入变化规律曲线中，求得钻孔抽采单元中钻孔对应的抽采达标半径R_T，将抽采达标半径R_T的2～2.5倍作为该钻孔抽采单元的钻孔间距，其中，当瓦斯赋存有异常区域时，对该异常区域可以适当减小钻孔间距。

本实施例中，步骤S1中，使用钻机在煤层中施工钻孔，相邻钻孔间的距离等于钻孔抽采单元设置的钻孔间距。钻孔完成后，根据如下过程确定钻孔的合理封孔深度：采用现有的或已经公开的关于巷道围岩应力分布的分析计算方法，确定煤体沿钻孔轴向上不同深度处的应力，并记录应力峰值点对应的深度为L₁；在预密封钻孔内，以每个长度间隔△l(一般取0.5-2m)的距离，利用取气探杆测定i(i＝1,2,…n)号测点处的气体压力与瓦斯浓度，记录为(p_i,c_i,l_i)，其中，p_i为i号测点对应的气体压力，c_i为i号测点对应的瓦斯浓度，l_i为i号测点对应的钻孔深度。计算钻孔内部测量点编号i对应的钻孔深度l_i处的气体压力衰减幅度△p_i＝(p_i+1-p_i)/p_i+1以及瓦斯浓度衰减幅度△c_i＝(c_i+1-c_i)/c_i+1，设衰减幅度临界值为δ(一般取25％～35％)，若△p_i≥δ或△c_i≥δ，则认为测点i和测点i+1之间，也即是钻孔深度

范围内存在明显的漏气点，该漏气点所处钻孔深度l_a:l_i≤l_a≤l_i+1；取所处钻孔深度最大的漏气点，将该漏气点对应的上限钻孔深度标记将最深处漏气点范围对应的上限深度记录为L₂；则钻孔的合理封孔深度L:L＝max{L₁,L₂}；

钻孔的合理封孔深度确定之后，采用径向压注式注浆工艺进行钻孔封孔密封，即首先在钻孔注浆段的两端利用速凝材料或封孔器形成前后挡板，然后再向两挡板间注入封孔材料浆液，浆液的压力在前后挡板的封堵下约等于注浆压力，这样保证有效封孔段达到或超过合理封孔深度L，同时封孔材料浆液经过压注可以有效地向钻孔周围漏气裂隙径向渗透，提高钻孔的密封效果。

本实施例中，步骤S2中，对密封后的煤层进行瓦斯抽采，间隔固定时间t测定每个钻孔的抽采流量Q_nt、抽采浓度C_nt以及抽采达标半径变化值；得到钻孔抽采流量波动幅度F_Q的计算公式如下：F_Q＝|(Q_(n+1)t-Q_nt)/Q_nt|；钻孔抽采浓度波动幅度F_C的计算公式如下：F_C＝|(C_(n+1)t-C_nt)/C_nt|；(其中，Q_nt和C_nt分别为nt时刻测定的钻孔抽采流量和抽采浓度；Q_(n+1)t和C_(n+1)t分别为下一时刻测定的钻孔抽采流量和抽采浓度)；当钻孔抽采流量波动幅度F_Q≥ξ或钻孔抽采浓度波动幅度F_C≥ξ时，则确定钻孔抽采效果波动幅度出现异常，将抽采效果出现波动异常的钻孔确定为故障状态钻孔；其中，ξ为波动幅度临界值，一般取20％～35％；

对故障状态钻孔作进一步的检测，确定故障状态的具体故障类型，例如钻孔塌孔、孔内积水堵塞或钻孔管路漏气等类型。对发生故障的钻孔根据故障类型进行针对性修复，例如对于塌孔的钻孔，实施高压水射流疏通，在钻孔内下放筛管进行修护；对于孔内积水的钻孔，在钻孔内安装水敏传感器探测钻孔的积水状态，当传感器探测到钻孔内积水时，则自动启动气动抽排水泵对钻孔内的积水进行排放；对于管路漏气的钻孔，采用探测管道漏气产生的超声波的方法进行泄漏点的精确定位，对泄漏点采用速凝堵漏剂实施快速带压堵漏。

本实施例中，步骤S3中，根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》(安监总煤装〔2011〕163号印发)附录中A4～A6给出的计算方法，利用钻孔的抽采流量Q_t及抽采浓度C_t的测定结果计算得到每个钻孔抽采单元抽采后的煤体可解吸瓦斯含量W_j、工作面瓦斯抽采率η_m以及矿井瓦斯抽采率η_k，并将W_j、η_m以及η_k设置为抽采效果指标值。

如果W_j、η_m以及η_k若未达到《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中对这些指标值的达标临界值，则返回执行步骤S2；若达到指标值的达标临界值要求，则进入步骤S4。

步骤S4中，在钻孔有效抽采范围内布置瓦斯抽采效果井下验证测点，取煤样实际测定测点的残余瓦斯含量W_CY，若W_CY高于《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中对该残余瓦斯含量W_CY标准值的达标临界值，则返回执行步骤S2；若低于该残余瓦斯含量W_CY标准值的临界值，则评价为抽采达标，并进入步骤S5。

步骤S5中，在钻孔抽采阶段对抽采半径进行实测，筛选出抽采达标的钻孔抽采单元，将钻孔抽采单元中各个钻孔对应的各个抽采半径，标记为抽采达标半径，得到钻孔对应的抽采达标半径变化值；这里需要说明的是：抽采过程是以抽采原始点为中心向周边进行辐射抽采，将抽采到达的周边点与原始点之间的距离称为抽采半径，当钻孔周围的煤体瓦斯含量下降到预先设置的阈值时，将此时抽采所到达的位置与原始位置的距离标记为抽采达标半径；选取不同煤层原始瓦斯含量和不同抽采时间的钻孔抽采单元，将采集到的钻孔抽采单元中钻孔的抽采达标半径R_T变化值与抽采时间进行拟合处理，得到抽采达标半径R_T在不同的煤层原始瓦斯含量(抽采瓦斯含量)下随抽采时间变化的曲线。其中，抽采达标半径R_T是表明钻孔周围实现抽采达标的煤体范围的参数；抽采达标半径R_T均随抽采时间的延长而增大，但增大速度会逐渐变慢；不同钻孔抽采单元可能对应不同的煤层原始瓦斯含量，在同一抽采时间下，原始瓦斯含量越高，相应的抽采达标半径R_T越小，其变化规律如图3所示。图3中，Y轴为抽采达标半径R_T，X轴为抽采时间t，三条曲线分别表示不同的原始煤层瓦斯含量a、b以及c，其原始煤层瓦斯含量大小的关系为：a<b<c。

根据上述得到的抽采达标半径R_T在不同的原始瓦斯含量下随抽采时间变化的曲线，为下一工作面(或目标区域)的钻孔抽采设计钻孔抽采单元的钻孔间距提供数据支持。

本实施例中，步骤S6中，根据钻孔的预计开始抽采时间t_i与钻孔的预计结束抽采时间T_m，计算每个钻孔的预抽采时间T_i:T_i＝T_m-t_i；根据上述得到的预抽采时间T_i，可计算得到钻孔间预抽采时间的差异系数η:

其中，T_max为最长的预抽采时间(单位一般为：天)；T_min为最短的预抽采时间(单位一般为：天)；一般地，采煤工作面施工的第一个钻孔的抽采时间是最长的；将预抽采时间差异系数η小于设定阈值的钻孔归为一个抽采单元(其中，所述设定阈值一般取30％，但在实际应用中，不同的煤层环境设定的阈值可能会有所不同)，从而将采煤工作面划分为多个抽采单元。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.在确定的钻孔位置对煤层进行钻孔，钻孔完成后对钻孔进行注浆密封；

S2.采用负压对钻孔内的瓦斯进行抽采，并采集抽采参数，其中，抽采参数包括抽采流量、抽采浓度以及抽采达标半径变化值；

S3.根据抽采参数计算钻孔抽采单元的抽采效果指标值，将抽采效果指标值与抽采达标临界值进行比较，如果抽采效果指标值大于或等于抽采达标临界值，则进入步骤S4；

S4.测量钻孔抽采单元内煤层的残余瓦斯含量，并将测得的残余瓦斯含量与残余瓦斯含量临界值进行比较，如果残余瓦斯含量小于残余瓦斯含量的临界值，则钻孔抽采单元的抽采效果达标，则进入步骤S5；

S5.将抽采效果达标的钻孔抽采单元中钻孔的抽采达标半径变化值与抽采时间进行拟合，得到抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线；

S6.在煤层下一个目标区域划分钻孔抽采单元，根据抽采达标半径在不同的煤层原始瓦斯含量下随时间变化的曲线确定该目标区域的钻孔抽采单元的钻孔间距，并按照步骤S1-S5进行操作。

2.根据权利要求1所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：步骤S6中，以钻孔抽采单元内预抽采时间最小的钻孔的抽采达标半径的2～2.5倍作为该钻孔抽采单元的钻孔间距。

3.根据权利要求1所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：步骤S1中，钻孔完成后，根据如下步骤确定合理的钻孔封孔深度：

S11.采用巷道煤体应力分布数值计算方法确定煤体内应力峰值点深度L₁；

S12.在钻孔内部每间隔距离步长Δl，实测钻孔内部不同钻孔深度处的气体压力与瓦斯浓度；

S13.计算钻孔内部测量点编号i对应的钻孔深度l_i处的气体压力衰减幅度Δp_i＝(p_i+1-p_i)/p_i+1以及瓦斯浓度衰减幅度Δc_i＝(c_i+1-c_i)/c_i+1；

其中，i为测量点编号，取值为1,2,…,N；p_i+1为钻孔深度l_i+1处的气体压力；p_i为钻孔深度l_i处的气体压力；c_i+1为钻孔深度l_i+1处的瓦斯浓度；c_i为钻孔深度l_i处的瓦斯浓度；

S14.将测量点编号i的气体压力衰减幅度Δp_i以及瓦斯浓度衰减幅度Δc_i分别与衰减幅度临界值δ进行比较，如果Δp_i≥δ或Δc_i≥δ，则钻孔内部存在漏气点，该漏气点所处钻孔深度l_a:l_i≤l_a≤l_i+1；

S15.重复步骤S23到S24，直到完成钻孔内部所有测量点的比较判断；

S16.取所处钻孔深度最大的漏气点，将该漏气点对应的上限钻孔深度标记为L₂；

S17.取L₁与L₂两者中的最大值作为合理的钻孔封孔深度。

4.根据权利要求1所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：步骤S2中，间隔时间t测定每个钻孔的抽采流量Q_nt及抽采浓度C_nt，计算钻孔的抽采效果波动幅度，将抽采效果波动幅度异常的钻孔确定为故障钻孔，并对故障钻孔进行修复；其中，n＝0,1,2,...,N。

5.根据权利要求4所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：所述钻孔的抽采效果波动幅度包括钻孔抽采流量波动幅度以及钻孔抽采浓度波动幅度；其中：

钻孔抽采流量波动幅度F_Q的计算公式如下：

F_Q＝|(Q_(n+1)t-Q_nt)/Q_nt|

钻孔抽采浓度波动幅度F_C的计算公式如下：

F_C＝|(C_(n+1)t-C_nt)/C_nt|；

其中，Q_nt为nt时刻的钻孔抽采流量；Q_(n+1)t为(n+1)t时刻的钻孔抽采流量；C_nt为nt时刻的钻孔抽采浓度；C_(n+1)t为(n+1)t时刻的钻孔抽采浓度。

6.根据权利要求5所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：当钻孔抽采流量波动幅度F_Q≥ξ或钻孔抽采浓度波动幅度F_C≥ξ时，则确定钻孔抽采效果波动幅度出现异常；其中，ξ为波动幅度临界值。

7.根据权利要求1所述的井下瓦斯钻孔抽采的全生命周期管控方法，其特征在于：步骤S6中，划分钻孔抽采单元具体包括：

S61.确定钻孔间预抽采时间的差异系数η:

其中，T_max为最大的预抽采时间；T_min为最小的预抽采时间；

S62.将钻孔间预抽采时间的差异系数η小于设定阈值的钻孔归为一个钻孔抽采单元。

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