CN111101999B - 一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，根据测量的实验煤层物理力学参数，采用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；然后得出各自钻孔半径下的模拟塑性区半径；并得出上述选择的不同钻孔半径下的计算模型区半径；然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律；接着在实验煤层上划分抽采区域，测量相同时间内不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量和瓦斯纯流量；最后得出混合流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量及纯流量相对钻孔塑性区半径差的变化量；根据变化量数据，确定两者变化量最大值对应的塑性区半径为最佳塑性区范围。从而为松软煤层抽采钻孔提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种塑性区最佳范围的确定方法，具体是一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法。
背景技术
钻孔抽采瓦斯，就是通过向煤层施工大量密集钻孔，实现煤体卸压，同时排放瓦斯，释放其潜能，降低瓦斯压力及含量，从而达到消除突出危险性的目的。当在煤层中进行钻孔施工时，钻孔周围的煤体应力状态就会发生改变，钻孔内壁会形成自由面，瓦斯逐渐向钻孔方向迁移，孔洞周边煤体发生卸压膨胀，进一步引发孔洞周边煤体发生塑性破坏使得钻孔卸压范围扩大。如图2所示，塑性区是瓦斯向钻孔方向迁移时经过的区域，塑性区的范围影响了瓦斯抽采效果。因此为了达到最佳的抽采效果，确定钻孔周围煤体最佳塑性区范围就显得很重要。
对松软煤层说，若钻孔周围煤体的塑性区范围过小，瓦斯运移会受到阻碍，导致瓦斯抽采效果较差；若钻孔周围煤体的塑性区范围过大，就会导致钻孔进行瓦斯抽采过程中发生塌孔现象，因此需要确定最佳的塑性区范围，达到安全高效抽采瓦斯的目的。塑性区范围可以用塑性区半径来表示。目前，国内一些学者已经对塑性区进行了一些研究，如专利号CN201811601073.0的发明，根据实测的塑性区大小和模拟的塑性区大小的偏离程度，修正巷道的模拟的塑性区大小，获得巷道的塑性区范围；又如专利号CN201510887909.8的发明，可以实时进行数据的采集测量，能够准确有效地模拟巷道围岩塑性区的分布特征与分布规律。但是上述方法或者装置针对的对象为巷道，并且只能研究已开挖巷道围岩的塑性区分布规律，并不能直接用于钻孔抽采瓦斯的塑性区确定，从而无法确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，通过模拟塑性区半径对计算塑性区半径进行修正，得出钻孔半径与实际塑性区半径的变化规律，然后根据不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量及瓦斯纯流量，最终确定最佳塑性区范围，从而为松软煤层抽采钻孔提供数据支撑。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，具体步骤为：
A、测量及计算所需实验煤层的物理力学参数，所述参数包括弹性模量、体积模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度；
B、基于步骤A得到的各个物理力学参数，利用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；
C、选择多个不同钻孔半径，利用COMSOL软件在钻孔围岩模型内模拟各个不同钻孔半径下的塑性区范围分布云图，进而确定各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径；
D、利用已知的塑性区半径计算公式求出步骤C中多个不同钻孔半径的计算塑性区半径，所述塑性区半径计算公式为：
式中：Rp为计算塑性区半径；P为原岩应力；a为钻孔半径；C为煤体的内聚力；Φ为煤体的内摩擦角；其中，P、C和Φ均为步骤A测得的常数；
然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律，具体为：
将各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径和计算塑性区半径均绘制在钻孔半径-塑性区半径变化图内，进而能得出模拟塑性区半径和计算塑性区半径的差值随钻孔半径呈一次函数变化；即R差＝ka+c；当钻孔半径a为0时，R差＝0，则c＝0；然后利用两点式求出k的平均值；从而得出模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式为；RP修＝RP+ka；最终根据修正公式可知，当钻孔半径a增大时，钻孔周围的塑性区范围也会增大，即钻孔的卸压范围也会增大，钻孔的瓦斯抽采效果更好；
E、先得出实验煤层已钻孔的钻孔半径，然后以该钻孔半径为基础，每增加0.005～0.01m选择一种钻孔半径值，共选择五种不同的钻孔半径；在实验煤层上划分五个抽采区域，每个抽采区域内分别选择一种钻孔半径进行钻孔施工；各个抽采区域内施工的钻孔数量相同；最后根据各个抽采区域选择的钻孔半径带入步骤D的修正公式得出各个抽采区域的塑性区半径；测量相同时间内各个抽采区域抽采的瓦斯混合流量、浓度和瓦斯纯流量；进而得出不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量和瓦斯纯流量；
F、根据步骤E得出的数据，计算相邻两个塑性区半径差值及其对应的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值，共得出四个塑性区半径差值及各自对应的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值；然后各个塑性区半径差值的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值，分别除以各自的塑性区半径差值，从而得出混合流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量及纯流量相对钻孔塑性区半径差的变化量；最后根据变化量数据，确定两者变化量最大值对应的塑性区半径为最佳塑性区范围。
进一步，所述步骤B建立的钻孔围岩模型为二维平面模型，由于模型具有对称性，故只取一半进行模拟；钻孔位于左边界中心，模型下边界采用固定约束，左边界采用对称边界，右边界采用水平约束边界，顶部采用均布载荷，用于模拟上覆岩体的自重边界。
进一步，所述步骤C具体确定模拟塑性区半径的过程为：在塑性区范围分布云图中，沿云图中的钻孔半径设定一条水平截线，输出这条截线上的有效塑性应变数据，有效塑性应变为0的点对应的X值即为塑性区半径。
与现有技术相比，本发明采用模拟塑性区半径和计算塑性区半径相结合，根据测量的实验煤层物理力学参数，采用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；然后根据钻孔围岩模型选择不同钻孔半径，得出各自钻孔半径下的模拟塑性区半径；采用已知的塑性区半径计算公式，得出上述选择的不同钻孔半径下的计算模型区半径；然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律；接着在实验煤层上划分五个抽采区域，每个抽采区域选择一种钻孔半径进行钻孔，各个区域均不相同；并根据各个钻孔半径通过修正公式得出其对应的塑性区半径，测量相同时间内各个抽采区域抽采的瓦斯混合流量、浓度和瓦斯纯流量；进而得出不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量和瓦斯纯流量；最后得出混合流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量及纯流量相对钻孔塑性区半径差的变化量；根据变化量数据，确定两者变化量最大值对应的塑性区半径为最佳塑性区范围。本发明通过模拟塑性区半径对计算塑性区半径进行修正，得出钻孔半径与实际塑性区半径的变化规律，然后根据不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量及瓦斯纯流量，最终确定最佳塑性区范围，从而为松软煤层抽采钻孔提供数据支撑。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是本发明中钻孔周围煤体的结构示意图；
图3是本发明建立的钻孔围岩模型示意图；
图4是本发明模拟的塑性区范围分布图；
图5是本发明中有效塑性应变图；
图6是本发明中模拟塑性区半径和计算塑性区半径的变化比较图。
图中：1、弹性区，2、塑性区，3、破裂区，4、塑性区半径，5、钻孔，6、瓦斯运移通道，7、钻孔。8、煤体。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图6示，以嘉禾矿2254工作面为例，具体步骤为：
A、测量及计算嘉禾矿2254工作面的物理力学参数，所述参数包括弹性模量、体积模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度；具体参数见表1：
表1
| 序号 | 模型参数 | 参数值 |
| 1 | 弹性模量/MPa | 1180 |
| 2 | 体积模量/MPa | 630 |
| 3 | 内聚力/MPa | 0.68 |
| 4 | 内摩擦角/° | 20.7 |
| 5 | 抗拉强度/MPa | 0.2 |
| 6 | 密度/kg·m<sup>-3</sup> | 1350 |
B、基于步骤A得到的各个物理力学参数，利用COMSOL模拟软件(即物理模拟仿真平台)建立钻孔围岩模型，如图3所示，所述钻孔围岩模型为二维平面模型，由于模型具有对称性，故只取一半进行模拟；钻孔位于左边界中心，模型下边界采用固定约束，左边界采用对称边界，右边界采用水平约束边界，顶部采用均布载荷，用于模拟上覆岩体的自重边界；
C、选择多个不同钻孔半径，利用COMSOL软件在钻孔围岩模型内模拟各个不同钻孔半径下的塑性区范围分布云图，如图4所示，进而确定各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径；具体确定模拟塑性区半径的过程为：在塑性区范围分布云图中，沿云图中的钻孔半径设定一条水平截线，输出这条截线上的有效塑性应变数据，有效塑性应变为0的点对应的X值即为塑性区半径，如图5所示；
D、利用已知的塑性区半径计算公式求出步骤C中多个不同钻孔半径的计算塑性区半径，所述塑性区半径计算公式为：
式中：Rp为计算塑性区半径；P为原岩应力；a为钻孔半径；C为煤体的内聚力；Φ为煤体的内摩擦角；其中，P、C和Φ均为步骤A测得的常数；
然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律，具体为：
如图6所示，钻孔半径下的模拟塑性区半径和计算塑性区半径均绘制在钻孔半径-塑性区半径变化图内，进而能得出模拟塑性区半径和计算塑性区半径的差值随钻孔半径呈一次函数变化；即R差＝ka+c；当钻孔半径a为0时，R差＝0，则c＝0；然后利用两点式求出k的平均值为0.12；从而得出模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式为；RP修＝RP+0.12a；最终根据修正公式可知，当钻孔半径a增大时，钻孔周围的塑性区范围也会增大，即钻孔的卸压范围也会增大，钻孔的瓦斯抽采效果更好；
E、先得出嘉禾矿2254工作面已钻孔的钻孔半径，然后以该钻孔半径为基础，每增加0.005～0.01m选择一种钻孔半径值，共选择五种不同的钻孔半径；在实验煤层上划分五个抽采区域，每个抽采区域内分别选择一种钻孔半径进行钻孔施工；各个抽采区域内均施工5个钻孔；最后根据各个抽采区域选择的钻孔半径带入步骤D的修正公式得出各个抽采区域的塑性区半径，分别为0.0464m(46.4mm)、0.0538m、0.0581m、0.0649m、0.0699m五种备选的钻孔塑性区半径；测量15天内各个抽采区域抽采的瓦斯混合流量平均值、浓度和瓦斯纯流量平均值；进而得出不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量平均值和瓦斯纯流量平均值；以及混合流量和纯流量的平均值相对各自塑性区半径差值的变化量见表2；
表2
F、由上表可知虽然随着塑性区半径的增大，瓦斯混合流量和瓦斯纯流量都在增加，但是瓦斯混合流量相对钻孔塑性区半径差的变化量由5.68(其计算过程为：相邻两个瓦斯混合流量差值为0.103-0.061＝0.042；然后0.042÷0.0074≈5.68)增加到21.58，然后减小到7.60，瓦斯纯流量相对钻孔塑性区半径差的变化量由3.92(其计算过程为：相邻两个瓦斯纯流量差值为0.056-0.027＝0.029；然后0.029÷0.0074≈3.92)增加到18.42，然后减小到6.2。随着塑性区半径的增大，瓦斯混合流量和瓦斯纯流量的增加速度先增大后减小。因此，考虑到施工的安全性和经济性，在钻孔塑性区半径为0.0649m(64.9mm)时，抽采效果最好；确定其为最佳塑性区范围；最终选择该塑性区半径对应的钻孔半径进行钻孔抽采瓦斯。
Claims (3)
1.一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、测量及计算所需实验煤层的物理力学参数，所述参数包括弹性模量、体积模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度；
B、基于步骤A得到的各个物理力学参数，利用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；
C、选择多个不同钻孔半径，利用COMSOL软件在钻孔围岩模型内模拟各个不同钻孔半径下的塑性区范围分布云图，进而确定各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径；
D、利用已知的塑性区半径计算公式求出步骤C中多个不同钻孔半径的计算塑性区半径，所述塑性区半径计算公式为：
式中：Rp为计算塑性区半径；P为原岩应力；a为钻孔半径；C为煤体的内聚力；Φ为煤体的内摩擦角；其中，P、C和Φ均为步骤A测得的常数；
然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律，具体为：
将各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径和计算塑性区半径均绘制在钻孔半径-塑性区半径变化图内，进而能得出模拟塑性区半径和计算塑性区半径的差值随钻孔半径呈一次函数变化；即R差＝ka+c；当钻孔半径a为0时，R差＝0，则c＝0；然后利用两点式求出k的平均值；从而得出模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式为；RP修＝RP+ka；最终根据修正公式可知，当钻孔半径a增大时，钻孔周围的塑性区范围也会增大；
E、先得出实验煤层已钻孔的钻孔半径，然后以该钻孔半径为基础，每增加0.005～0.01m选择一种钻孔半径值，共选择五种不同的钻孔半径；在实验煤层上划分五个抽采区域，每个抽采区域内分别选择一种钻孔半径进行钻孔施工；各个抽采区域内施工的钻孔数量相同；最后根据各个抽采区域选择的钻孔半径带入步骤D的修正公式得出各个抽采区域的塑性区半径；测量相同时间内各个抽采区域抽采的瓦斯混合流量、浓度和瓦斯纯流量；进而得出不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量和瓦斯纯流量；
F、根据步骤E得出的数据，计算相邻两个塑性区半径差值及其对应的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值，共得出四个塑性区半径差值及各自对应的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值；然后各个塑性区半径差值的瓦斯混合流量差值和瓦斯纯流量差值，分别除以各自的塑性区半径差值，从而得出混合流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量及纯流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量；最后根据变化量数据，确定两者变化量最大值对应的塑性区半径为最佳塑性区范围。
2.根据权利要求1所述的一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，其特征在于，所述步骤B建立的钻孔围岩模型为二维平面模型，由于模型具有对称性，故只取一半进行模拟；钻孔位于左边界中心，模型下边界采用固定约束，左边界采用对称边界，右边界采用水平约束边界，顶部采用均布载荷，用于模拟上覆岩体的自重边界。
3.根据权利要求1所述的一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，其特征在于，所述步骤C具体确定模拟塑性区半径的过程为：在塑性区范围分布云图中，沿云图中的钻孔半径设定一条水平截线，输出这条截线上的有效塑性应变数据，有效塑性应变为0的点对应的X值即为模拟塑性区半径。
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