CN111189755A - 煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，属于煤矿瓦斯抽采技术领域，其包括步骤1)采集煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数；2)在3DEC中构建单轴压缩模拟试验的试件数值模型，并获得岩体的裂隙参数；3)建立与矿区岩性分布情况一致的目标模型，并依据煤矿实际生产资料模拟煤层的开采……等步骤。本发明煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，其利用数值模拟软件，结合基本岩性参数和煤矿生产资料，能较准确的得到煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间体积，且该方法还具有计算方便、快捷的有点。

Description

煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采技术领域，特别涉及一种预估采空区瓦斯储气体积的方法。

背景技术

煤层瓦斯是与煤伴生的一种非常规天然气,其主要成分为甲烷。煤炭开采使得采空区上覆煤岩层得到不同程度的卸压,为瓦斯抽采创造了有利条件。瓦斯的主要成分甲烷是较强烈的温室气体,同时也是一种清洁能源,因此对老采空区瓦斯进行抽采利用不仅能够大大降低因其向大气逸散而产生的温室效应,而且能够取得可观的经济效益。采动稳定区瓦斯抽采是利用负压将残留在地下空间、岩层和煤层裂隙空间中的煤层气从地下抽取至地面。在抽采前，需要对采动稳定区瓦斯储量进行预测，而对采动稳定区瓦斯有效储存空间的计算是瓦斯储量预测基础工作。

目前采动稳定区瓦斯有效储存空间的计算多是利用煤矿生产数据与经验计算公式相结合的方法。由于煤矿上产数据的缺失和经验公式的误差性，会导致空间计算的准确度不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，以解决现有计算采动稳定区瓦斯有效储存空间的方法误差大，效率低的技术问题。

本发明煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，包括以下步骤：

1)采集煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数；

2)在3DEC中构建单轴压缩模拟试验的试件数值模型，然后对其进行单轴压缩模拟试验，采用试参法调整试件数值模型的裂隙参数，得到与步骤1)采集到的煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数接近或一致的试件数值模型，进而得到岩体的裂隙参数；

3)利用3DEC模拟软件建立与矿区岩性分布情况一致的目标模型，并依据煤矿实际生产资料模拟煤层的开采；

4)利用3DEC模拟软件分析计算采区冒落带和裂隙带的高度，确定采动稳定区区带的范围；

5)采用切片法导出3DEC模型中采动稳定区裂隙场的各个断面，再利用python程序对图片进行二值化和去燥处理，灰度值为零的区域作为统计的孔隙和裂隙对象，分别计算每张图片孔隙区域的面积占整个模型平面的比值，确定模型储气裂隙区域，并计算冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V，以及冒落带和裂隙带的整体孔隙度Φ₁；

6)利用离散元PFC软件模拟统计储气区域破碎岩体的块度，并根据PFC软件统计得到的块度制备相应块度的碎石，再对制备的碎石进行压密试验；

7)对压密试验后的压密岩体进行核磁共振弛豫测量与核磁共振成像试验，得到完全压实的碎石密实体的孔隙度Φ₂；

8)计算空隙度修正系数η＝Φ₂/Φ₁；

9)通过修正系数对步骤5)得到的冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V进行修正，得到采动稳定区瓦斯有效储存空间的体积V_e＝ηV。

本发明的有益效果：

本发明煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，其利用数值模拟软件，结合基本岩性参数和煤矿生产资料，能较准确的得到煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间体积，且该方法还具有计算方便、快捷的有点。

附图说明

图1为煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法的流程图。

图2为在3DEC建立的与矿区岩性分布情况一致的目标模型图。

图3为采用切片法和二值法出来采动稳定区裂隙场的各个断面的示意图。

图4为压实实验数据图。

图5为T₂弛豫时间图与信号幅值关系图。

图6为压实力与T₂图谱面积的关系图。

图7为不同压实力下的孔隙度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图所示，本实施例煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，其包括以下步骤：

1)采集煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数；本实施例中采用对煤矿目标煤层覆岩岩样进行单轴压缩试验和直剪试验，获得煤层覆岩岩样的弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数。

2)在3DEC中构建单轴压缩模拟试验的试件数值模型，本实施例中试件数值模型为与标准试件规格一致的圆柱模型(直径50mm×高100mm)，然后对其进行单轴压缩模拟试验，采用试参法调整试件数值模型的裂隙参数，得到与步骤1)采集到的煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数接近的试件数值模型，进而得到岩体的裂隙参数。

3)利用3DEC模拟软件建立与矿区岩性分布情况一致的目标模型，并依据煤矿实际生产资料模拟煤层的开采。本实施例中目标模型的具体尺寸为长300m×宽150m×高200m，模型从下往上分为8个组，17个由岩层层理分割的区域和16个开挖煤层的区域，将各个分割的区域按照离散元模型的规定细化为多个离散的块体。

4)利用3DEC模拟软件分析计算采区冒落带和裂隙带的高度，确定采动稳定区区带的范围。煤矿开采采空区岩体孔隙-裂隙为煤层气赋存提供了储存空间，煤矿开采导致采场周围岩体应力重新分布，煤层顶底板岩体发生变形与破坏，煤层气主要赋存在孔隙性较好的冒落带和裂隙带中。本实施例中，根据3DEC数值模拟计算，冒落带高度和裂隙带高度分别为16m、43m。为了确保数值模拟结果的可信性，本实施例引入冒落带和裂隙带的相关理论判定准则对其进行验证。

上式中：H_m为采区冒落带高度，单位为m；H_l为裂隙带高度，单位为m；M为采高，单位为m；根据实际煤层平均厚度M取为6.5m。经计算得H_m＝15.3m，H_l＝41m。由此说明，3DEC计算的冒落带和裂隙带分布结果与理论判定公式计算结果相近。

5)采用切片法导出3DEC模型中采动稳定区裂隙场的各个断面，再利用python程序对图片进行二值化和去燥处理，灰度值为零的区域作为统计的孔隙和裂隙对象，分别计算每张图片孔隙区域的面积占整个模型平面的比值，确定模型储气裂隙区域，并计算冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V，以及冒落带和裂隙带的整体孔隙度Φ₁。本实施例统计开采至110m的模型孔隙、裂隙体积，通过计算得到“柱帽体”块体体积为4.504×10⁵m³，冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V为67680m³，沿工作面推进110m模型平衡后的孔隙度为15％。

在具体实施中，通过理论计算冒落带梯形体的体积

该公式中各参数的含义是F_m为冒落带梯形体的体积，H_m为采区冒落带高度，单位为m；L_a为工作面倾向长度，单位为m；L_b为工作面走向长度，单位为m；a₁为冒落带顶面沿倾向边长，单位为m，a₁＝L_a-2H_mcotφ，φ为岩层破断角，单位为°；b₁为冒落带顶面沿走向边长，单位为m，b₁＝L_b-2H_mcotφ。由此可得出工作面推进至110m时采动稳定区冒落带和裂隙带孔隙总体积理论值为66892m³，而冒落带和裂隙带梯形体的总体体积为512802m³，最终计算冒落带和裂隙带整体孔隙度约为0.13，与数值模拟计算的结果接近，说明3DEC数值计算的结果是合理的。

6)分析矿井采空区裂隙带和冒落带孔隙度的变化规律，把“柱帽”裂隙带内的岩石近似成球体，引入颗粒离散元软件PFC2D来模拟采动稳定区裂隙场。利用离散元PFC软件模拟统计储气区域破碎岩体的块度，并根据PFC软件统计得到的块度制备相应块度的碎石，再对制备的碎石进行压密试验。

7)对压密试验后的压密岩体进行核磁共振弛豫测量与核磁共振成像试验，得到完全压实的碎石密实体的孔隙度Φ₂。

在具体实施中，采用核磁共振成像分析系统对碎石密实体进行核磁共振弛豫测量与核磁共振成像试验，能得到压密试验整个加载过程中的T₂弛豫时间，谱面积，孔隙度等核磁共振参数和核磁共振成像图；根据整个加载过程的孔隙度拟合曲线得到完全压实的孔隙度Φ₂＝6.3％，相应的残余碎胀性系数为1.067，与常见岩石残余碎胀系数的统计结果一致。

8)计算空隙度修正系数η＝Φ₂/Φ₁。本实施例中，由垮落区域形成至完全压实的孔隙度变化区间为Φ₂～Φ₁，即6.3％～15％，孔隙度修正系数由η＝Φ₂/Φ₁计算得η＝0.42。

9)通过修正系数对步骤5)得到的冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V进行修正，得到采动稳定区瓦斯有效储存空间的体积V_e＝ηV。本实施例步骤5)数值模拟试验计算的孔隙体积和为67680m³，若采空区垮落区域的岩体随时间变化达到了完全压实状态，那么经过孔隙度修正系数(η＝0.42)修正后得到的采动稳定区有效储气空间体积V_e为28425.6m³。

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 (1)

1.煤矿采动稳定区瓦斯有效储存空间的数值模拟获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数；

2)在3DEC中构建单轴压缩模拟试验的试件数值模型，然后对其进行单轴压缩模拟试验，采用试参法调整试件数值模型的裂隙参数，得到与步骤1)采集到的煤矿目标煤层覆岩岩性相关力学参数接近或一致的试件数值模型，进而得到岩体的裂隙参数；

3)利用3DEC模拟软件建立与矿区岩性分布情况一致的目标模型，并依据煤矿实际生产资料模拟煤层的开采；

4)利用3DEC模拟软件分析计算采区冒落带和裂隙带的高度，确定采动稳定区区带的范围；

5)采用切片法导出3DEC模型中采动稳定区裂隙场的各个断面，再利用python程序对图片进行二值化和去燥处理，灰度值为零的区域作为统计的孔隙和裂隙对象，分别计算每张图片孔隙区域的面积占整个模型平面的比值，确定模型储气裂隙区域，并计算冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V，以及冒落带和裂隙带的整体孔隙度Φ₁；

6)利用离散元PFC软件模拟统计储气区域破碎岩体的块度，并根据PFC软件统计得到的块度制备相应块度的碎石，再对制备的碎石进行压密试验；

7)对压密试验后的压密岩体进行核磁共振弛豫测量与核磁共振成像试验，得到完全压实的碎石密实体的孔隙度Φ₂；

8)计算空隙度修正系数η＝Φ₂/Φ₁；

9)通过修正系数对步骤5)得到的冒落带孔隙和裂隙带裂隙的总体积V进行修正，得到采动稳定区瓦斯有效储存空间的体积V_e＝ηV。

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