CN112800576A - 一种煤层群开采双重卸压消突评判方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种煤层群开采双重卸压消突评判方法。该评判方法包括确定在初始地应力下被保护层的压缩变形量、确定保护范围理论边界线、施工测试钻孔、测量被保护层煤体基本参数、计算被保护层煤体渗透率的动态变化、计算被保护层煤体内瓦斯压力动态变化、计算含瓦斯煤体的有效应力和划定保护范围实际边界线等步骤。该方法充分考虑了瓦斯压力和地应力因素对被保护层卸压防突范围的影响，对被保护层的保护范围进行进一步准确估计，为卸压防突范围的精准确定提供了依据，基本上保障了保护层开采对被保护层影响范围的真实性和客观性，能够获得较为真实的无突出危险性范围，为被保护层开采提供有力保障。

Description

一种煤层群开采双重卸压消突评判方法

技术领域

本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种保护层开采卸压防突判别方法。

背景技术

保护层开采是防治煤与瓦斯突出的经济高效方法之一，其关键问题是确定被保护层保护范围，目前被保护层保护范围的确定主要有两类方法：一是根据《煤与瓦斯突出防治细则》选定相应的卸压角参考值以确定保护范围；二是通过对现场的考察获得应力、变形及瓦斯参数的变化规律，基于其对保护范围判别准则，来确定保护范围。

煤与瓦斯突出的综合作用假说已被业界广泛认同，对于不同的矿井，其煤层的物理力学性质、所处的应力状态均不同。残余瓦斯含量判别准则得到了人们的普遍认同和广泛应用，但是重庆地区煤矿部分矿井煤层瓦斯含量大于8m³/t而没有发生突出的实例，相反在部分矿区发生了突出，其含量却远小于8m³/t，因此单纯依据残余瓦斯含量判别准则已经不能适用于现在特定地质条件下的煤与瓦斯突出判定。

因此，亟需开发一种考虑地应力瓦斯压力的判别准则。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据被保护层埋深预估被保护层的初始地应力。测量被保护层煤体的弹性模量，确定在初始地应力下被保护层的压缩变形量。

2)确定保护范围理论边界线。

3)在钻场内向卸压边界区域施工若干个穿煤钻孔作为测试钻孔。测量被保护层的瓦斯含量。测定被保护层的煤层顶底板的膨胀变形量，计算得出煤层的膨胀变形量，计算被保护层的地应力。

4)基于步骤3)中计算得出的瓦斯压力结合Langmuir方程得出瓦斯含量动态变化，将瓦斯压力代入有效应力计算方程得出含瓦斯煤体的有效应力。

5)测量被保护层煤体基本参数，基于大变形理论的本构方程计算应变，获得保护层开采过程中被保护层煤体的孔隙率变化。

6)基于步骤5)所得煤体孔隙率变化，结合瓦斯压力计算得出被保护层煤体渗透率的动态变化。

7)基于步骤6)中的煤体渗透率变化及孔隙-裂隙双重介质理论，结合煤体瓦斯运移的渗透-扩散方程计算得出被保护层煤体内瓦斯压力动态变化。

8)将计算得到被保护层瓦斯压力和地应力代入煤与瓦斯突出的失稳判据方程，判定特定地质条件下不同钻孔所划定的范围是否会发生突出。

9)依据测试钻孔判定的突出可能性重新划定保护范围边界线。

进一步，步骤5)中的本构方程采用大变形理论中的增量形式本构方程：

式中，Δσ_ceij为Kirchhoff应力增量。

为参考初始位移的本构张量。Δε_rs为Green应变增量。

进一步，步骤6)中的煤体渗透率变化如式(2)所示：

k_g(v,p)＝(a₁v²+a₂v+a₃)(1+c₁k_max/p) (2)

式中，v为体积应力。p为瓦斯压力。k_max为煤体的绝对渗透率。 a₁，a₂，a₃和c₁为实验拟合常数。

进一步，步骤7)中的煤层瓦斯渗流方程如式(3)所示：

式中，▽为Laplace算子。k_g为煤岩体体积模量。p为煤层瓦斯压力。

进一步，步骤4)中的有效应力通过式(4)得出：

σ_ij+αδ_ijp+F_i＝0 (4)

式中，σ_ij为含瓦斯煤岩体的有效应力张量。F_i为体积力。δ_ij为 Kronecker函数。

进一步，步骤8)中的瓦斯压力、地应力煤与瓦斯突出失稳判据如式(5)所示：

式中，

为线性应变。

为初始应力。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：充分考虑了瓦斯压力和地应力因素对被保护层卸压防突范围的影响，对被保护层的保护范围进行进一步准确估计，相较于以前单纯依据地应力卸压或者瓦斯含量判定保护范围，将二者结合起来进行判定，为卸压防突范围的精准确定提供了依据，基本上保障了保护层开采对被保护层影响范围的真实性和客观性，能够获得较为真实的无突出危险性范围，为被保护层开采提供有力保障。

附图说明

图1为判定方法流程图；

图2为测试钻孔布置示意图；

图3为保护范围理论边界线与测试钻孔位置关系示意图。(现场钻孔布置示意图如图3所示)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例针对现有技术中的指标考虑不全面的问题，提供一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，包括以下步骤：

1)根据被保护层埋深预估被保护层的初始地应力。测量被保护层煤体的弹性模量，确定在初始地应力下被保护层的压缩变形量。

2)根据《煤与瓦斯突出防治细则》确定保护范围理论边界线。

3)在钻场内向卸压边界区域施工16个穿煤钻孔作为测试钻孔。参见图2，钻场布置在保护层开采工作面机巷和保护层开采工作面风巷中。现场钻孔布置示意图如图3所示，在保护范围理论边界走向与倾向外侧5°、10°、15°和20°分别布置钻孔测试。测试钻孔的终孔位置超出测量的被保护层的顶底板位置，以保证获得较为准确的地应力和和膨胀变形量、瓦斯含量。

利用测试钻孔在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样。测定被保护层的瓦斯压力、被保护层膨胀变形量和被保护层地应力。测定被保护层的煤层顶底板的膨胀变形量，计算得出煤层的膨胀变形量，计算16个钻孔的被保护层的地应力。

4)测量被保护层煤体基本参数，基于大变形理论的本构方程计算应变，获得保护层开采过程中被保护层煤体的孔隙率变化。本构方程采用大变形理论中的增量形式本构方程：

式中，Δσ_ceij为Kirchhoff应力增量。

为参考初始位移的本构张量。Δε_rs为Green应变增量。

5)基于步骤4)所得煤体孔隙率变化，结合瓦斯压力计算得出被保护层煤体渗透率的动态变化。煤体渗透率变化如式(2)所示：

k_g(v,p)＝(a₁v²+a₂v+a₃)(1+c₁k_max/p) (2)

式中，v为体积应力。p为瓦斯压力。k_max为煤体的绝对渗透率。 a₁，a₂，a₃和c₁为实验拟合常数。

6)基于步骤5)中的煤体渗透率变化及孔隙-裂隙双重介质理论，结合煤体瓦斯运移的渗透-扩散方程计算得出被保护层煤体内瓦斯压力动态变化。

煤层瓦斯渗流方程如式(3)所示：

式中，β为瓦斯压缩系数。μ_g为瓦斯黏度。φ为孔隙率。E_m为弹性模量，GPa。b₁为极限瓦斯吸附量m³。b₂为极限瓦斯压力的倒数， MPa^-1。b′为考虑煤体成份和水分和瓦斯压力影响的密度。α为Biot 系数。ε_v为体积应变。t为时间。Q_n为源汇项。▽为Laplace算子。 k_g为煤岩体体积模量。p为煤层瓦斯压力。

7)基于步骤6)中计算得出的瓦斯压力结合Langmuir方程(朗格缪尔吸附等温线方程)得出瓦斯含量动态变化，将瓦斯压力代入有效应力计算方程得出含瓦斯煤体的有效应力。有效应力通过式(4)得出：

σ_ij+αδ_ijp+F_i＝0 (4)

式中，σ_ij为含瓦斯煤岩体的有效应力张量。F_i为体积力。δ_ij为 Kronecker函数(克罗内克δ函数)。

8)将被保护层瓦斯含量和地应力代入煤与瓦斯突出的失稳判据方程，判定特定地质条件下不同钻孔所划定的范围是否会发生突出。瓦斯含量、地应力煤与瓦斯突出失稳判据如式(5)所示：

式中，

为线性应变。

为初始应力。

9)依据16个钻孔判定的突出可能性划定保护范围实际边界线。如无突出危险性则边界外扩，如有突出危险性则保持原先划定的突出范围。

Claims (7)

1.一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据被保护层埋深预估被保护层的初始地应力；测量被保护层煤体的弹性模量，确定在初始地应力下被保护层的压缩变形量；

2)确定保护范围理论边界线；

3)在钻场内向保护范围外侧区域施工若干个穿煤钻孔作为测试钻孔；利用测试钻孔在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样；测定被保护层的瓦斯压力、被保护层膨胀变形量和被保护层地应力；

4)基于步骤3)中计算得出的瓦斯压力结合Langmuir方程得出瓦斯含量动态变化，将瓦斯压力代入有效应力计算方程得出含瓦斯煤体的有效应力；

5)测量被保护层煤体基本参数，基于大变形理论的本构方程计算应变，获得保护层开采过程中被保护层煤体的孔隙率变化；

6)基于步骤5)所得煤体孔隙率变化，结合瓦斯压力计算得出被保护层煤体渗透率的动态变化；

7)基于步骤6)中的煤体渗透率变化及孔隙-裂隙双重介质理论，结合煤体瓦斯运移的渗透-扩散方程计算得出被保护层煤体内瓦斯压力动态变化；

8)将计算得到的被保护层瓦斯压力和地应力代入煤与瓦斯突出的失稳判据方程，判定特定地质条件下不同钻孔所划定的范围是否会发生突出；

9)依据测试钻孔判定的突出可能性重新划定保护范围边界线。

2.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于：步骤2)中，采用空心包体应力解除法测量地应力；封孔测定瓦斯压力；测量被保护层顶底板位移量，进而计算出被保护层的最大膨胀变形量。

3.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，步骤5)中的本构方程采用大变形理论中的增量形式本构方程：

式中，Δσ_ceij为Kirchhoff应力增量；

为参考初始位移的本构张量；Δε_rs为Green应变增量。

4.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，步骤6)中的煤体渗透率变化如式(2)所示：

k_g(v，p)＝(a₁v²+a₂v+a₃)(1+c₁k_max/p) (2)

式中，v为体积应力；p为瓦斯压力，MPa；k_max为煤体的绝对渗透率；a₁，a₂，a₃和c₁为实验拟合常数。

5.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，步骤7)中的煤层瓦斯渗流方程如式(3)所示：

式中，

为Laplace算子；k_g为煤岩体体积模量；p为煤层瓦斯压力；

6.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，步骤4)中的有效应力通过式(4)得出：

σ_ij+αδ_ijp+F_i＝0 (4)

式中，σ_ij为含瓦斯煤岩体的有效应力张量；F_i为体积力；δ_ij为Kronecker函数。

7.根据权利要求1所述的一种煤层群开采双重卸压消突评判方法，其特征在于，步骤8)中的瓦斯压力、地应力煤与瓦斯突出失稳判据如式(5)所示：

式中，

为线性应变；

为初始应力。

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