CN112855251B - 一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔围岩塑性区范围的方法 - Google Patents
一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔围岩塑性区范围的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，包括：1)确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔；2)对抽采钻孔进行水力辅助扩孔；3)通过测量装置获取钻孔整个抽采生命周期的钻孔流量以及瓦斯浓度；4)通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围；5)根据计算的塑性区范围指导水力冲孔下的煤巷支护设计。通过对单个钻孔在瓦斯抽采期间的数据监测，间接计算出水力冲孔的塑性范围，记录整个抽采生命周期的钻孔瓦斯流量以及瓦斯浓度，通过计算单孔瓦斯抽采总量值间接测量出水力冲孔下的塑性范围，不涉及数值模拟与室内实验等繁琐的步骤，且结果对后期煤巷支护设计有较强的参考价值。其测量方法简单，现场操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿瓦斯抽采以及巷道支护领域，具体涉及一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法。
背景技术
目前对于低渗透性煤层矿井多采用穿层水力化措施进行瓦斯防治，其中，水力冲孔技术对于低渗透煤层瓦斯治理效果尤为突出。水力冲孔技术采用高压水射流破碎煤体，待煤体冲出后形成煤腔，引起孔道周边煤体应力减少，卸压增透，从而提高瓦斯抽采量，消除煤巷掘进期间的瓦斯突出问题，保证巷道安全快速掘进的目的。
一般来说，抽采钻孔经水力扩孔后，周围煤体发生一定范围内的塑性破坏，如果煤巷掘进需经过该区域时，那么在巷道支护设计上需要着重分析水力冲孔后的塑性区范围对支护参数的影响，如采用锚网支护时锚杆、锚索长度的选取。目前确定塑性区范围的现场测试方法有地质雷达方法、钻孔窥视方法、随钻测试方法等。但是这些方法多是以巷道开挖为研究对象，很难直接对煤层中的水力冲孔的塑性区进行测量。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，在瓦斯抽采过程中，对瓦斯抽采钻孔进行流量以及瓦斯浓度的监测，得到抽采时间内的瓦斯抽采量，进而求出水力冲孔的塑性区范围，从而为巷道支护设计提供参考。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A、确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔以及煤层的原始瓦斯浓度；
步骤B、对抽采钻孔进行水力辅助扩孔，增大瓦斯抽采量；
步骤C、通过瓦斯抽采综合测定仪获取钻孔整个抽采时间内的瓦斯抽采量；
步骤D、通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围；
步骤E、根据计算的塑性区范围指导水力冲孔下的煤巷支护设计。
所述确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔以及煤层的原始瓦斯浓度过程如下：
首先根据工作面的煤巷掘进平面图，明确煤巷掘进的规划区域内哪些抽采钻孔需要进行水力扩孔，并通过对煤层预先打孔安装压力计测定煤层的原始瓦斯浓度。
所述对抽采钻孔进行水力辅助扩孔的过程如下：
对确定的瓦斯抽采钻孔进行水力冲孔造穴，以增加瓦斯抽采效果，完成冲孔并清理冲孔出煤，用煤体测量箱估算冲孔出煤的量m，通过下式求出冲孔后的煤腔半径r1：
式中：ρ为煤体视密度，r0为水力冲孔前钻孔半径，l为水力冲孔的见煤长度。
所述通过瓦斯抽采综合测定仪获取钻孔整个抽采时间内的瓦斯抽采量的过程如下：
在水力冲孔后的钻孔内插入抽采管并进行密封，在抽采管的外露一端安装瓦斯抽采综合测定仪，定期测量钻孔内的瓦斯纯量，做好数据记录，最终绘制钻孔瓦斯纯量随抽采时间的关系曲线。
所述通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围如过程如下：
对于整个抽采生命周期，单个钻孔的瓦斯抽采量表示为：
式中：Q为抽采时间内瓦斯抽采量，q为瓦斯纯量，dt为抽采时间的微分，T为抽采总时间；
如瓦斯抽采的影响范围为r2，即在r＝r2处的瓦斯含量为煤层原始瓦斯含量，水力冲孔后周围煤体形成塑性区，其塑性区半径rp的范围介于r1与r2之间，对于一个特定的工程背景来说，塑性区范围与瓦斯抽采影响范围近似满足正相关关系，引入比例系数k，使r2＝krp，得出单个钻孔瓦斯抽采量与水力冲孔满足如下隐式方程组：
式中，k1、k2为待定系数，W0为煤层原始瓦斯含量，W1为抽采负压下的煤腔内残余瓦斯含量，根据已知数据利用迭代求解方法可以直接确定k1、k2、rp的值。
所述的比例系数k需根据现场揭露的第一个水力冲孔塑性区范围进行验证，以现场揭露的第一个水力冲孔称之为验证钻孔，在没有比例系数k的情况下，通过现场钻孔窥视方法确定验证钻孔的塑性区半径rp，进而求出水力冲孔的比例系数k，该比例系数k同样适用同一工况下的其他水力扩孔。
有益效果：本发明在瓦斯抽采过程中，通过对单个钻孔在瓦斯抽采期间的数据监测，间接计算出水力冲孔的塑性范围，在此过程中只需记录整个抽采生命周期的钻孔瓦斯流量以及瓦斯浓度，通过计算单孔瓦斯抽采总量值间接测量出水力冲孔下的塑性范围，利用对瓦斯抽采钻孔进行流量以及瓦斯浓度的监测，得到抽采时间内的瓦斯抽采量，进而求出水力冲孔的塑性区范围，测量原理简单，现场操作方便；此外，本发明涉及的大部分数据都是在瓦斯抽采期间的现场实测完成，不涉及数值模拟与室内实验等繁琐的步骤，且结果对后期煤巷支护设计有较强的参考价值，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是本发明实施例1#钻孔抽采瓦斯纯量随抽采时间关系曲线图。
图3是本发明实施例2#钻孔抽采瓦斯纯量随抽采时间关系曲线图。
图4是本发明实施例3#钻孔抽采瓦斯纯量随抽采时间关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明的实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，具体步骤如下：
步骤A、确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔以及煤层的原始瓦斯浓度；过程如下：首先根据工作面的煤巷掘进平面图，明确煤巷掘进的规划区域内哪些抽采钻孔需要进行水力扩孔，并通过对煤层预先打孔安装压力计测定煤层的原始瓦斯浓度。
步骤B、对抽采钻孔进行水力辅助扩孔，增大瓦斯抽采量；过程如下：
对确定的瓦斯抽采钻孔进行水力冲孔造穴，以增加瓦斯抽采效果，完成冲孔并清理冲孔出煤，用煤体测量箱估算冲孔出煤的量m，通过下式求出冲孔后的煤腔半径r1：
式中：ρ为煤体视密度，r0为水力冲孔前钻孔半径，l为水力冲孔的见煤长度。
步骤C、通过瓦斯抽采综合测定仪获取钻孔整个抽采时间内的瓦斯抽采量；过程如下：
在水力冲孔后的钻孔内插入抽采管并进行密封，在抽采管的外露一端安装瓦斯抽采综合测定仪，定期测量钻孔内的瓦斯纯量，做好数据记录，最终绘制钻孔瓦斯纯量随抽采时间的关系曲线。
步骤D、通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围；过程如下：
对于整个抽采生命周期，单个钻孔的瓦斯抽采量表示为：
式中：Q为抽采时间内瓦斯抽采量，q为瓦斯纯量，dt为抽采时间的微分，T为抽采总时间；
如瓦斯抽采的影响范围为r2，即在r＝r2处的瓦斯含量为煤层原始瓦斯含量，水力冲孔后周围煤体形成塑性区，其塑性区半径rp的范围介于r1与r2之间，对于一个特定的工程背景来说，塑性区范围与瓦斯抽采影响范围近似满足正相关关系，引入比例系数k，使r2＝krp，得出单个钻孔瓦斯抽采量与水力冲孔满足如下隐式方程组：
式中，k1、k2为待定系数，W0为煤层原始瓦斯含量，W1为抽采负压下的煤腔内残余瓦斯含量，根据已知数据利用迭代求解方法可以直接确定k1、k2、rp的值。
所述的比例系数k需根据现场揭露的第一个水力冲孔塑性区范围进行验证，以现场揭露的第一个水力冲孔称之为验证钻孔，在没有比例系数k的情况下，通过现场钻孔窥视方法确定验证钻孔的塑性区半径rp，进而求出水力冲孔的比例系数k，该比例系数k同样适用同一工况下的其他水力扩孔。
步骤E、根据计算的塑性区范围指导水力冲孔下的煤巷支护设计。
下面以某煤矿21051工作面为例，具体步骤为：
步骤A：选择21051煤巷掘进规划线路附近区域的瓦斯抽采钻孔1#，2#，3#，其中1#钻孔已经揭露，通过钻孔窥视测得该水力冲孔的塑性区范围为2.4米。
步骤B：对1#钻孔进行水力扩孔，形成煤腔，以增加瓦斯抽采效果，此过程得到出冲孔后的煤腔半径r1为0.75米，水力冲孔见煤长度l为4.7米；
步骤C：通过测量装置获取了1#钻孔整个抽采时间内的钻孔流量以及瓦斯浓度，绘制抽采瓦斯纯量随抽采时间关系曲线图见图2；
步骤D：煤层瓦斯含量为原始瓦斯含量取3.22m3·t-1，W1为抽采负压下的煤腔内残余瓦斯含量0.6m3·t-1，代入隐式方程组，通过迭代计算，解出1#钻孔水力冲孔的影响半径为3.51米，进而求得比例系数k为1.468；
由于2#钻孔、3#钻孔与1#钻孔属于同一区域，因此比例系数k同样适用2#、3#钻孔；结合图2-3，重复步骤B、C、D进而求得2#钻孔水力冲孔的塑性区范围为2.50米，3#钻孔水力冲孔的塑性区范围为2.52米；
步骤E：2#抽采钻孔水力扩孔后的塑性区约2.54米，3#钻孔水力冲孔的塑性区范围为2.52米；在之后的煤巷支护设计时，当煤巷附近有水力扩孔时，适当调整支护参数，比如采用锚网支护体系时，选择合适的锚杆长度，以保证有效的锚固长度。
Claims (5)
1.一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A、确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔以及煤层的原始瓦斯浓度；
步骤B、对抽采钻孔进行水力辅助扩孔，增大瓦斯抽采量；
步骤C、通过瓦斯抽采综合测定仪获取钻孔整个抽采时间内的瓦斯抽采量；
步骤D、通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围；
步骤E、根据计算的塑性区范围指导水力冲孔下的煤巷支护设计；
所述通过计算获得钻孔在水力冲孔下的塑性区范围如过程如下：
对于整个抽采生命周期，单个钻孔的瓦斯抽采量表示为：
式中：Q为抽采时间内瓦斯抽采量，q为瓦斯纯量，dt为抽采时间的微分，T为抽采总时间；
如瓦斯抽采的影响范围为r2，即在r＝r2处的瓦斯含量为煤层原始瓦斯含量，水力冲孔后周围煤体形成塑性区，其塑性区半径rp的范围介于r1与r2之间，对于一个特定的工程背景来说，塑性区范围与瓦斯抽采影响范围近似满足正相关关系，引入比例系数k，使r2＝krp，得出单个钻孔瓦斯抽采量与水力冲孔满足如下隐式方程组：
式中，k1、k2为待定系数，W0为煤层原始瓦斯含量，W1为抽采负压下的煤腔内残余瓦斯含量，根据已知数据利用迭代求解方法可以直接确定k1、k2、rp的值，ρ为煤体视密度，l为水力冲孔的见煤长度；r1为煤腔半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于：所述确定煤层巷道掘进影响区域下的瓦斯抽采钻孔以及煤层的原始瓦斯浓度过程如下：
首先根据工作面的煤巷掘进平面图，明确煤巷掘进的规划区域内哪些抽采钻孔需要进行水力扩孔，并通过对煤层预先打孔安装压力计测定煤层的原始瓦斯浓度。
3.根据权利要求1所述的一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于：所述对抽采钻孔进行水力辅助扩孔的过程如下：
对确定的瓦斯抽采钻孔进行水力冲孔造穴，以增加瓦斯抽采效果，完成冲孔并清理冲孔出煤，用煤体测量箱估算冲孔出煤的量m，通过下式求出冲孔后的煤腔半径r1：
式中：ρ为煤体视密度，r0为水力冲孔前钻孔半径，l为水力冲孔的见煤长度。
4.根据权利要求1所述的一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于：所述通过瓦斯抽采综合测定仪获取钻孔整个抽采时间内的瓦斯抽采量的过程如下：
在水力冲孔后的钻孔内插入抽采管并进行密封，在抽采管的外露一端安装瓦斯抽采综合测定仪，定期测量钻孔内的瓦斯纯量，做好数据记录，最终绘制钻孔瓦斯纯量随抽采时间的关系曲线。
5.根据权利要求1所述的一种基于瓦斯抽采量确定水力冲孔塑性区范围的方法，其特征在于：所述的比例系数k需根据现场揭露的第一个水力冲孔塑性区范围进行验证，以现场揭露的第一个水力冲孔称之为验证钻孔，在没有比例系数k的情况下，通过现场钻孔窥视方法确定验证钻孔的塑性区半径rp，进而求出水力冲孔的比例系数k，该比例系数k同样适用同一工况下的其他水力扩孔。
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