CN113266315A - 一种煤层透气性系数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层透气性系数确定方法，属于矿井瓦斯抽采利用技术领域。本发明首先预设一个煤层透气性系数可能存在的范围区间；随后，分别基于现场实测与有限体积法计算的瓦斯比流量构建目标函数；然后，运用黄金分割搜索算法，并结合目标函数，逐渐缩小煤层透气性系数可能存在的范围；最终，当目标函数误差小于一定值时，从而确定煤层透气性系数。本发明的方法相比于传统的径向流量法，对煤层透气性系数的预测精度更高，操作更加简便，且在现场实测方面，本发明通过使用胶囊粘液封孔器和筛管护孔技术，以保障煤层瓦斯压力以及钻孔半径的检测准确性，从而提高煤层透气性系数的测试精度。
Description
技术领域
本发明属于矿井瓦斯抽采利用技术领域，更具体地说，涉及一种煤层透气性系数测算方法。
背景技术
瓦斯作为一种成煤过程的衍生物，不仅是一种高效的清洁能源，又是诱发煤与瓦斯突出与瓦斯爆炸的危险源，瓦斯抽采是解决矿井瓦斯问题的根本性措施，而煤层渗透率是评价瓦斯抽采难易程度的重要指标，因此，准确确定煤层渗透率对于矿井瓦斯的防治与利用具有重要的意义，目前，煤矿井下普遍采用径向流量法确定煤层透气性系数。
随着径向流量法的不断推广，其自身存在的问题也被不断暴露出来，在方法设计上，为获得瓦斯径向流动偏微分方程的解析解，将二阶非线性偏微分方程转化为了线性方程，这必然给透气性系数的计算带来一定的误差，其次，在渗透率求解过程中，需要多次试算才能找到合适的计算公式，操作较为复杂，并且有时还存在矛盾解的情况。
因此，设计一种能有效克服径向流量法问题的煤层透气性系数确定方法，对于矿井瓦斯资源的开发与利用具有重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种煤层透气性系数确定方法，步骤如下：
S10、设置最小煤层透气性系数λlow与最大煤层透气性系数λhigh；
S20、构建搜索路径计算模型，将λlow与λhigh带入搜索路径计算模型，获取第一渗透率系数路径值λl与第二渗透率系数路径值λ2，搜索路径计算模型为，
其中，
为黄金分割率，取
S30、通过在现场实测，获取t0时刻下的现场瓦斯比流量qexp(t0)；
S40、获取t0时刻下，煤层透气性系数λ分别为λl和λ2时的计算瓦斯比流量q(λ,t0)；
S50、构建目标函数计算模型S，将qexp(t0)及q(λ,t0)带入目标函数计算模型，分别计算λ＝λl和λ＝λ2时目标函数计算模型的值S(λ1)和S(λ2)，目标函数计算模型S为，
S＝[qexp(t0)-q(λ,t0)]2；
S60、对λlow和λhigh重新赋值，比较S(λ1)和S(λ2)的大小，当S(λ1)＞S(λ2)时，令λlow＝λ1，λhigh不变；当S(λ1)＜S(λ2)时，令λhigh＝λ2，λlow不变；
S70、重复步骤S20～S70，直至|S(λ1)-S(λ2)|＜1×10-6时，确定此时的λl和λ2值；
S80、通过步骤S70确定的λl和λ2值，计算确定煤层透气性系数λture，
λture＝(λ1+λ2)/2。
根据本发明实施例的煤层透气性系数确定方法，可选的，步骤S10中，设置最小煤层透气性系数λlow＝0，设置最大煤层透气性系数λhigh＝10。
根据本发明实施例的煤层透气性系数确定方法，可选的，步骤S40中，获取计算瓦斯比流量q(λ,t0)采用有限体积法、有限差分法或有限元法。
根据本发明实施例的煤层透气性系数确定方法，可选的，步骤S30中，获取现场瓦斯比流量qexp(t0)的具体步骤如下：
S31、由岩巷向邻近煤层施工一个穿层钻孔，该穿层钻孔与目标煤层垂直；
S32、钻孔施工至目标煤层时，及时接取钻进产生的煤屑，进行相应煤层物性参数测试；
S33、钻孔完成后，往钻孔内送入形状与钻孔相匹配的筛管；
S34、将胶囊粘液封孔器送入钻孔内；
S35、通过注水泵向胶囊粘液封孔器的胶囊内注入高压水，封堵胶囊粘液封孔器两胶囊间的带压粘液，然后向两胶囊间的空间继续注入带压粘液，使带压粘液处的压力高于钻孔内的瓦斯压力；
S36、通过阀门封闭钻孔，利用压力表检测钻孔内压力变化，待钻孔内压力能维持一天不变后，将此压力记为煤层原始瓦斯压力，打开阀门，对钻孔卸压；
S37、利用多级孔板流量计检测不同阀门开启时间时的瓦斯涌出流量，并换算成瓦斯比流量，取t0时刻的瓦斯比流量为qexp(t0)。
根据本发明实施例的煤层透气性系数确定方法，可选的，步骤S40中，获取计算瓦斯比流量q(λ,t0)采用有限体积法，具体步骤如下：
S41、流场内网格划分，以钻孔轴线长度方向为轴向，以煤层走向为径向，将流场内的网格划分为由n个空心圆柱体状的控制体组成的大空心圆柱体，其中，越靠近钻孔的相邻节点间距越小，相邻节点间距等比变化；
S42、构建离散方程，
其中，i代表第i个控制体，j代表第j个时间步，Δt为时间步长度，r为第i个控制体网格中央到流场中心的距离，P为瓦斯压力的平方，a和b为朗格缪尔吸附常数，c为煤层孔隙率，ρ为煤体的视密度；
受边界条件限制，节点1和节点n处的瓦斯压力平方始终满足下式，
其中，Ps为大气压力的平方，Pn为煤层原始瓦斯压力的平方；
S43、求解离散方程，随着时间步的不断推进，即可获知全时段内流场的瓦斯压力分布，然后通过下式获取各个时刻下的瓦斯比流量，
取t0时刻的瓦斯比流量为q(λ,t0)。
本发明的煤层透气性系数确定方法，克服了径向流量法中二阶非线性偏微分方程的反向求解问题，避免了矛盾解出现，且本方法对煤层透气性系数的预测精度更高；同时，本发明的方法计算模型确定，无需通过多次试算来确定合适的计算公式，因此在实际操作时，可以将计算模型封装在程序中，输入参数即可获得确定煤层透气性系数，操作更加简便；在现场实测方面，本发明通过使用胶囊粘液封孔器和筛管护孔技术，来保障煤层瓦斯压力以及钻孔半径的检测准确性，进一步提高了煤层透气性系数的确定精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1示出了本发明在现场实测获取瓦斯比流量时的设备布置示意图；
图2示出了本发明在现场实测获取瓦斯比流量时的设备布置另一视角示意图；
图3示出了本发明的流场网格划分示意图；
图4示出了目标函数模型缩小搜索范围原理图；
图5示出了实施例2中两处测试钻孔瓦斯比流量随时间变化关系图；
图6示出了实施例2中不同方法得到煤层透气性系数确定值与时间变化关系图；
图7示出了实施例2中钻孔瓦斯比流量预测值与实测值的对比图；
附图标记：
1、岩巷；2、煤层；3、胶囊粘液封孔器；4、压力表；5、阀门；6、多级孔板流量计；7、筛管；8、注水泵；9、粘液泵；10、带压粘液；11、减压阀；12、氦气瓶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
准确测试煤层渗透率是瓦斯运移定量化分析的基础，传统的径向流量法在操作过程中，将瓦斯径向流动的二阶非线性偏微分方程线简化为了线性方程，改变了煤体的吸附特性，这必然引起渗透率系数的分析误差，且径向流量法需要通过多次试算来确定合适的计算模型，使得整个方法无法预先封装在程序中既定执行，导致煤层渗透率的确定过程工作量大大增加。
针对上述问题，本实施例设计了一种煤层透气性系数确定方法，步骤如下：
S10、设置最小煤层透气性系数λlow与最大煤层透气性系数λhigh，本实施例初设最小煤层透气性系数λlow＝0，最大煤层透气性系数λhigh＝10；
S20、构建搜索路径计算模型，将λlow与λhigh带入搜索路径计算模型，获取第一渗透率系数路径值λl与第二渗透率系数路径值λ2，搜索路径计算模型为，
其中，
为黄金分割率，取
S30、通过在现场实测，获取t0时刻下的现场瓦斯比流量qexp(t0)，具体步骤为，
S31、如图1所示，由岩巷1向邻近煤层2施工一个穿层钻孔，期间记录钻孔的施工角度、见煤长度，该穿层钻孔与目标煤层垂直；
S32、在钻进过程中，采用压风排渣，钻孔施工至目标煤层时，及时接取煤屑，用以煤体物理化学参数测试；
S33、钻孔完成后，钻杆退出，往钻孔内送入形状与钻孔相匹配的筛管7，以防止钻孔变形导致钻孔半径改变；
S34、将胶囊粘液封孔器3送入钻孔内2m位置处；
S35、如图2所示，通过注水泵8向胶囊粘液封孔器3的胶囊内注入5MPa的高压水，以封堵胶囊粘液封孔器两胶囊间的带压粘液10，然后启动粘液泵9向两胶囊间的空间继续注入带压粘液10，以封堵钻孔内的瓦斯，使带压粘液10处的压力高于钻孔内的瓦斯压力；
S36、利用氦气瓶12，调节减压阀11向钻孔内冲入一定压力的氦气以补充钻孔过程中损失的瓦斯压力，通过如图1所示的阀门5封闭钻孔，利用阀门5前的压力表4检测钻孔内压力变化，阀门5刚关闭时，钻孔内压力会逐渐上升，待钻孔内压力能维持一天不变后，将此压力记为煤层原始瓦斯压力，打开阀门5，对钻孔卸压；
S36、阀门5后连通有多级孔板流量计6，利用多级孔板流量计6检测不同阀门5开启时间时的瓦斯涌出流量，并换算成瓦斯比流量，取t0时刻的瓦斯比流量为qexp(t0)，换算公式如下，
q为换算的到的瓦斯比流量，Q为多级孔板流量计6检测到的对应时刻的瓦斯涌出量，b为钻孔半径，h为煤层厚度；
S40、本实施例通过有限体积法，获取t0时刻下，煤层透气性系数λ分别为λl和λ2时的计算瓦斯比流量q(λ,t0)，具体步骤为，
S41、流场内网格划分，基于瓦斯的径向非稳定流动特征，本实施例以钻孔轴线长度方向为轴向，以煤层走向为径向，将流场内的网格划分为由n个空心圆柱体状的控制体组成的大空心圆柱体，如图3所示，其中，越靠近钻孔的相邻节点间距越小，相邻节点间距等比变化，本实施例中变化比为1.1；
S42、构建离散方程，流场内的离散方程可根据质量守恒方程得出，即单位时间内控制体i瓦斯质量的变化量等于右侧边界流入的瓦斯质量减去左侧边界流出的瓦斯质量，由此构建离散方程如下，
其中，i代表第i个控制体，j代表第j个时间步，Δt为时间步长度，r为第i个控制体网格中央到流场中心的距离，P为瓦斯压力的平方，a和b为朗格缪尔吸附常数，c为煤层孔隙率，ρ为煤体的视密度，a、b、c和ρ根据步骤S32测得的参数计算确定，相关计算方法为本领域常规技术手段，在此不做赘述；
受边界条件限制，节点1和节点n处的瓦斯压力平方始终满足下式，
其中，Ps为大气压力的平方，Pn为煤层原始瓦斯压力的平方；
S43、求解离散方程，根据式(3)，结合边界条件式(4)和式(5)，可以列出n-2个带有n-2个未知的非线性方程组，在已知j-1时刻各个节点瓦斯压力的情况下，通过求解上述方程组便可获知下个时刻流场内的瓦斯压力分布，由于建立的离散方程组是非线性方程组，因此采用高斯赛德尔点迭代求解，随着时间步的不断推进，即可获知全时段内流场的瓦斯压力分布，然后通过下式(6)获取各个时刻下的瓦斯比流量，
取t0时刻的瓦斯比流量为q(λ,t0)；
S50、构建目标函数计算模型S，将qexp(t0)及q(λ,t0)带入目标函数计算模型，分别计算λ＝λl和λ＝λ2时目标函数计算模型的值S(λ1)和S(λ2)，目标函数计算模型S为，
S＝[qexp(t0)-q(λ,t0)]2 (7)
S60、对λlow和λhigh重新赋值，比较S(λ1)和S(λ2)的大小，从目标函数计算模型S可以看出，当煤层透气性系数偏离真值越大时，相应时刻的瓦斯比流量值就越大，会导致目标函数计算模型的值越大，如图4所示，因此，目标函数在特定的搜索范围有且仅有一个极小值，当S(λ1)＞S(λ2)时，表明真值在λ1点的右侧，故令λlow＝λ1，λhigh不变；当S(λ1)＜S(λ2)时，表明真值在λ2点的左侧，故令λhigh＝λ2，λlow不变；
S70、重复步骤S20～S70，直至|S(λ1)-S(λ2)|＜1×10-6时，确定此时的λl和λ2值；
S80、通过步骤S70确定的λl和λ2值，计算确定煤层透气性系数λture，
λture＝(λ1+λ2)/2。
进一步地，常规情况下λl和λ2值的最终确定均在0～10的范围内，极个别情况下，若经步骤S70确定的λl的值为10，说明初始预设的0～10的范围值较小，可重新预设更大的范围值10～20，或0～20均可。
本实施例的煤层透气性系数的确定方法，以有限体积法为基础，由于有限体积法必须已知煤层透气性系数，才能求解瓦斯比流量，而本方法的目的是为了确定煤层透气性系数，因此，本方法在有限体积法的基础上进行了改进，先通过S10步骤假设一个煤层透气性系数可能存在的范围区间，按照经验值取λlow＝0，λhigh＝10，然后通过S20设定了搜索路径，按照式(1)的模型结合式(7)及S60的判断方法，逐渐缩小搜索范围，直至式(7)的目标函数值达到全局最小值，便可输出煤层透气性系数。
实施例2
本实施例通过实际试验，验证本申请的煤层透气性系数确定方法的有效性。
本申请以河北省邯郸市九龙矿一处工作面为背景进行实验，其中，煤层平均厚度为5.7m，平均走向长度841m，倾斜长130m，煤层倾角19°，前期瓦斯参数测试表明，煤层的原始瓦斯压力最大为0.82MPa，平均瓦斯含量9.7m3/t。
为避免地质构造对测试参数产生影响，本实施例在进风巷施工两个穿层测试钻孔，即1#钻孔与2#钻孔，两钻孔的间距为20m，终孔位置均位于工作面并贯穿全煤层，测试期间，在测试钻孔周围20m范围内未施工任何钻孔。
针对测试钻孔进行现场实测瓦斯流量时，在测试初期，每隔半小时左右通过多级孔板流量计6读取一次流量值，随后，每隔一天读取流量值一次，两个测试钻孔瓦斯自然涌出流量如表1所示。
表1.测试钻孔瓦斯自然涌出流量
将钻孔瓦斯流量通过式(2)换算成瓦斯比流量，得到瓦斯比流量随时间变化关系图，如图5所示，其中图5(a)为1#测试钻孔的关系图，图5(b)为2#测试钻孔的关系图。
将现场实测的各参数值分别代入本申请的基于有限体积法的煤层透气性系数确定方法以及常规的径向流量法，分别进行煤层透气性系数的测算，得到煤层透气性系数确定值与时间变化关系图，如图6所示，其中图6(a)为1#测试钻孔煤层透气性系数确定值与时间变化关系图，图6(b)为2#测试钻孔煤层透气性系数确定值与时间变化关系图。
进一步地，本实施例分别以两种方法在第五天确定的煤层透气性系数来预测第十天、第十五天及第二十天的钻孔瓦斯比流量，得到预测值与实测值的对比图如图7所示，其中图7(a)为1#测试钻孔瓦斯比流量预测值与实际值的对比图，图7(b)为2#测试钻孔瓦斯比流量预测值与实际值的对比图。
图6和图7中的有限体积流量法即为本申请的方法，径向流量法即为现有技术中常用的方法，从图7中可以看出，本申请方法确定的煤层透气性系数预测的瓦斯比流量值更接近于实测的真实值，以第二十天的测试数据为例，径向流量法预测1#和2#测试钻孔的误差率分别为本申请方法预测的1.56和1.48倍，由此表明，本申请的方法确定的煤层透气性系数的精度优于径向流量法，更适用于井下煤层透气性系数测试。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种煤层透气性系数确定方法，其特征在于，步骤如下：
S10、设置最小煤层透气性系数λlow与最大煤层透气性系数λhigh；
S20、构建搜索路径计算模型，将λlow与λhigh带入搜索路径计算模型，获取第一渗透率系数路径值λ1与第二渗透率系数路径值λ2，搜索路径计算模型为，
其中，
为黄金分割率，取
S30、通过在现场实测，获取t0时刻下的现场瓦斯比流量qexp(t0)；
S40、获取t0时刻下，煤层透气性系数λ分别为λl和λ2时的计算瓦斯比流量q(λ,t0)；
S50、构建目标函数计算模型S，将qexp(t0)及q(λ,t0)带入目标函数计算模型，分别计算λ＝λl和λ＝λ2时目标函数计算模型的值S(λ1)和S(λ2)，目标函数计算模型S为，
S＝[qexp(t0)-q(λ,t0)]2；
S60、对λlow和λhigh重新赋值，比较S(λ1)和S(λ2)的大小，当S(λ1)＞S(λ2)时，令λlow＝λ1，λhigh不变；当S(λ1)＜S(λ2)时，令λhigh＝λ2，λlow不变；
S70、重复步骤S20～S70，直至|S(λ1)-S(λ2)|＜1×10-6时，确定此时的λl和λ2值；
S80、通过步骤S70确定的λl和λ2值，计算确定煤层透气性系数λture，
λture＝(λ1+λ2)/2。
2.根据权利要求1所述的一种煤层透气性系数确定方法，其特征在于：步骤S10中，设置最小煤层透气性系数λlow＝0，设置最大煤层透气性系数λhigh＝10。
3.根据权利要求1所述的一种煤层透气性系数确定方法，其特征在于：步骤S40中，获取计算瓦斯比流量q(λ,t0)采用有限体积法、有限差分法或有限元法。
4.根据权利要求1所述的一种煤层透气性系数确定方法，其特征在于，步骤S30中，获取现场瓦斯比流量qexp(t0)的具体步骤如下：
S31、由岩巷向邻近煤层施工一个穿层钻孔，该穿层钻孔与目标煤层垂直；
S32、钻孔施工至目标煤层时，及时接取钻进产生的煤屑，进行相应煤层物性参数测试；
S33、钻孔完成后，往钻孔内送入形状与钻孔相匹配的筛管；
S34、将胶囊粘液封孔器送入钻孔内；
S35、通过注水泵向胶囊粘液封孔器的胶囊内注入高压水，封堵胶囊粘液封孔器两胶囊间的带压粘液，然后向两胶囊间的空间继续注入带压粘液，使带压粘液处的压力高于钻孔内的瓦斯压力；
S36、通过阀门封闭钻孔，利用压力表检测钻孔内压力变化，待钻孔内压力能维持一天不变后，将此压力记为煤层原始瓦斯压力，打开阀门，对钻孔卸压；
S37、利用多级孔板流量计检测不同阀门开启时间时的瓦斯涌出流量，并换算成瓦斯比流量，取t0时刻的瓦斯比流量为qexp(t0)。
5.根据权利要求3所述的一种煤层透气性系数确定方法，其特征在于，步骤S40中，获取计算瓦斯比流量q(λ,t0)采用有限体积法，具体步骤如下：
S41、流场内网格划分，以钻孔轴线长度方向为轴向，以煤层走向为径向，将流场内的网格划分为由n个空心圆柱体状的控制体组成的大空心圆柱体，其中，越靠近钻孔的相邻节点间距越小，相邻节点间距等比变化；
S42、构建离散方程，
其中，i代表第i个控制体，j代表第j个时间步，Δt为时间步长度，r为第i个控制体网格中央到流场中心的距离，P为瓦斯压力的平方，a和b为朗格缪尔吸附常数，c为煤层孔隙率，ρ为煤体的视密度；
受边界条件限制，节点1和节点n处的瓦斯压力平方始终满足下式，
其中，Ps为大气压力的平方，Pn为煤层原始瓦斯压力的平方；
S43、求解离散方程，随着时间步的不断推进，即可获知全时段内流场的瓦斯压力分布，然后通过下式获取各个时刻下的瓦斯比流量，
取t0时刻的瓦斯比流量为q(λ,t0)。
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