基於穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的方法與流程
2023-11-07 02:07:02
本發明屬於瓦斯抽採及防治煤與瓦斯突出方面的煤礦安全技術領域，具體涉及一種基於穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的計算方法。
背景技術：
煤礦利用鑽孔預抽煤層瓦斯時，在煤層瓦斯壓力和孔底負壓的共同作用下，鑽孔周圍煤體的瓦斯不斷進入鑽孔被抽走，形成以鑽孔中線為軸心的類似圓形的抽採影響圈，此抽採影響圈範圍大小稱為抽採影響半徑，是指在規定的時間內煤層原始瓦斯壓力與瓦斯含量受到影響並開始下降邊界點與抽採鑽孔中心的距離。有效抽採半徑，是指在規定時間內以抽採鑽孔為中心，一定範圍內瓦斯壓力或瓦斯含量降到某一安全容許值範圍，該範圍大小即為抽採有效半徑。
一直以來，針對順層鑽孔的有效抽採半徑測定方法探討較多，穿層鑽孔的有效抽採半徑測定類似於順層鑽孔的測定方法，因此，在工程應用中難以避免鑽孔量大，觀測期長的弊端。目前，測定穿層鑽孔有效抽採半徑的方法主要有現場測定法、數值模擬法和計算機模擬法。現場測定法主要有：壓降法、流量法、含量指標法、示蹤氣體法等。需要指出，這些方法均是在煤層內先打一排測試孔，安裝相應的測試儀器，封閉嚴密，然後在其一側施工抽採孔抽採，定期觀測測試孔內的壓力或流量指標，若某一鑽孔的觀測指標數左趨近於相關防突規定的邊界指標要求，則該鑽孔與抽採孔的距離即為有效抽採半徑。示蹤氣體法同樣需要施工注氣孔和一排觀測孔。相比於單孔測試法，上述測定方法鑽孔量大，所需設備多，封孔效果直接影響到測試結果的可靠性，並且此類方法是基於觀測比較的方法，觀測孔並不能保證恰好布置在有效抽採邊界上，因此很大程度上影響了測定的準確性。
通過理論分析數值模擬方法得到鑽孔有效抽採半徑仍是一個難題，主要表現在煤層鑽孔周圍瓦斯流動的數學模型建立比較複雜，同時模型的數值解目前還很難求解，往往需要藉助計算機；穿層鑽孔周圍符合徑向流場瓦斯壓力分布，以達西定律為基礎可推導出穿層鑽孔周圍瓦斯流動的微分方程，通過一系列數學處理求出徑向瓦斯流場定解問題的近似解析解，進而推導出穿層鑽孔的有效影響半徑計算式，結合現場鑽孔瓦斯流量觀測數據得到有效影響半徑，但這一過程較為複雜，需要測量的參數較多，在工程應用中不夠簡便快捷。由於煤層瓦斯壓力測試技術仍存在很多不足之處，這些以測定鑽孔瓦斯壓力為參考指標的方法就很難避免由於瓦斯壓力測試問題所帶來的誤差，諸如壓降法和含量指標法。計算機模擬法往往需要基於較多的假設，設定邊界條件，建立鑽孔周圍瓦斯流場模型，進行編程模擬確定有效抽採半徑，但這些假設太過理想化，與實際情況存在較大偏差。
技術實現要素：
本發明為了解決現有技術中的不足之處，提供一種工程量小、測量準確、耗時較短，計算簡便，無需抽採系統的基於穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的方法。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：基於穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的方法，包括了以下步驟：
1） 為了鑽孔施工方便，瓦斯湧出量觀測準確，選取底板抽採巷施工上向穿層鑽孔，保證鑽孔穿透煤體至上覆巖層，及時封孔；
2） 測定鑽孔的瓦斯初始湧出量，繼續測定鑽孔的瓦斯自然湧出量，依據測試數據繪製鑽孔瓦斯湧出總量與湧出有效時間之間的變化曲線；
3）結合鑽孔周圍集中應力對鑽孔瓦斯湧出量影響，對變化曲線進行分析，將瓦斯湧出量分為受集中應力影響和不受集中應力影響兩個階段；對鑽孔瓦斯湧出總量與湧出有效時間之間的變化曲線進行回歸分析和擬合分析，分別確定前、後期鑽孔瓦斯湧出量冪指數曲線及衰減係數；
4）依據鑽孔瓦斯湧出有效時間t內對瓦斯湧出總量之間的變化曲線，建立以下函數關係式，，積分計算瓦斯湧出總量；
5） 確定在極限抽採影響區域內建立任一點至鑽孔中心的距離與殘存瓦斯含量的函數關係式，在極限抽採半徑r上積分確定殘存瓦斯量；
6） 建立煤層瓦斯含量、瓦斯湧出總量和殘存瓦斯量之間的等式，求解極限抽採半徑r；
7） 依據極限瓦斯湧出半徑邊界瓦斯壓力p指標以及函數關係式，確定瓦斯自然湧出的有效影響半徑，即為穿層鑽孔有效抽採半徑；p0為煤層瓦斯壓力。
步驟6）中函數關係式的具體確定過程為：在以鑽孔為中心的瓦斯自然湧出極限影響圈內，鑽孔周圍瓦斯流動符合徑向流場，針對單個鑽孔而言，瓦斯自然湧出量與湧出時間和煤層瓦斯衰減係數有關，瓦斯自然湧出量測試過程中，初期由於施工穿層鑽孔後，鑽孔周圍煤體得到洩壓，瓦斯迅速卸壓湧出，初始瓦斯湧出量大，此階段煤層瓦斯衰減係數較大；隨著時間的推移，煤體中瓦斯壓力梯度逐漸減小；後期瓦斯自然湧出量明顯降低，瓦斯衰減係數較小；由於前後期瓦斯衰減係數相差較大，將整個過程的鑽孔瓦斯自然湧出曲線分為前、後期進行擬合，分別求解瓦斯衰減係數和，分段擬合的優勢在於瓦斯自然湧出總量的求解結果更加準確；通過對某段時間的積分求得單個鑽孔瓦斯湧出總量；在極限抽採半徑範圍內滿足鑽孔瓦斯湧出總量近似等於瓦斯湧出影響範圍內煤層瓦斯總量減去殘存瓦斯含量，以此建立等式。
步驟5）中函數關係式的具體確定過程為：穿層鑽孔周圍瓦斯流場視作二維徑向無限流場，建立以鑽孔為中心的平面坐標系，以極限抽採半徑內為考察範圍，該範圍可以看作是以極限抽採半徑為底，煤層厚度為高的圓柱體，可求得考察範圍內煤層瓦斯總量，建立考察範圍內任一點至鑽孔中心的距離與殘存瓦斯含量的微分方程，通過在[0，r]上的積分可求得殘存瓦斯含量；為了簡化計算過程將郎格繆爾方程中游離態瓦斯含量的修正部分捨去，以煤層壓力為單一變量對瓦斯含量進行預測；
原理分析如下：以實測巷道周圍瓦斯壓力變化曲線資料為依據，巷道周圍存在卸壓區、應力集中區和原始應力區，卸壓區內的煤體得到卸壓，瓦斯得到釋放，卸壓區表面瓦斯壓力接近於大氣壓，之後瓦斯壓力呈現直線式增長；在應力集中區，瓦斯壓力出現極值；再向深部為原始應力區，為原始煤層瓦斯壓力。雖然在應力集中區煤層瓦斯壓力出現極值，高於煤層原始瓦斯壓力，但不是煤層瓦斯含量增加造成，而是由於煤層整體呈現收縮狀態，孔隙收縮，游離的體積減小所致；觀測表明，此類情況造成的瓦斯壓力增加值一般為0.3~0.5MPa，如果用瓦斯壓力峰值減去此增加值進行修正，則卸壓區表面到原始應力區的瓦斯壓力呈現近直線式增長。因此，用原煤的瓦斯壓力值與吸附常數，與呈線性增長的瓦斯壓力，可以表徵從卸壓區表面到原始應力區的瓦斯含量。
鑽孔周圍存在相似的卸壓區、應力集中區和原始應力區，為便於計算可將一定範圍內煤層瓦斯壓力與距離作線性化處理，從而得到考察範圍內任一點至鑽孔中心的距離與煤層瓦斯壓力的線性函數關係式，根據煤層實際情況並結合《防治煤與瓦斯突出規定》確定的邊界瓦斯壓力臨界指標代入函數式即可確定穿層鑽孔的瓦斯抽採有效半徑。
煤層瓦斯壓力單位都是MPa數量級，鑽孔內抽採負壓則是KPa數量級的，與穿層鑽孔自然排放相比，鑽孔抽採負壓對鑽孔有效抽採半徑影響並不明顯；因此，在不進行鑽孔瓦斯抽採的情況下得到的鑽孔瓦斯自然湧出的有效影響半徑即代表穿層鑽孔的有效抽採半徑。
採用上述技術方案，無需配備瓦斯抽放系統，僅需施工單個穿層鑽孔，通過對鑽孔內瓦斯的自然湧出狀況進行觀測，通過一系列理論分析和數值計算，即可確定出鑽孔有效抽採半徑。本發明一方面具有工程量小、耗時短、工藝簡便的優勢；另一方面相比於同類理論計算有效抽採半徑測定方法，在後期數據處理上更加簡便快捷。本發明工程應用可靠度高、實用性強，同時操作簡單，成本低。通過現場的應用實踐得以驗證本發明是合理可靠的，可在穿層鑽孔有效抽採半徑測試中得以推廣應用。
附圖說明
圖1是本發明的流程示意圖；
圖2是本發明中底板抽採巷道內穿層鑽孔瓦斯抽採的布置剖面示意圖；
圖3是本發明中穿層鑽孔前期瓦斯流量變化及負指數方程，即前期鑽孔瓦斯湧出量隨時間變化擬合曲線；
圖4是本發明中穿層鑽孔後期瓦斯流量變化及負指數方程，即後期鑽孔瓦斯湧出量隨時間變化擬合曲線；
圖5 是本發明中巷道周圍測試地點瓦斯含量、壓力分布曲線圖。
具體實施方式
本發明的基於穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的方法，如圖1所示，包括了以下步驟：
1） 為了鑽孔施工方便，瓦斯湧出量觀測準確，選取底板抽採巷施工上向穿層鑽孔，保證鑽孔穿透煤體至上覆巖層，及時封孔；
2） 測定鑽孔的瓦斯初始湧出量，繼續測定鑽孔的瓦斯自然湧出量，依據測試數據繪製鑽孔瓦斯湧出總量與湧出有效時間之間的變化曲線；
3）結合鑽孔周圍集中應力對鑽孔瓦斯湧出量影響，對變化曲線進行分析，將瓦斯湧出量分為受集中應力影響和不受集中應力影響兩個階段；對鑽孔瓦斯湧出總量與湧出有效時間之間的變化曲線進行回歸分析和擬合分析，分別確定前、後期鑽孔瓦斯湧出量冪指數曲線及衰減係數；
4）依據鑽孔瓦斯湧出有效時間t內對瓦斯湧出總量之間的變化曲線，建立以下函數關係式，，積分計算瓦斯湧出總量；
5） 確定在極限抽採影響區域內建立任一點至鑽孔中心的距離與殘存瓦斯含量的函數關係式，在極限抽採半徑r上積分確定殘存瓦斯量；
6） 建立煤層瓦斯含量、瓦斯湧出總量和殘存瓦斯量之間的等式，求解極限抽採半徑r；
7） 依據極限瓦斯湧出半徑邊界瓦斯壓力p指標以及函數關係式，確定瓦斯自然湧出的有效影響半徑，即為穿層鑽孔有效抽採半徑；p0為煤層瓦斯壓力。
按照上述穿層鑽孔瓦斯湧出特徵測定有效抽採半徑的方法，以某礦實測瓦斯抽採有效影響半徑為例進行說明：
為了避免測試的偶然性，本次共施工1#、2#（以下只以1#孔為例進行說明）兩個上向穿層鑽孔，形成對照實驗組，具體布置如圖2所示，圖中附圖標記分別為：1-煤層，2-巖層，3-底抽巷，4-安裝在瓦斯抽採管路上並位於底抽巷內的瓦斯湧出量測定儀，5-封孔段，6-穿層鑽孔，7-有效抽採半徑，8-極限抽採半徑。分別選取兩個未抽採且未採動的鑽場，確定好鑽孔位置後施工鑽孔，儘可能保證鑽孔與煤層垂直且穿透煤層。本次測定鑽孔孔徑75mm，鑽孔傾角45o，巖孔長度22m，見煤長度8.5m，封孔長度6m。測定鑽孔內初始瓦斯湧出量為q0，之後繼續觀測鑽孔瓦斯自然湧出量。前期，由於鑽孔附近受到應力擾動，煤體得到洩壓，鑽孔瓦斯湧出量衰減速度快，因此，後期數據處理時，需要對瓦斯湧出量隨時間變化曲線進行了分段擬合，分別求出前後期的瓦斯衰減係數，（如圖3，圖4）前期測試數據需每天觀測，後期可適當延長觀測時間。
通過測定不同時間下的鑽孔自然瓦斯湧出量，分別繪製前期、後期鑽孔瓦斯流量衰減曲線，如圖3和圖4所示，按照公式回歸分析求得。1#孔在測試到第7天瓦斯湧出量衰減速度明顯降低，以此為界分層兩階段處理。圖中方程為各觀測孔回歸曲線方程，符合負指數規律。
根據圖中瓦斯湧出量回歸方程，對其進行積分，可以求出在時間t內鑽孔瓦斯湧出總量，鑽孔前期7天內瓦斯流量衰減較快，以此時間點為分界，分別計算兩個階段累計排放瓦斯量為：
以極限抽採半徑r內為考察區域，近似將該區域按圓柱體處理，那麼該區域所含瓦斯總量（—穿層鑽孔煤孔長度，m；—煤體容重，t/m3；—煤層原始瓦斯含量，m3/t）。
由瓦斯平面流動原理，可以作以下假設：
（1）假設極限抽採半徑為r，鑽孔孔壁瓦斯壓力為0.1MPa，在此範圍之外為煤層原始瓦斯壓力，P0=0.9MPa，在鑽孔抽採影響範圍內瓦斯壓力呈線性分布。
（2）假設極限抽採半徑r範圍內任一點的瓦斯含量與鑽孔距離相關，且該點與鑽孔距離呈圓形對稱分布。
（3）計算公式中會因游離態瓦斯略去減小，同時會因水份、灰份修正值略去增加，二都同時略去對影響不大，不影響工程應用。
由以上假設可知，為了簡化計算過程，把朗繆爾方程中對游離態瓦斯含量的修正部分捨去，僅以煤層壓力為變量計算煤層瓦斯含量。參考巷道周圍瓦斯壓力分布曲線，如圖5所示，可看出在一定範圍內，瓦斯壓力與巷道卸壓距離呈線性關係。雖然在應力集中區瓦斯壓力增速略快，研究已經表明是地應力集中壓縮煤體所致，噸煤瓦斯含量並沒有增加，有效瓦斯壓力仍可理解為線性增加。同理，可將鑽孔周圍煤層瓦斯壓力與鑽孔間距作線性化處理，即得到簡化後的郎格繆爾方程：
化簡處理後可以得出，其中：a--瓦斯極限吸附量(t/m3)，b--瓦斯吸附常數（MPa-1）；在極限瓦斯抽採半徑區域內建立煤層瓦斯含量、瓦斯湧出總量和殘存瓦斯量之間的等式，兩式相結合求出極限抽採半徑r。
根據煤層實際情況並結合《防治煤與瓦斯突出規定》確定的邊界瓦斯壓力臨界指標代入函數式確定有效抽採半徑。根據現場測試瓦斯含量測定結果13.95m3/t，煤層瓦斯壓力測定值0.9MPa。經計算得出1#鑽孔極限抽採半徑r=4.1m。當選擇p=0.74MPa(p值可根據實際情況而定，不唯一)時，鑽孔瓦斯抽採有效半徑R=（0.74-0.1）×4.1/0.8=3.28m。
同理，可計算出2#鑽孔極限抽採半徑為4.23m，單個鑽孔有效抽採半徑為3.38m。對比1#、2#號鑽孔有效抽採半徑相差0.1m，誤差在3%左右，在工程應用中不會有較大影響，可以接受。
在進行抽採設計和現場安全管理時，為防止鑽孔之間出現空白帶，確定在現開採水平，正常抽採情況下，一般抽採時間不應小於半年，穿煤層有效抽放半徑可達到2.8m。
結果分析：
⑴本次選擇了兩處具有代表性的地區，分別施工一個75mm的穿層鑽孔，鑽孔打穿煤層見頂板巖石，根據測試結果回歸分析，瓦斯自然湧出量符合冪指數曲線，其中為鑽孔瓦斯衰減係數，可以看出前期鑽孔周圍煤體受應力影響較大，前期瓦斯湧出衰減較快，大致集中在前七天，以此為界擬合得到，分段積分得到鑽孔總的瓦斯湧出量。
⑵以極限抽採半徑內作為考察區域，在建立考察區域內任一點至鑽孔中心距離與殘存瓦斯含量的關係式時，對煤層瓦斯壓力與距離關係進行了線性化處理（如圖5），為了簡化計算過程把朗繆爾方程中對游離態瓦斯含量的修正部分捨去，以煤層壓力為準對瓦斯含量進行預測，其結果會因游離態瓦斯略去減小，但同時會因水份、灰份修正值略去增加，二都同時略去對計算結果影響不大，不影響工程應用。本方法無需配備瓦斯抽放系統即可測得有效抽採半徑，因而操作簡便，成本低，工程實用性強。
⑶現場測得瓦斯含量為13.95m3/t,鑽孔施工儘可能保證垂直煤層，因此考察區域按圓柱體求其體積，針對單個鑽孔分析而言，鑽孔瓦斯抽採量是鑽孔抽採影響範圍內煤層瓦斯總量減去該範圍內的殘存瓦斯含量，以此建立等式求出1#鑽孔極限抽採半徑為4.1m，同理得2#鑽孔為4.23m。根據《防治煤與瓦斯突出規定》，或具體的煤層防突瓦斯壓力臨界指標，本次採用臨界壓力值為0.74MPa，含量值為8m3/t從而確定1#、2#鑽孔有效抽採半徑分別為3.28m和3.38m，兩者誤差為0.1m在可接受範圍內，因此以本方法確定的有效抽採半徑可靠。
以上實例僅用以說明而非限制本發明的技術方案，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。