一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔失效评价系统的制作方法

1.本发明属于煤层瓦斯抽采领域，特别是涉及一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔失效评价系统。


背景技术：

2.我国大部分矿区瓦斯含量较高，瓦斯灾害防控压力大，制约矿井安全生产。钻孔抽采煤层瓦斯技术是降低瓦斯含量，预防瓦斯事故，实现煤炭安全开采的根本措施。其中，钻孔抽采煤层瓦斯技术在矿井瓦斯治理方面应用效果显著。针对煤层瓦斯赋存的区域性特点，关键是精准确定钻孔布置参数，实现煤层瓦斯抽采达标，这对防治矿井瓦斯灾害具有重要意义。
3.采用钻孔抽采煤层瓦斯时，受煤层各项参数的影响，抽采钻孔容易失效导致钻孔变形或者坍塌，而钻孔能否使用直接影响煤层瓦斯抽采效果，这关乎抽采区域能否在设定时间内抽采达标，同时还影响钻孔施工量。因此，现如今缺少一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔失效评价系统来对抽采钻孔进行有效性评价，易造成钻孔施工量偏多，施工成本提高，抽采不达标等问题，无法实现煤层瓦斯精准抽采。


技术实现要素：

4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔失效评价系统，包括：
5.参数获取模块，用于获取待研究煤层的地质参数；
6.模型构建模块，用于构建瓦斯抽采钻孔预测模型；
7.模型预测模块，分别与所述参数获取模块、模型构建模块连接，用于将地质参数数据输入所述瓦斯抽采钻孔预测模型，根据评判指标对钻孔运行状态进行预测评判，获得评判结果；
8.失效评判模块，与所述模型预测模块连接，用于根据所述评判结果进行钻孔失效类型划分，获得各钻孔的失效类型结果；
9.失效修复模块，与所述失效评判模块连接，用于根据各钻孔的失效类型进行钻孔修复，保证瓦斯钻孔抽采的实时运行。
10.优选地，所述参数获取模块包括数据采集单元、数据存储单元；
11.所述数据采集单元用于采集待研究煤层的煤层瓦斯参数、煤岩层环境条件、抽采钻孔参数；
12.所述数据存储单元，与所述数据采集单元连接，用于存储所述数据采集单元采集的参数数据。
13.优选地，所述煤层瓦斯参数至少包括煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、
14.所述煤岩层环境条件至少包括抽采负压、巷道围岩应力分布、煤层的垂直地应力、采动应力分布、松软煤岩坚固性、煤岩层含水情况、煤层渗透率、煤层密度、煤层孔隙率、煤
渣积聚；
15.所述抽采钻孔参数至少包括钻孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采混合流量、钻孔直径、钻孔深度、钻孔间距、开孔位置、钻孔方位、钻孔倾角。
16.优选地，所述评判指标包括钻孔有效控制范围指标、钻孔布孔均匀程度评判指标、瓦斯抽采效果评判指标、瓦斯抽采效果达标评判指标。
17.优选地，所述失效评判模块包括：
18.失效评判位置输入单元，用于输入需要失效评判的矿井和区域的位置信息，或者选择原来已经进行过失效评判的矿井和区域的位置信息；
19.失效评判结果输出单元，用于获得评判结果，并将所述评判结果分类为失效评判结果、达标评判结果后保存、输出。
20.优选地，所述失效评判模块还包括通过评判指标判断失效结果的基础条件失效评判单元、钻孔布置失效评判单元、预抽效果指标失效评判单元、实测效果指标失效评判单元、监测指标失效评判单元；
21.所述基础条件失效评判单元的判断指标包括是否建立瓦斯抽采系统且瓦斯抽采系统正常运行连续、是否制定瓦斯抽采规划和年度计划；
22.所述钻孔布置失效评判单元的判断指标包括抽采钻孔的有效控制范围界定是否达到有效控制范围要求、钻孔均匀程度、预抽时间差异系数是否满足小于40％；
23.所述预抽效果指标失效评判单元的判断指标包括残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、可解析瓦斯含量；
24.所述实测效果指标失效评判单元的判断指标包括残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、可解析瓦斯含量和实测过程中有无喷孔、顶钻等动力现象；
25.所述监测指标失效评判单元的判断指标包括工作面瓦斯抽采率、采掘工作面风速、回风巷中瓦斯浓度、矿井瓦斯抽采率。
26.优选地，所述钻孔的失效类型至少包括煤层渗透率降低失效、钻孔塌堵孔失效、钻孔积水堵塞失效、钻孔封孔失效、钻孔串孔失效、钻孔封孔密封失效。
27.优选地，所述钻孔塌堵孔失效包括钻孔煤渣积聚堵孔失效、钻孔孔壁变形垮塌堵孔失效、软岩水化膨胀堵孔失效；
28.所述钻孔积水堵塞失效包括下向钻孔积水堵塞失效和近水平钻孔、定向长钻孔、分支类钻孔的局部低洼处积水堵塞失效；
29.所述钻孔封孔密封失效包括抽采管破损漏气失效、封孔段密封不严失效、封孔深度不足失效。
30.本发明公开了以下技术效果：
31.本发明设计合理，能够在改善瓦斯抽采效果，降低施工成本的前提下保障煤层瓦斯抽采达标，实现煤层瓦斯精准抽采，为现场抽采钻孔布置提供了理论依据和技术指导。
32.本发明为有针对性的开展失效钻孔修复等技术措施提供依据，有效提高抽采钻孔利用效率和精细化管理技术水平，保证煤矿瓦斯抽采效果和矿井抽掘采顺利衔接。
33.本发明通过瓦斯抽采钻孔失效评价系统对钻孔进行实时监测和评价，能够准确得知钻孔能否失效，耗费人力物力少，对实现矿井瓦斯可视化，动态化，智能化具有重要意义。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.如图1所示，本发明提供了一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔失效评价系统,包括：
39.参数获取模块，用于获取待研究煤层的地质参数；
40.进一步地优化方案，参数获取模块包括数据采集单元、数据存储单元；
41.数据采集单元用于采集待研究煤层的煤层瓦斯参数、煤岩层环境条件、抽采钻孔参数；
42.煤层瓦斯参数至少包括煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、
43.煤岩层环境条件至少包括抽采负压、巷道围岩应力分布、煤层的垂直地应力、采动应力分布、松软煤岩坚固性、煤岩层含水情况、煤层渗透率、煤层密度、煤层孔隙率、煤渣积聚；
44.抽采钻孔参数至少包括钻孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采混合流量、钻孔直径、钻孔深度、钻孔间距、开孔位置、钻孔方位、钻孔倾角。
45.通过监测钻孔不同时间的抽采效果，如抽采负压、钻孔瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采混合流量，得到钻孔瓦斯抽采纯流量的抽采参数；将抽采钻孔监测数据与之后钻孔抽采预测模拟结果进行对比，并根据现场条件和检测设备精度设置一定的误差允许范围，判断对比结果是否一致，如果对比结果不一致，即存在突变点，则持续对该抽采状态进行监测，进一步判断钻孔是否失效。
46.进一步地优化方案，监测钻孔不同时间的抽采效果时需要实时监测各个抽采场瓦斯的抽采信息，如通过抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压，判断抽采混合总流量变化：具体通过放置在每个需进行瓦斯抽采的采煤工作面的至少一套管道瓦斯信号传感装置和对应套数的管道调压阀和瓦斯抽采动态控制装置，以及工作面控制主机；工作面控制主机控制连接各个瓦斯抽采动态控制装置，各个瓦斯抽采动态控制装置控制连接对应的管道调压阀，信号连接管道瓦斯实时监测装置；管道瓦斯实时监测装置实时监测各个抽采场瓦斯的抽采信息，抽采信息包括各抽采混合总流量、瓦斯浓度和抽采负压，判断抽采混合总流量变化。
47.若上升，则计算和比较抽采混合总流量上升速度与抽采瓦斯纯量上升速度，若抽
采混合总流量上升速度大于抽采瓦斯纯量上升速度，则降低抽采负压；若抽采混合总流量上升速度小于抽采瓦斯纯量上升速度，则提高抽采负压；否则启动稳压模式；
48.若降低，则计算和比较抽采混合总流量下降速度与抽采瓦斯纯量下降速度，若抽采混合总流量下降速度大于抽采瓦斯纯量下降速度，则提高抽采负压；若抽采混合总流量下降速度小于抽采瓦斯纯量下降速度，则降低抽采负压；否则启动稳压模式；若不变，则启动稳压模式。
49.实时监测抽采负压，进入稳压模式后，判断抽采负压是否在抽采负压阈值范围内，若大于负压阈值上限设定值，则降低抽采负压到设定范围；若小于阈值范围下限设定值，则增大抽采负压到设定范围；若在负压阈值范围内，则保持现状。
50.数据存储单元，与数据采集单元连接，用于存储数据采集单元采集的参数数据。
51.模型构建模块，用于构建瓦斯抽采钻孔预测模型；
52.进一步地优化方案，瓦斯抽采钻孔预测模型是基于煤层瓦斯参数、煤岩层条件、抽采钻孔参数和煤层瓦斯流动理论建立，构建煤矿井下钻孔抽采预测的时空模型，包括以下步骤：
53.煤层瓦斯参数，需要对区域煤层瓦斯基础参数进行测定，具体包括煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力、煤层渗透率、煤层密度和煤层孔隙率的基础参数；
54.煤岩层条件，即抽采钻孔所在煤岩层环境，具体包括巷道围岩应力分布、采动应力分布、松软煤岩坚固性和煤岩层含水情况；
55.抽采钻孔参数，包括钻孔直径、钻孔深度和钻孔间距的参数，在采掘工作面进行瓦斯抽采前，进行施工设计，设计包括抽采钻孔布置图和钻孔参数表，并详实记录钻孔施工成孔参数；其中，钻孔参数表的内容包括钻孔直径、间距、开孔位置、钻孔方位、倾角和深度；
56.煤层瓦斯流动理论，包括煤层瓦斯渗流理论、质量守恒定律和瓦斯抽采理论，是构建钻孔瓦斯抽采模型的理论基础。
57.通过动态修正钻孔瓦斯抽采预测模型，得到抽采效果随时间的变化曲线，从而评判得到钻孔抽采达标指标和时间。
58.采用计算机利用comsolmultiphysics数值模拟软件建立煤岩体模型，并输入待研究煤层区域地质参数；其中，煤岩体模型为立方体，煤岩体模型的宽度方向沿煤层回采方向，煤岩体模型的长度方向沿进风巷至回风巷之间的直线方向；
59.采用计算机利用comsolmultiphysics数值模拟软件设置煤岩体模型顶部施加均布载荷，煤岩体模型的底部设置为固定边界，煤岩体模型的四周设置为滑动边界，煤岩体模型中巷道煤壁暴露面设置为自由边界；其中，煤岩体模型顶部施加均布的载荷等于待研究煤层的垂直地应力f。
60.模型预测模块，分别与参数获取模块、模型构建模块连接，用于将地质参数数据输入瓦斯抽采钻孔预测模型，根据评判指标对钻孔运行状态进行预测评判，获得评判结果；
61.评判指标包括钻孔有效控制范围指标、钻孔布孔均匀程度评判指标、瓦斯抽采效果评判指标、瓦斯抽采效果达标评判指标。
62.进一步地优化方案，钻孔有效控制范围的测定方法具体为：对于顺层钻孔，钻孔有效范围按钻孔长度方向的控制边缘线、边缘处两个钻孔及钻孔开孔位置连线确定；对于穿层钻孔，钻孔有效范围取相邻有效边缘孔的见煤点之间的连线所圈定的范围；钻孔长度方
向的控制边缘线为钻孔有效孔深点连线，相邻有效钻孔中短孔的终孔点作为相邻钻孔有效孔深点；
63.钻孔布孔均匀程度评价：预抽煤层瓦斯钻孔施工完毕后，对瓦斯钻孔在有效控制范围内的均匀程度进行评价，预抽钻孔间距小于或等于设计间距，将钻孔间距相同，预抽时间一致的区域划为一个评价单元，便于分类进行评价；
64.瓦斯抽采效果评判指标的测定方法具体为：对同一评价单元预抽瓦斯效果评价时，首先根据抽采计量参数抽采后的残余瓦斯含量或残余瓦斯压力、可解吸瓦斯量，满足预期达标指标要求后，再进行现场实测预抽瓦斯效果指标；
65.瓦斯抽采效果达标评判指标具体为：当瓦斯涌出量来自开采层采煤工作面，根据评价范围内煤的工作面日产量和可解吸瓦斯量判定采煤工作面评价范围瓦斯抽采效果是否达标；对于突出煤层，当评价范围内所有测点测定的煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量都小于预期的防突效果达标瓦斯压力或瓦斯含量、且施工测定钻孔时没有喷孔、顶钻或其他动力现象时，则评判为突出煤层评价范围预抽瓦斯防突效果达标，否则，判定以超标点为圆心、半径100m范围未达标；对于瓦斯涌出量来自于邻近层或围岩的采煤工作面，根据工作面绝对瓦斯涌出量和工作面瓦斯抽采率判定该工作面瓦斯预抽效果达标；对于矿井瓦斯抽采，根据矿井绝对瓦斯涌出量和矿井瓦斯抽采率判定该矿井瓦斯预抽效果达标。
66.失效评判模块，与模型预测模块连接，用于根据评判结果进行钻孔失效类型划分，获得各钻孔的失效类型结果；
67.进一步地优化方案，失效评判模块包括：
68.失效评判位置输入单元，用于输入需要失效评判的矿井和区域的位置信息，或者选择原来已经进行过失效评判的矿井和区域的位置信息；
69.失效评判结果输出单元，用于获得评判结果，并将评判结果分类为失效评判结果、达标评判结果后保存、输出。
70.进一步地优化方案，失效评判模块还包括通过评判指标判断失效结果的基础条件失效评判单元、钻孔布置失效评判单元、预抽效果指标失效评判单元、实测效果指标失效评判单元、监测指标失效评判单元；
71.基础条件失效评判单元的判断指标包括是否建立瓦斯抽采系统且瓦斯抽采系统正常运行连续、是否制定瓦斯抽采规划和年度计划；
72.钻孔布置失效评判单元的判断指标包括抽采钻孔的有效控制范围界定是否达到有效控制范围要求、钻孔均匀程度、预抽时间差异系数是否满足小于40％；
73.预抽效果指标失效评判单元的判断指标包括残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、可解析瓦斯含量；
74.实测效果指标失效评判单元的判断指标包括残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、可解析瓦斯含量和实测过程中有无喷孔、顶钻等动力现象；
75.监测指标失效评判单元的判断指标包括工作面瓦斯抽采率、采掘工作面风速、回风巷中瓦斯浓度、矿井瓦斯抽采率。
76.失效修复模块，与失效评判模块连接，用于根据各钻孔的失效类型进行钻孔修复，保证瓦斯钻孔抽采的实时运行。
77.钻孔的失效类型至少包括煤层渗透率降低失效、钻孔塌堵孔失效、钻孔积水堵塞
失效、钻孔封孔失效、钻孔串孔失效、钻孔封孔密封失效。
78.钻孔塌堵孔失效包括钻孔煤渣积聚堵孔失效、钻孔孔壁变形垮塌堵孔失效、软岩水化膨胀堵孔失效；
79.钻孔积水堵塞失效包括下向钻孔积水堵塞失效和近水平钻孔、定向长钻孔、分支类钻孔的局部低洼处积水堵塞失效；
80.钻孔封孔密封失效包括抽采管破损漏气失效、封孔段密封不严失效、封孔深度不足失效。
81.在确定钻孔失效类型后，进行相应的钻孔修复和煤层增透技术措施，或调整抽采工程参数和抽掘采计划，并以此指导下一区域钻孔抽采作业；其中钻孔修复针对钻孔塌堵孔失效、钻孔积水堵塞失效和钻孔封孔失效类型；
82.其中煤层渗透率降低失效时，煤层微裂隙流通通道堵塞，使运移产出通道受阻；煤层增透针对渗透率降低煤层开展增透作业，以提高煤层瓦斯流通性；
83.钻孔塌堵孔失效和钻孔积水堵塞失效时，造成钻孔主孔道流通受阻失效。确定抽采钻孔存在的漏气通道，从而确定抽采钻孔失效类型，包括钻孔串孔失效、钻孔封孔段密封失效和煤岩层深部裂隙及地质构造。
84.调整抽掘采计划是在无法进行有效钻孔修复和不进行增透作业情况下延长抽采达标时间；
85.调整抽采工程参数针对无法进行有效修复的钻孔和不调整抽掘采计划的前提下，修改抽采钻孔布置参数，采用补打钻孔方式强化煤层瓦斯抽采，完成以上措施后，重新恢复钻孔瓦斯抽采，并修正钻孔瓦斯抽采预测模型，根据抽采效果考察周期或定期进行下一个循环的抽采钻孔失效评判和抽采达标预评价。
86.所述定位系统还包括系统管理模块，用于实现对用户的管理，并对数据采集单元中的相关参数属性进行修改、增加和/或删除，并显示相对应的数据。
87.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。