基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的方法与流程

本发明属于瓦斯抽采及防治煤与瓦斯突出方面的煤矿安全技术领域，具体涉及一种基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的计算方法。

背景技术：

煤矿利用钻孔预抽煤层瓦斯时，在煤层瓦斯压力和孔底负压的共同作用下，钻孔周围煤体的瓦斯不断进入钻孔被抽走，形成以钻孔中线为轴心的类似圆形的抽采影响圈，此抽采影响圈范围大小称为抽采影响半径，是指在规定的时间内煤层原始瓦斯压力与瓦斯含量受到影响并开始下降边界点与抽采钻孔中心的距离。有效抽采半径，是指在规定时间内以抽采钻孔为中心，一定范围内瓦斯压力或瓦斯含量降到某一安全容许值范围，该范围大小即为抽采有效半径。

一直以来，针对顺层钻孔的有效抽采半径测定方法探讨较多，穿层钻孔的有效抽采半径测定类似于顺层钻孔的测定方法，因此，在工程应用中难以避免钻孔量大，观测期长的弊端。目前，测定穿层钻孔有效抽采半径的方法主要有现场测定法、数值模拟法和计算机模拟法。现场测定法主要有：压降法、流量法、含量指标法、示踪气体法等。需要指出，这些方法均是在煤层内先打一排测试孔，安装相应的测试仪器，封闭严密，然后在其一侧施工抽采孔抽采，定期观测测试孔内的压力或流量指标，若某一钻孔的观测指标数左趋近于相关防突规定的边界指标要求，则该钻孔与抽采孔的距离即为有效抽采半径。示踪气体法同样需要施工注气孔和一排观测孔。相比于单孔测试法，上述测定方法钻孔量大，所需设备多，封孔效果直接影响到测试结果的可靠性，并且此类方法是基于观测比较的方法，观测孔并不能保证恰好布置在有效抽采边界上，因此很大程度上影响了测定的准确性。

通过理论分析数值模拟方法得到钻孔有效抽采半径仍是一个难题，主要表现在煤层钻孔周围瓦斯流动的数学模型建立比较复杂，同时模型的数值解目前还很难求解，往往需要借助计算机；穿层钻孔周围符合径向流场瓦斯压力分布，以达西定律为基础可推导出穿层钻孔周围瓦斯流动的微分方程，通过一系列数学处理求出径向瓦斯流场定解问题的近似解析解，进而推导出穿层钻孔的有效影响半径计算式，结合现场钻孔瓦斯流量观测数据得到有效影响半径，但这一过程较为复杂，需要测量的参数较多，在工程应用中不够简便快捷。由于煤层瓦斯压力测试技术仍存在很多不足之处，这些以测定钻孔瓦斯压力为参考指标的方法就很难避免由于瓦斯压力测试问题所带来的误差，诸如压降法和含量指标法。计算机模拟法往往需要基于较多的假设，设定边界条件，建立钻孔周围瓦斯流场模型，进行编程模拟确定有效抽采半径，但这些假设太过理想化，与实际情况存在较大偏差。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种工程量小、测量准确、耗时较短，计算简便，无需抽采系统的基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的方法，包括了以下步骤：

1） 为了钻孔施工方便，瓦斯涌出量观测准确，选取底板抽采巷施工上向穿层钻孔，保证钻孔穿透煤体至上覆岩层，及时封孔；

2） 测定钻孔的瓦斯初始涌出量，继续测定钻孔的瓦斯自然涌出量，依据测试数据绘制钻孔瓦斯涌出总量与涌出有效时间之间的变化曲线；

3）结合钻孔周围集中应力对钻孔瓦斯涌出量影响，对变化曲线进行分析，将瓦斯涌出量分为受集中应力影响和不受集中应力影响两个阶段；对钻孔瓦斯涌出总量与涌出有效时间之间的变化曲线进行回归分析和拟合分析，分别确定前、后期钻孔瓦斯涌出量幂指数曲线及衰减系数；

4）依据钻孔瓦斯涌出有效时间t内对瓦斯涌出总量之间的变化曲线，建立以下函数关系式，，积分计算瓦斯涌出总量；

5） 确定在极限抽采影响区域内建立任一点至钻孔中心的距离与残存瓦斯含量的函数关系式，在极限抽采半径r上积分确定残存瓦斯量；

6） 建立煤层瓦斯含量、瓦斯涌出总量和残存瓦斯量之间的等式，求解极限抽采半径r；

7） 依据极限瓦斯涌出半径边界瓦斯压力p指标以及函数关系式，确定瓦斯自然涌出的有效影响半径，即为穿层钻孔有效抽采半径；p₀为煤层瓦斯压力。

步骤6）中函数关系式的具体确定过程为：在以钻孔为中心的瓦斯自然涌出极限影响圈内，钻孔周围瓦斯流动符合径向流场，针对单个钻孔而言，瓦斯自然涌出量与涌出时间和煤层瓦斯衰减系数有关，瓦斯自然涌出量测试过程中，初期由于施工穿层钻孔后，钻孔周围煤体得到泄压，瓦斯迅速卸压涌出，初始瓦斯涌出量大，此阶段煤层瓦斯衰减系数较大；随着时间的推移，煤体中瓦斯压力梯度逐渐减小；后期瓦斯自然涌出量明显降低，瓦斯衰减系数较小；由于前后期瓦斯衰减系数相差较大，将整个过程的钻孔瓦斯自然涌出曲线分为前、后期进行拟合，分别求解瓦斯衰减系数和，分段拟合的优势在于瓦斯自然涌出总量的求解结果更加准确；通过对某段时间的积分求得单个钻孔瓦斯涌出总量；在极限抽采半径范围内满足钻孔瓦斯涌出总量近似等于瓦斯涌出影响范围内煤层瓦斯总量减去残存瓦斯含量，以此建立等式。

步骤5）中函数关系式的具体确定过程为：穿层钻孔周围瓦斯流场视作二维径向无限流场，建立以钻孔为中心的平面坐标系，以极限抽采半径内为考察范围，该范围可以看作是以极限抽采半径为底，煤层厚度为高的圆柱体，可求得考察范围内煤层瓦斯总量，建立考察范围内任一点至钻孔中心的距离与残存瓦斯含量的微分方程，通过在[0，r]上的积分可求得残存瓦斯含量；为了简化计算过程将郎格缪尔方程中游离态瓦斯含量的修正部分舍去，以煤层压力为单一变量对瓦斯含量进行预测；

原理分析如下：以实测巷道周围瓦斯压力变化曲线资料为依据，巷道周围存在卸压区、应力集中区和原始应力区，卸压区内的煤体得到卸压，瓦斯得到释放，卸压区表面瓦斯压力接近于大气压，之后瓦斯压力呈现直线式增长；在应力集中区，瓦斯压力出现极值；再向深部为原始应力区，为原始煤层瓦斯压力。虽然在应力集中区煤层瓦斯压力出现极值，高于煤层原始瓦斯压力，但不是煤层瓦斯含量增加造成，而是由于煤层整体呈现收缩状态，孔隙收缩，游离的体积减小所致；观测表明，此类情况造成的瓦斯压力增加值一般为0.3~0.5MPa，如果用瓦斯压力峰值减去此增加值进行修正，则卸压区表面到原始应力区的瓦斯压力呈现近直线式增长。因此，用原煤的瓦斯压力值与吸附常数，与呈线性增长的瓦斯压力，可以表征从卸压区表面到原始应力区的瓦斯含量。

钻孔周围存在相似的卸压区、应力集中区和原始应力区，为便于计算可将一定范围内煤层瓦斯压力与距离作线性化处理，从而得到考察范围内任一点至钻孔中心的距离与煤层瓦斯压力的线性函数关系式，根据煤层实际情况并结合《防治煤与瓦斯突出规定》确定的边界瓦斯压力临界指标代入函数式即可确定穿层钻孔的瓦斯抽采有效半径。

煤层瓦斯压力单位都是MPa数量级，钻孔内抽采负压则是KPa数量级的，与穿层钻孔自然排放相比，钻孔抽采负压对钻孔有效抽采半径影响并不明显；因此，在不进行钻孔瓦斯抽采的情况下得到的钻孔瓦斯自然涌出的有效影响半径即代表穿层钻孔的有效抽采半径。

采用上述技术方案，无需配备瓦斯抽放系统，仅需施工单个穿层钻孔，通过对钻孔内瓦斯的自然涌出状况进行观测，通过一系列理论分析和数值计算，即可确定出钻孔有效抽采半径。本发明一方面具有工程量小、耗时短、工艺简便的优势；另一方面相比于同类理论计算有效抽采半径测定方法，在后期数据处理上更加简便快捷。本发明工程应用可靠度高、实用性强，同时操作简单，成本低。通过现场的应用实践得以验证本发明是合理可靠的，可在穿层钻孔有效抽采半径测试中得以推广应用。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明中底板抽采巷道内穿层钻孔瓦斯抽采的布置剖面示意图；

图3是本发明中穿层钻孔前期瓦斯流量变化及负指数方程，即前期钻孔瓦斯涌出量随时间变化拟合曲线；

图4是本发明中穿层钻孔后期瓦斯流量变化及负指数方程，即后期钻孔瓦斯涌出量随时间变化拟合曲线；

图5 是本发明中巷道周围测试地点瓦斯含量、压力分布曲线图。

具体实施方式

本发明的基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的方法，如图1所示，包括了以下步骤：

1） 为了钻孔施工方便，瓦斯涌出量观测准确，选取底板抽采巷施工上向穿层钻孔，保证钻孔穿透煤体至上覆岩层，及时封孔；

2） 测定钻孔的瓦斯初始涌出量，继续测定钻孔的瓦斯自然涌出量，依据测试数据绘制钻孔瓦斯涌出总量与涌出有效时间之间的变化曲线；

3）结合钻孔周围集中应力对钻孔瓦斯涌出量影响，对变化曲线进行分析，将瓦斯涌出量分为受集中应力影响和不受集中应力影响两个阶段；对钻孔瓦斯涌出总量与涌出有效时间之间的变化曲线进行回归分析和拟合分析，分别确定前、后期钻孔瓦斯涌出量幂指数曲线及衰减系数；

4）依据钻孔瓦斯涌出有效时间t内对瓦斯涌出总量之间的变化曲线，建立以下函数关系式，，积分计算瓦斯涌出总量；

5） 确定在极限抽采影响区域内建立任一点至钻孔中心的距离与残存瓦斯含量的函数关系式，在极限抽采半径r上积分确定残存瓦斯量；

6） 建立煤层瓦斯含量、瓦斯涌出总量和残存瓦斯量之间的等式，求解极限抽采半径r；

7） 依据极限瓦斯涌出半径边界瓦斯压力p指标以及函数关系式，确定瓦斯自然涌出的有效影响半径，即为穿层钻孔有效抽采半径；p₀为煤层瓦斯压力。

按照上述穿层钻孔瓦斯涌出特征测定有效抽采半径的方法，以某矿实测瓦斯抽采有效影响半径为例进行说明：

为了避免测试的偶然性，本次共施工1^#、2^#（以下只以1^#孔为例进行说明）两个上向穿层钻孔，形成对照实验组，具体布置如图2所示，图中附图标记分别为：1-煤层，2-岩层，3-底抽巷，4-安装在瓦斯抽采管路上并位于底抽巷内的瓦斯涌出量测定仪，5-封孔段，6-穿层钻孔，7-有效抽采半径，8-极限抽采半径。分别选取两个未抽采且未采动的钻场，确定好钻孔位置后施工钻孔，尽可能保证钻孔与煤层垂直且穿透煤层。本次测定钻孔孔径75mm，钻孔倾角45^o，岩孔长度22m，见煤长度8.5m，封孔长度6m。测定钻孔内初始瓦斯涌出量为q₀，之后继续观测钻孔瓦斯自然涌出量。前期，由于钻孔附近受到应力扰动，煤体得到泄压，钻孔瓦斯涌出量衰减速度快，因此，后期数据处理时，需要对瓦斯涌出量随时间变化曲线进行了分段拟合，分别求出前后期的瓦斯衰减系数，（如图3，图4）前期测试数据需每天观测，后期可适当延长观测时间。

通过测定不同时间下的钻孔自然瓦斯涌出量，分别绘制前期、后期钻孔瓦斯流量衰减曲线，如图3和图4所示，按照公式回归分析求得。1^#孔在测试到第7天瓦斯涌出量衰减速度明显降低，以此为界分层两阶段处理。图中方程为各观测孔回归曲线方程，符合负指数规律。

根据图中瓦斯涌出量回归方程，对其进行积分，可以求出在时间t内钻孔瓦斯涌出总量，钻孔前期7天内瓦斯流量衰减较快，以此时间点为分界，分别计算两个阶段累计排放瓦斯量为：

以极限抽采半径r内为考察区域，近似将该区域按圆柱体处理，那么该区域所含瓦斯总量（—穿层钻孔煤孔长度，m；—煤体容重，t/m³；—煤层原始瓦斯含量，m³/t）。

由瓦斯平面流动原理，可以作以下假设：

（1）假设极限抽采半径为r，钻孔孔壁瓦斯压力为0.1MPa，在此范围之外为煤层原始瓦斯压力，P₀=0.9MPa，在钻孔抽采影响范围内瓦斯压力呈线性分布。

（2）假设极限抽采半径r范围内任一点的瓦斯含量与钻孔距离相关，且该点与钻孔距离呈圆形对称分布。

（3）计算公式中会因游离态瓦斯略去减小，同时会因水份、灰份修正值略去增加，二都同时略去对影响不大，不影响工程应用。

由以上假设可知，为了简化计算过程，把朗缪尔方程中对游离态瓦斯含量的修正部分舍去，仅以煤层压力为变量计算煤层瓦斯含量。参考巷道周围瓦斯压力分布曲线，如图5所示，可看出在一定范围内，瓦斯压力与巷道卸压距离呈线性关系。虽然在应力集中区瓦斯压力增速略快，研究已经表明是地应力集中压缩煤体所致，吨煤瓦斯含量并没有增加，有效瓦斯压力仍可理解为线性增加。同理，可将钻孔周围煤层瓦斯压力与钻孔间距作线性化处理，即得到简化后的郎格缪尔方程：

化简处理后可以得出，其中：a--瓦斯极限吸附量(t/m³)，b--瓦斯吸附常数（MPa^-1）；在极限瓦斯抽采半径区域内建立煤层瓦斯含量、瓦斯涌出总量和残存瓦斯量之间的等式，两式相结合求出极限抽采半径r。

根据煤层实际情况并结合《防治煤与瓦斯突出规定》确定的边界瓦斯压力临界指标代入函数式确定有效抽采半径。根据现场测试瓦斯含量测定结果13.95m³/t，煤层瓦斯压力测定值0.9MPa。经计算得出1^#钻孔极限抽采半径r=4.1m。当选择p=0.74MPa(p值可根据实际情况而定，不唯一)时，钻孔瓦斯抽采有效半径R=（0.74-0.1）×4.1/0.8=3.28m。

同理，可计算出2^#钻孔极限抽采半径为4.23m，单个钻孔有效抽采半径为3.38m。对比1^#、2^#号钻孔有效抽采半径相差0.1m，误差在3%左右，在工程应用中不会有较大影响，可以接受。

在进行抽采设计和现场安全管理时，为防止钻孔之间出现空白带，确定在现开采水平，正常抽采情况下，一般抽采时间不应小于半年，穿煤层有效抽放半径可达到2.8m。

结果分析：

⑴本次选择了两处具有代表性的地区，分别施工一个75mm的穿层钻孔，钻孔打穿煤层见顶板岩石，根据测试结果回归分析，瓦斯自然涌出量符合幂指数曲线，其中为钻孔瓦斯衰减系数，可以看出前期钻孔周围煤体受应力影响较大，前期瓦斯涌出衰减较快，大致集中在前七天，以此为界拟合得到，分段积分得到钻孔总的瓦斯涌出量。

⑵以极限抽采半径内作为考察区域，在建立考察区域内任一点至钻孔中心距离与残存瓦斯含量的关系式时，对煤层瓦斯压力与距离关系进行了线性化处理（如图5），为了简化计算过程把朗缪尔方程中对游离态瓦斯含量的修正部分舍去，以煤层压力为准对瓦斯含量进行预测，其结果会因游离态瓦斯略去减小，但同时会因水份、灰份修正值略去增加，二都同时略去对计算结果影响不大，不影响工程应用。本方法无需配备瓦斯抽放系统即可测得有效抽采半径，因而操作简便，成本低，工程实用性强。

⑶现场测得瓦斯含量为13.95m³/t,钻孔施工尽可能保证垂直煤层，因此考察区域按圆柱体求其体积，针对单个钻孔分析而言，钻孔瓦斯抽采量是钻孔抽采影响范围内煤层瓦斯总量减去该范围内的残存瓦斯含量，以此建立等式求出1^#钻孔极限抽采半径为4.1m，同理得2^#钻孔为4.23m。根据《防治煤与瓦斯突出规定》，或具体的煤层防突瓦斯压力临界指标，本次采用临界压力值为0.74MPa，含量值为8m³/t从而确定1^#、2^#钻孔有效抽采半径分别为3.28m和3.38m，两者误差为0.1m在可接受范围内，因此以本方法确定的有效抽采半径可靠。

以上实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。