一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔合理抽采负压确定方法与流程

本发明属于煤矿瓦斯抽采领域，涉及一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔合理抽采负压确定方法。

背景技术：

1、目前，高瓦斯、突出矿井已普遍建成瓦斯抽采系统，但长期处于高安全风险、低效率和高能耗的运行状态。瓦斯抽采效率降低，导致不能在预期的时间内解决矿井瓦斯问题，影响矿井的安全、高效生产；抽采效率降低的主要标志之一就是抽采浓度大幅下降，且浓度波动大进一步加大利用难度，限制了瓦斯利用率的提升和大量温室气体排放；另外部分抽采管道内瓦斯浓度处于爆炸极限内，极易引爆管内瓦斯；抽采系统单泵运行功率大，导致抽采泵站运行能耗高。

2、瓦斯抽采系统运行状态直接影响瓦斯治理效果，上述问题根源是普遍存在抽采负压与抽采效果的不匹配。瓦斯抽采钻孔是煤矿井下抽采瓦斯的主要方式，是煤矿井下瓦斯抽采的源头，近年来大孔径钻孔和千米钻孔已普遍在煤矿井下推广应用。根据现行的《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》：预抽瓦斯钻孔的孔口负压不得低于13kpa，卸压瓦斯抽采钻孔的孔口负压不得低于5kpa，已无法满足煤矿井下高效抽采的发展的需求，缺乏瓦斯抽采钻孔抽采周期内负压动态调节标准和随时空演化规律的考察方法。因此，确定煤矿井下瓦斯抽采钻孔合理抽采负压以及随时空演化规律，可以为提高抽采系统运行安全和效率，推动煤矿瓦斯抽采由集控向智控发展，支撑煤矿智能化矿山建设。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔合理抽采负压确定方法，通过选定抽采区域钻孔开展负压对抽采效果影响规律考察，构建区域钻孔不同抽采负压时空预测模型并进行效果检验，进而得到瓦斯抽采钻孔合理抽采负压，解决煤矿井下瓦斯抽采钻孔抽采负压与抽采效果的匹配问题，从而确定抽采钻孔抽采周期内负压动态调整和随时空演化规律，为提高抽采系统运行安全和效率，支撑煤矿智能化抽采建设。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种煤矿井下瓦斯抽采钻孔合理抽采负压确定方法，该方法包括以下步骤：

4、s11：选定抽采区域钻孔开展负压对抽采影响效果考察；

5、s12：综合煤岩层瓦斯地质条件、抽采钻孔工程参数和煤层瓦斯抽采理论等构建抽采钻孔不同负压抽采时空预测模型；

6、s13：开展钻孔瓦斯抽采和数据监测，确定抽采钻孔负压并进行抽采效果检验验证；

7、s14：根据s12和s13模型和考察监测结果，优化调整模型、工程参数或抽采掘计划，确定合理抽采负压，并指导其他区域抽采负压确定。

8、可选的，所述s11中，s101为选定抽采区域钻孔开展负压对抽采影响效果考察，分为负压沿钻孔轴向随孔深分布规律和负压沿钻孔径向随时间变化规律两部分，包括以下步骤：

9、s102：通过考察负压沿钻孔轴向随孔深分布及影响规律，包括钻孔瓦斯变质量流动过程负压损耗和钻孔泄露负压损耗两类，从而得到沿钻孔深度方向负压分布和衰减规律；

10、s103：负压沿钻孔径向随时间影响范围变化规律，分类抽采孔和观测孔，抽采孔采用千米或普通定向钻机施工完成后进行抽采并实时监测到孔内负压分布情况，观测孔普通钻进按照设计参数进行定向钻进施工并采用分组布置方式，孔外侧安装压力表等进行瓦斯压力或瓦斯含量等参数监测；

11、可选的，所述s102中，煤矿井下瓦斯抽采钻孔轴向负压分布特征及衰减规律，包括以下步骤：

12、s1021：钻孔瓦斯变质量流动过程负压损耗，因为钻孔瓦斯抽采过程中属于变质量流，因此其流动过程较为复杂，其负压损耗主要分为沿程及局部负压损耗和变质量混合负压损耗两部分；

13、s1022：钻孔内泄露导致的负压损耗，主要为钻孔浅部封孔段漏气和钻孔中深度的裂隙带和串孔漏气两种，其中钻孔浅部封孔段漏气是钻孔内泄露负压损耗的主要部分。

14、可选的，所述s1021中，钻孔瓦斯变质量流动过程负压损耗，包括以下步骤：

15、s10211：沿程及局部负压损耗，钻孔内瓦斯沿钻孔方向流动过程中需要克服孔壁摩擦阻力造成沿程摩擦阻力损失，主要包括抽采钻孔正常抽采沿程损耗、钻孔局部塌堵损耗和钻孔局部积水损耗等，这也是负压沿钻孔轴向随深度分布的主要规律和影响因素；

16、可选的，抽采钻孔正常抽采负压损耗影响主要为穿层钻孔孔周粗糙度和顺层钻孔孔周粗糙度，即在抽采钻孔无明显失稳破坏和堵塞情况下，影响钻孔负压在孔内损耗的主要是孔周粗糙度，而穿层钻孔比顺层钻孔差异较大，穿层孔周相对光滑，负压损耗较小；而顺层钻孔孔周相对粗糙，因而负压损耗较大；

17、可选的，钻孔局部塌堵损耗主要有钻孔煤渣积聚/钻孔孔周塌堵和孔周煤岩水化膨胀等导致的局部塌堵，此时根据钻孔内部塌堵情况可能导致负压损耗较大，甚至无法传递至孔底，因此无法实现全孔段的抽采，导致局部或全孔段失效；

18、可选的，钻孔局部积水负压损耗主要针对的是下向钻孔，分为下向孔积水堵塞和局部积水堵塞两种，在富含水系的煤岩层中，一般下向钻孔或水平钻孔内一般积水较多或千米钻孔局部低洼处仍会出现积水现象，此时积水段负压损耗较大，以至于负压也将无法传递至孔底。

19、s10212：变质量流混合负压损耗，主要为瓦斯流动加速度负压损耗和变质量流混合负压损耗两种，抽采钻孔内瓦斯流动属于变质量流，将会在越接近孔口位置进行汇集，所以孔口流量速度越大，速度的增加导致一定的负压损耗；

20、s1022：钻孔内泄露导致的负压损耗，主要为钻孔浅部封孔段漏气和钻孔中深度的裂隙带和串孔漏气两种，其中钻孔浅部封孔段漏气是钻孔内泄露负压损耗的主要部分。

21、可选的，所述s1021中，钻孔内泄露导致的负压损耗，包括以下步骤：

22、s10221：钻孔浅部封孔段，这是钻孔内漏气导致负压损耗的主要部分，主要有封孔段密封深度不足和封孔段密封不严导致的漏气，其中封孔段密封深度不足主要是封孔段无法有效密封钻孔浅部裂隙带，封孔深度未达到应力集中带或原岩应力带；而封孔段密封不严导致的漏气可能存在封堵装置、抽采管等破损或封孔材料无法有效充填封孔段空间，以及随着时间推移，封孔段裂隙进一步发育导致漏气发生。

23、s10222：钻孔中深部主要是煤岩层裂隙带和其他钻孔等串孔导致的漏气，也会导致钻孔内部负压损耗。

24、可选的，所述s103中，负压沿钻孔径向随时间影响范围变化规律包括步骤：

25、s1031确定观察孔抽采及孔内负压分布，保证抽采孔进行正常抽采，同时在钻孔内布置负压监测装置，可以实时获取钻孔内负压分布情况，主要包括抽采孔工程参数、抽采孔轨迹参数和负压沿孔深分布；

26、可选的，抽采孔工程参数主要包括抽采孔孔径、孔径、开孔高度、封孔工艺及参数，其中封孔工艺及参数需满足不漏气或无明显漏气要求，否则视为密封失效，无法进行正常考察分析；

27、可选的，抽采孔轨迹参数主要包括钻孔深度、倾角、方位角、工具面向角、左右偏差、上下偏差等，可以选用定向钻机施工并记录钻孔轨迹，通过确定抽采孔的轨迹参数后，可以为观测孔的布置参数提供精确定位依据。

28、可选的，负压沿孔深分布是在抽采孔内布置沿钻孔深度负压监测装置，可以实时获取不同深度处负压值，获取沿钻孔轴向负压衰减规律，同时在抽采孔两侧不同深度处分组布置观测孔，可实现一个钻孔同时实现沿钻孔轴向负压分布规律和不同负压值下径向影响范围考察。

29、s1032分组布置观测孔并监测数据，具体可通过监测孔内压力或流量等参数，包括观察孔工程参数、观察孔轨迹参数和观察孔分布布置参数等。

30、可选的，所述观测孔工程参数主要包括观测孔孔径、孔深、开孔高度、封孔深度和封孔工艺等，其中观测孔封孔根据本煤层、穿层钻孔和钻孔倾角采用不同封孔工艺，但是封孔深度一定要满足监测参数要求，防止封孔段漏气等导致考察失败。

31、可选的，所述观测孔轨迹参数包括钻孔深度、倾角、方位角、工具面向角、左右偏差、上下偏差等，可以选用定向钻机施工并记录钻孔轨迹，实现抽采孔与观测孔的空间精确定位，便于进行抽采数据和监测数据的精确测量和考察分析。

32、可选的，所述观测孔分组布置包括钻孔间距、分组钻孔数量、组内和分组钻孔深度布置，从而考察沿钻孔深度不同抽采负压下分组观测孔内监测参数的变化情况，以此考察抽采钻孔不同深处多因素耦合下合理负压沿径向的抽采效果。

33、可选的，所述12中抽采钻孔不同负压抽采时空预测模型是基于煤岩层和瓦斯赋存条件、抽采钻孔工工程参数、煤层瓦斯抽采理论等建立的，构建区域钻孔不同抽采负压时空预测模型，包括以下步骤：

34、所述的煤岩层和瓦斯赋存条件，煤岩层地质参数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；煤层瓦斯赋存参数包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量压力、煤层渗透率、煤层密度和煤层孔隙率等基础参数；

35、所述的抽采钻孔工程参数，包括开孔位置、钻孔深度、孔径、间距、倾角、方位和封孔工艺及参数等，并详实记录钻孔施工成孔参数；

36、所述的煤层瓦斯抽采理论主要包括煤层瓦斯渗流扩散理论、质量守恒定律和流体力学等理论，是构建瓦斯抽采钻孔不同抽采负压时空预测模型的理论基础。

37、可选的，在所述s12构建区域钻孔不同抽采负压时空预测模型后，进入步骤s13，进行区域钻孔抽采验证，最终确定合理抽采负压；

38、s301：确定区域钻孔负压进行抽采，并进行日常抽采数据监测，抽采过程中尽量保持负压按照负压对抽采效果考察和预测模型进行，或者保证抽采效果最佳而对比负压值的偏移量；

39、s302：区域钻孔抽采过程中，通过获取的抽采数据与构建的区域钻孔不同抽采负压时空预测模型的预测值进行拟合对比，如果结果一致则进入s14，说明预测负压值与实际抽采效果相吻合，可以实现在计划时间内抽采达标；如果结果不一致，则需要根据现有抽采状况下抽采达标时间进行预测，则进入s303；

40、s303：根据实际抽采效果与预测抽采达标时间拟合对比后，根据是否会影响到矿井抽采掘接替计划，如果是，则进入s304，否则进入s301，继续进行正常抽采和抽采数据监测；

41、s304：在影响矿井抽采掘接替计划时，根据是否调整区域抽采达标时间，如果是，则进入s306，如果否则进入s305；

42、s305：在不调整区域煤层抽采达标时间的情况，只能去调整矿井抽采掘接替计划，也就是说相应延长抽采达标时间，依次向后延长矿井采掘接替时间，然后进入s301，继续对区域钻孔进行抽采；

43、s306：如果需要调整区域抽采达标时间，即在矿井抽采掘接替计划不变的情况下，通过调整钻孔参数、抽采参数或者进行煤层增透、钻孔修复等作业，使区域煤层抽采达标时间正常或提前，而不影响矿井抽采掘计划，然后进入s12。

44、可选的，在所述s13确定抽采钻孔负压并进行抽采效果检验验证后，进入步骤s14；

45、在s14是在确定瓦斯抽采钻孔负压并进行抽采效果检验验证后，进行相应的优化调整预测模型、抽采钻孔工程参数或调整矿井抽采掘计划，最终确定合理抽采负压，并以此指导确定其他区域钻孔负压；

46、调整矿井抽掘采计划是在不进行抽采负压的调整情况下，通过调整矿井抽采掘计划延长抽采达标时间；

47、调整抽采钻孔工程参数是针对不调整抽采负压和不调整抽掘采计划的情况下，通过修改抽采钻孔工程参数，比如钻孔孔径、钻孔深度、钻孔间距、布置方式等，完成上述措施后，重新进行钻孔瓦斯抽采，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抽采效果和抽采达标预评价。

48、本发明的有益效果在于：本发明通过选定抽采区域开展瓦斯抽采钻孔对抽采效果考察，并构建区域钻孔不同抽采负压时空预测模型，然后通过区域钻孔进行负压抽采并根据抽采实时数据进行抽采效果检验，以此进行矿井抽采掘接替计划、抽采钻孔工程或预测模型优化调整，实现对区域钻孔合理抽采负压确定并根据时空耦合关系进行动态调整优化，为有针对性的开展智能抽采调控提供了依据，从而有效提高抽采钻孔利用效率和精细化管理技术水平，保证了煤矿瓦斯抽采效果和矿井抽掘采顺利衔接。

49、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。