基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定水力冲孔影响半径的方法与流程

本发明属于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水力冲孔影响半径的方法。

背景技术：

我国煤矿开采深度以每年10～15m的速度增加，煤层瓦斯压力和地应力也随之增大，瓦斯含量高，煤层透气性低，瓦斯抽采难度进一步加大，加上煤层地质条件复杂，使得煤与瓦斯突出灾害逐渐严重。水力冲孔采用高压水射流破碎煤体，冲出煤体和瓦斯，引起钻孔周边煤岩体应力降低，增大煤层透气性，提高抽采效果。由于水力冲孔冲出煤量多，排放瓦斯和卸压充分，能实现快速高效消突，并取得显著的区域性消突效果，被广泛应用。合理的水力冲孔技术参数是水力冲孔达到消突效果的技术保证，有效影响半径是水力冲孔最重要的技术参数之一。研究水力冲孔有效影响半径及其变化规律，对指导水力冲孔技术措施的实施和实现快速消突具有重要意义。

水力冲孔有效影响半径主要受冲出煤量、地应力、瓦斯压力和裂隙发育情况等因素影响，观测方法也多种多样。对于同一煤层相近地区，地应力、瓦斯压力和裂隙发育情况等因素相近。因此，数值模拟法通过数值模拟研究水力冲孔有效影响半径与冲出煤量、形成孔洞大小的关系以及水力冲孔有效影响半径变化规律，为优化钻孔布置参数和评价冲孔效果、判断是否存在空白带等奠定基础。

压降法通过观测抽采钻孔影响范围内瓦斯压力的下降情况，确定抽采钻孔影响半径。目前，穿层钻孔的瓦斯压力测定仍然是业界尚未有效解决的一个难题，受煤层地质条件及开采扰动的影响，难以连续、准确地测定煤层瓦斯压力。相对压力指标法基于这样的考虑，测定瓦斯压力下降的幅度，因此相比压降法要有一定的优越性。含量指标法的测定原理与压降法类似，只是把考察抽采半径的有效性指标由瓦斯压力变换为瓦斯含量而已。示踪气体法是在注气孔两侧不同距离施工抽采孔，通过考察检出示踪气体的时间和距离的关系确定抽采半径。虽然示踪气体一般为惰性气体，检测灵敏度高，但向煤层注入另外一种气体势必会改变煤层原始压力梯度，且没有考虑示踪气体和瓦斯的在煤层中运移特性的差异。计算机模拟法以煤层瓦斯流动理论为基础建立钻孔瓦斯流动模型，设定边界条件，根据编制的解算程序模拟钻孔周围瓦斯流动状态，但是假设条件过于理想化，不能完全模拟现场实际情况。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足之处，本发明提供一种操作简单、测量准确、结果可靠的基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定水力冲孔影响半径的方法。

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水力冲孔影响半径的方法，包括以下步骤：

1)施工观测孔和冲孔：每个冲孔和其观测孔为一组，先施工观测孔，并观测观测孔的瓦斯涌出量；然后再施工冲孔，对冲孔进行水力冲孔并及时带抽，准确计量各个冲孔的冲出煤量；

2)继续观测各观测孔的瓦斯涌出量，对各个观测孔的瓦斯涌出量随时间变化曲线进行拟合分析，确定瓦斯涌出量衰减系数；

3)根据回归分析结果和瓦斯涌出量变化曲线，分析观测孔瓦斯涌出量的分段性特征，确定瓦斯涌出量衰减特征的前期和后期，变化曲线进行分段处理；

4)根据后期瓦斯涌出量情况，比较各个观测孔的瓦斯涌出量衰减系数，发生加速衰减的最远观测孔与冲孔钻孔之间的距离，即表示冲孔影响半径；

5)将每个冲孔的影响半径与对应的每米钻孔平均抽采煤量进行数量分析，确定冲孔平均冲出煤量与影响范围的线性关系。

所述步骤1)中每个冲孔周围布置若干个不同距离的观测孔形成一组。

所述步骤1)中冲孔和其观测孔组需要不少于3组，各组之间间隔一定距离，抽采时互不影响；各组的冲孔冲出煤量有一定区别。

每组冲孔的冲出煤量不同，冲孔影响半径也不同。

所述步骤1)中每个观测孔施工完成要及时缩孔。

所述步骤1)的钻孔施工时，设计底板抽采巷施工上向穿层钻孔，保证钻孔穿透煤体至煤层顶板岩层。

游离瓦斯不受抽采负压影响时依靠瓦斯压力与钻孔气压的压力差进入钻孔；游离瓦斯受到抽采负压影响时，则选择压差较大的路径进入抽采钻孔。

在抽采钻孔影响圈内，部分瓦斯流向冲孔，瓦斯涌出量衰减较快，衰减系数较大；在冲孔影响圈范围以外，瓦斯涌出量按负指数规律衰减，衰减系数较小，每组冲孔不受影响的观测孔瓦斯衰减系数都接近煤层瓦斯自然衰减系数。

本发明的有益效果：

本发明可靠度高、实用性强，操作简单，解决了冲孔后影响半径难以确定的问题，便于防突工作的顺利进行，且操作简单、测量准确、结果可靠。

附图说明

图1是本发明实施例冲孔与观测孔布置图；

图2是本发明实施例第一组前期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图3是本发明实施例第一组后期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图4是本发明实施例第一组前期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图5是本发明实施例第一组后期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图6是本发明实施例第二组前期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图7是本发明实施例第二组后期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图8是本发明实施例第二组前期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图9是本发明实施例第二组后期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图10是本发明实施例第三组前期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图11是本发明实施例第三组后期1-5#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图12是本发明实施例第三组前期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图13是本发明实施例第三组后期6-10#观测孔瓦斯涌出量随时间衰减图；

图14是本发明实施例冲孔影响半径与冲出煤量关系图。

具体实施方式

如图1至图14所示，本发明的基于穿层钻孔瓦斯涌出特征测定水力冲孔影响半径的方法，包括以下步骤：

1)施工观测孔和冲孔：每个冲孔和其观测孔为一组，布置见图1(图1中3m、4m......等表示终孔间距)；先施工观测孔，并观测观测孔的瓦斯涌出量；然后再施工冲孔，对冲孔进行水力冲孔并及时带抽，准确计量各个冲孔的冲出煤量；

2)继续观测各观测孔的瓦斯涌出量，对各个观测孔的瓦斯涌出量随时间变化曲线进行拟合分析，确定瓦斯涌出量衰减系数；

3)根据回归分析结果和瓦斯涌出量整体变化曲线，分析观测孔瓦斯涌出量的分段性特征，确定瓦斯涌出量衰减特征的前期和后期，变化曲线进行分段处理；

4)根据后期瓦斯涌出量情况，比较各个观测孔的瓦斯涌出量衰减系数，发生加速衰减的最远观测孔与冲孔钻孔之间的距离，即表示冲孔影响半径；

5)将每个冲孔的影响半径与对应的每米钻孔平均抽采煤量进行数量分析，确定冲孔平均冲出煤量与影响范围的线性关系。

所述步骤1)中每个冲孔周围布置10个不同距离的观测孔形成一组，需要不少于3组，各组之间间隔一定距离，抽采时互不影响；各组的冲孔冲出煤量有一定区别，以便于进行效果对比。

所述步骤1)中每个观测孔施工完成要及时缩孔。

所述步骤1)的钻孔施工时，设计底板抽采巷施工上向穿层钻孔，保证钻孔(观测孔和冲孔)穿透煤体至煤层顶板岩层。

由于钻孔抽采煤层瓦斯经过解吸、渗流和扩散三个步骤，游离瓦斯进入钻孔和抽采管路内。本发明中，游离瓦斯不受抽采负压影响时依靠瓦斯压力与钻孔气压的压力差进入钻孔；游离瓦斯受到抽采负压影响时，则选择压差较大的路径进入抽采钻孔。

在抽采钻孔影响圈内，部分瓦斯流向冲孔，瓦斯涌出量衰减较快，衰减系数较大；在冲孔影响圈范围以外，瓦斯涌出量按负指数规律衰减，衰减系数较小，每组冲孔不受影响的观测孔瓦斯衰减系数都接近煤层瓦斯自然衰减系数，对确定煤层瓦斯抽采性具有一定的借鉴作用。

受钻孔周边煤体变形破坏影响，瓦斯涌出表现出两个阶段，钻孔瓦斯涌出整个过程分为前期和后期，一般观测钻孔周围煤体变形停止的时间为前期，时间为5～7d，之后划分为后期；由于前期、后期衰减系数差别较大，分段拟合相关性明显高于整体拟合相关性；因后期抽采时间远长于前期，故考察各钻孔瓦斯涌出量衰减系数时主要比较后期衰减系数。

每组冲孔冲出煤量不同，冲孔影响半径也不同，对多种数据进行数理分析，找出冲孔后的孔径与冲孔影响半径的内在联系。

下面以河南某矿实测水力冲孔影响半径为例进行说明：

为了便于对比分析，共施工三组30个观测孔，每组观测孔分别进行编号，为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#孔，具体布置如图1所示。先施工钻观测孔，每一个观测孔施工完毕，及时缩孔，观测瓦斯涌出量，前期为每小班观测一次，后期可煤1～2d观测一次，然后施工冲孔钻孔，进行水利冲孔，各个孔冲出煤量有一定区别，第一组为1t，第二组为4t，第三组为7t，继续观测各观测孔的瓦斯涌出量，对各个观测孔的瓦斯涌出量随时间变化曲线进行拟合分析，确定瓦斯涌出量衰减系数，将瓦斯涌出量衰减速度与原始瓦斯涌出量衰减速度相比较，发生加速衰减的观测孔与冲孔钻孔之间的距离，即表示冲孔影响半径。如图2至图13所示，结果分析如下：

(1)第一组冲孔冲出煤量为1t，煤层厚度为8m，冲孔后冲孔半径为170mm，后期各观测孔瓦斯涌出量衰减系数依次为0.137、0.084、0.018、0.017、0.023、0.025、0.021、0.022、0.025、0.024，其中1#、2#观测孔明显比其他观测孔衰减的快，所以冲孔影响半径约为3.5m。

(2)第二组冲孔冲出煤量为4t，煤层厚度为8m，冲孔后冲孔半径为339mm，后期各观测孔瓦斯涌出量衰减系数依次为0.086、0.183、0.102、0.017、0.018、0.011、0.018、0.02、0.024、0.026，其中1#、2#、3#观测孔明显比其他观测孔衰减的快，所以冲孔影响半径约为4.0m。

(3)第三组冲孔冲出煤量为7t，煤层厚度为8m，冲孔后冲孔半径为449mm，后期各观测孔瓦斯涌出量衰减系数依次为0.129、0.123、0.22、0.095、0.091、0.102、0.019、0.014、0.011、0.011，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#观测孔明显比其他观测孔衰减的快，所以冲孔影响半径约为5.5m。

为了找出冲出煤量与冲孔影响半径的内在联系，以冲孔每米冲煤量为横坐标，冲孔影响半径为纵坐标对上述结果进行回归分析，得到冲孔影响半径与冲出煤量关系图，如图14。

由图14可知：

y＝2.9067x+2.835

式中：y：水力冲孔影响半径，m；

x：冲孔每米冲煤量，t/m。

从上式可以看出，随着冲煤量的增加，冲孔影响半径逐渐增大，当冲煤量为零时，抽放孔半径为94mm，抽放孔影响半径约为2.8m。所以对于相同或类似煤层，可利用冲孔每米冲煤量带入上述公式大致计算冲孔影响半径，操作简单方便，便于防突工作的顺利进行。

本发明利用高压水射流破碎煤体，在一定时间内冲出大量煤体，形成较大直径的孔洞，从而破坏煤体原应力平衡状态，同时煤层中新裂隙的产生和应力水平的降低打破了瓦斯吸附与解析的动态平衡，使部分吸附瓦斯转化为游离瓦斯，游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放。为了观测冲孔影响范围，本发明设计了包含观测孔和冲孔钻孔的一组钻孔。通过带抽冲孔钻孔，如果抽采负压影响到观测孔，则观测孔内的部分或全部涌出瓦斯将通过煤中裂隙向冲孔运移，导致其瓦斯涌出量发生超出自然涌出衰减速度的加速衰减，抽采负压影响不到的观测孔，由于不会产生明显的瓦斯运移现象，其瓦斯涌出量将按正常速度衰减，从而根据观测孔瓦斯涌出量衰减速度确定水力冲孔影响半径。此外，根据每个冲孔冲出煤量测得的对应的影响范围，利用数理分析方法，确定冲孔平均冲出煤量与影响范围的线性关系。

本发明使用多级流量计直接测量钻孔瓦斯涌出量，操作简单且符合实际情况。

本发明理论性完善、可靠度高、实用性强，操作简单，解决了冲孔后影响半径难以确定的问题，便于防突工作的顺利进行，且操作简单、测量准确、结果可靠。

以上实施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。