基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法与流程

本发明涉及煤矿井下监测技术领域，尤其涉及一种基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法。

背景技术：

井下煤层瓦斯抽采是防治高瓦斯和突出矿井在采掘过程中煤与瓦斯突出事故的主要技术手段之一。矿井通过施工煤层瓦斯抽采钻孔并铺设输气管道形成井下瓦斯抽采管网，将煤层内赋存的瓦斯抽出并输送至地面。为保证煤层瓦斯突出隐患降低在可控范围内，矿井必须将采掘煤层内的瓦斯含量和压力抽采降低在目标值以下，即实现抽采达标，《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》(安监总煤装〔2011〕163号)对此进行了详细的规定。因此，矿井煤层瓦斯抽采效果的好坏直接关系到煤层瓦斯抽采达标的进度快慢，进而影响着矿井采掘是否可以顺利接替。

因此，及时并准确掌握特定区域内的煤层瓦斯抽采实时效果及其发展趋势对于矿井的生产部署至关重要，为了监测煤矿井下瓦斯抽采管网的运行状况和煤层瓦斯的抽采效果，须对抽采管网内的气体参数进行实时测定。通常是通过在抽采管道上设置监测点，安装瓦斯抽采监测终端，实时监测抽采管道内气体的甲烷浓度、流量、压力和温度等方式来进行监测。

但是，目前现有的监测系统一般只能自动、实时监测瓦斯抽采管道内气体浓度、瞬时流量、累计流量、压力和温度，并不具备对抽采效果进行分析的功能，无法直观反映煤层瓦斯抽采效果的发展变化趋势。虽然现场技术人员可以对上述监控数据采用人工分析的方式得到反映瓦斯抽采效果的各种指标，但这种方式对现场人员的技术水平要求高，且效率慢，不利于抽采效果评价工作的顺利及时开展，因此，亟需一种新的技术手段，以解决现有的抽采监测数据无法直观反映瓦斯抽采效果的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法，以解决现有的抽采监测数据无法直观反映瓦斯抽采效果的技术问题。

本发明提供的基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法，包括：

a.将煤层内的瓦斯抽采钻孔按照相邻位置和接抽时间划分为若干钻孔控制区域，

b.将同一控制区域内的抽采钻孔接入同一钻孔汇流装置，所述钻孔汇流装置与瓦斯抽采管道连接，

c.采集钻孔汇流装置和瓦斯抽采管道之间的管路的瓦斯抽采参数数据并记录，

d.根据采集的瓦斯抽采参数数据，获取瓦斯抽采单元累积量，并对瓦斯抽采效果进行预测。

进一步，瓦斯抽采参数包括瓦斯抽采流量、瓦斯浓度、瓦斯压力和记录时间，间隔测量控制区域内的瓦斯抽采参数，通过如下公式获取瓦斯抽采单元累积量：

$Q_i=\frac{1}{2}(q_i+q_{i+1})\mathrm{\Δ}t,i=0,1,2,...,n$

其中，qi为瓦斯抽采流量，Δt为间隔时间，Qi为瓦斯抽采单元累积量。

进一步，连续获取不同时间阶段的瓦斯抽采单元累积量，根据经历n个Δt时间后的瓦斯抽采单元累积量对该控制区域内的煤层瓦斯抽采效果进行评价。

进一步，通过控制区域瓦斯预抽率γ和控制区域煤的残余瓦斯含量W_cy，对控制区域内的煤层瓦斯抽采效果进行评价；

所述控制区域瓦斯预抽率γ通过如下公式获取：

$\mathrm{\γ}=\frac{Q_n}{Q_z}$

其中，Q_z为该控制区域内的瓦斯总储量，Qn为经过n个时间间隔Δt的瓦斯抽采单元累积量。

控制区域煤的残余瓦斯含量W_cy通过如下公式获取：

$W_{cy}=\frac{Q_z-Q_n}{L\×l\×m\×\mathrm{\ρ}}$

其中，L为控制区域煤层走向长度，m；l为控制区域内内煤层平均倾向长度，m；m为控制区域平均煤层厚度，m；ρ为评价单元煤的密度，t/m3，W₀为控制区域煤的原始瓦斯含量，m3/t。

进一步，根据钻孔瓦斯抽采流量随抽采时间的延长呈负指数函数形式的衰减，将监测的瓦斯抽采参数的历史数据进行数值拟合，获取抽采瓦斯流量衰减系数和回归系数。

进一步，通过如下公式对未来某个时刻的瓦斯抽采效果进行预测：

$Q_T={\∫}_0^T\frac{c_0}{c_t}{q}_0\·e^{-\frac{1+{\mathrm{bp}}_t}{1+{\mathrm{bp}}_0}\mathrm{\β}t}dt$

其中，QT为未来某个时刻T的瓦斯抽采累积量，c0为钻孔初始抽采瓦斯浓度，ct为t时刻钻孔抽采瓦斯浓度，q0为钻孔初始瓦斯抽采量，b为回归系数，P0为煤层初始瓦斯压力，Pt为t时刻的煤层瓦斯压力，β为抽采瓦斯流量衰减系数，t为抽采时刻。

本发明的有益效果：本发明提供的基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法，其分析结果比监测数据更为直观的反映了煤层瓦斯抽采效果的变化动态及发展趋势；同时抽采效果预测方法考虑了抽采瓦斯浓度和煤层瓦斯压力的变化，使预测的结果更接近真实状态，从而提高了瓦斯抽采效果的预测准确性，为煤矿技术人员进行有效可靠的抽采效果分析提供了基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的结构示意图。

如图1所示，本实施例中的基于监测历史数据的井下煤层区域瓦斯抽采效果分析方法，包括

a.将煤层内的瓦斯抽采钻孔按照相邻位置和接抽时间划分为若干钻孔控制区域，

b.将同一控制区域内的抽采钻孔接入同一钻孔汇流装置，所述钻孔汇流装置与瓦斯抽采管道连接，

c.采集钻孔汇流装置和瓦斯抽采管道之间的管路的瓦斯抽采参数数据并记录，

d.根据采集的瓦斯抽采参数数据，获取瓦斯抽采单元累积量，并对瓦斯抽采效果进行评价和预测。

如图2所示，按照瓦斯抽采钻孔4相邻位置及接抽时间，将煤层内换分为多个相邻的钻孔控制区域5，再将处于同一钻孔控制区域5内的瓦斯抽采钻孔4接入同一个钻孔汇流装置3，钻孔汇流装置3与连接瓦斯抽采管道1连接，每个钻孔汇流装置3安装抽采参数监测传感器2，抽采参数监测传感器2可间隔一定的时间Δt测量该钻孔控制区域5内的瓦斯抽采流量抽采流量q_i、瓦斯浓度c_i、瓦斯压力p_i，i＝0,1,2,…,n，并将测量时间及对应的测量数据进行记录，在本实施例中，钻孔汇流装置的作用是将同一钻孔控制区域内的不同钻孔进行汇聚，通过抽采参数监测传感器2对该钻孔控制区域内的瓦斯抽采参数进行统一监测，本领域技术人员可以知晓，本实施例中的抽采参数监测传感器2可以采用现有技术中的可以采集斯抽采流量抽采流量、瓦斯浓度、瓦斯压力和传感器进行替代，再此不再赘述。

在本实施例中，在记录抽采参数数据时，将保存的数据整理为(q_i，c_i，p_i，t_i)格式的监测历史数据组，间隔一定的时间Δt进行一次瓦斯抽采单元累积量Qi的计算，

$Q_i=\frac{1}{2}(q_i+q_{i+1})\mathrm{\Δ}t,i=0,1,2,...,n---\left(1\right)$

Δt表示间隔时间，其中Δt越小，瓦斯抽采单元累积量Q_i精度越高。

连续获取不同时间阶段的瓦斯抽采单元累积量，根据经历n个Δt时间后的瓦斯抽采单元累积量对该控制区域内的煤层瓦斯抽采效果进行评价，经过一个阶段后，阶段时间为n个Δt，瓦斯抽采总累积量Q_n：

$Q_n=\underset{i=0}{\overset{i=n+1}{\Σ}}{Q}_i---\left(2\right)$

钻孔控制区域5的瓦斯预抽率γ：

$\mathrm{\γ}=\frac{Q_n}{Q_z}---\left(3\right)$

式中，Q_z为该控制区域内的瓦斯总储量。

钻孔控制区域5的瓦斯总储量Q_z：

Q_z＝L×l×m×ρ×W₀ (4)

式中L—控制区域煤层走向长度，m；l—控制区域内内煤层平均倾向长度，m；m—控制区域平均煤层厚度，m；ρ—评价单元煤的密度，t/m3，W₀—控制区域煤的原始瓦斯含量，m3/t。

控制区域5的残余瓦斯含量W_cy：

$W_{cy}=\frac{Q_z-Q_n}{L\×l\×m\×\mathrm{\ρ}}---\left(5\right)$

控制区域瓦斯预抽率γ和残余瓦斯含量W_cy，即为评价经过一个阶段即n个Δt时间后的钻孔控制区域5的煤层瓦斯抽采效果。

本实施例根据钻孔瓦斯抽采流量随抽采时间的延长呈负指数函数形式的衰减，将监测的瓦斯抽采参数的历史数据进行数值拟合，获取抽采瓦斯流量衰减系数和回归系数，根据煤层瓦斯流动理论，抽采t时刻时的钻孔瓦斯抽采流量，用下述公式表达：

$q_t=\frac{c_0}{c_t}{q}_0\·e^{-\frac{1+{\mathrm{bp}}_t}{1+{\mathrm{bp}}_0}\mathrm{\β}t}---\left(6\right)$

式中，q_t为t时刻的瓦斯抽采量，m3/min；c₀为钻孔初始抽采瓦斯浓度，％；c_t为t时刻钻孔抽采瓦斯浓度，％；q₀为钻孔初始瓦斯抽采量，m3/min；b为回归系数；P₀为煤层初始瓦斯压力，MPa；Pt为t时刻的煤层瓦斯压力，MPa；β为抽采瓦斯流量衰减系数，d-1；t为抽采时刻，d。

将得到的(q_i，c_i，p_i，t_i)格式的监测历史数据组，利用数值拟合的数学方法即可得到b和β的值，从而可预测下一阶段未来某个时刻t时的瓦斯抽采流量。

未来时刻T时的瓦斯抽采总累计量Q_T：

$Q_T={\∫}_0^T\frac{c_0}{c_t}{q}_0\·e^{-\frac{1+{\mathrm{bp}}_t}{1+{\mathrm{bp}}_0}\mathrm{\β}t}dt---\left(7\right)$

得到公式(6)和(7)后，即可进行抽采效果预测指标的计算，例如瓦斯抽采总累计量QT达到某个设定值所需的时间等。如此进行完一个阶段的效果评价和预测后，即转入下一个阶段的数据监测、效果评价和预测。

本实施例中的瓦斯抽采效果分析方法，可以对井下煤层区域瓦斯抽采效果进行快速分析，由于预测公式中还考虑了抽采瓦斯浓度和煤层瓦斯压力的变化，因此，可以有效的提高瓦斯抽采效果的预测准确性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。