一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法与流程

本发明涉及一种钻孔参数确定方法，属于煤矿
技术领域：
，具体是涉及一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法。
背景技术：
：采用顶板疏放水钻孔进行深降深、大流量超前预疏放是煤矿顶板水害最主要的预防工程措施。在一些特定的矿井地质、水文地质条件下，超前疏排煤层顶板直接或间接充水含水层是惟一的防治水手段。而顶板疏放水钻孔的精准设计(长度、仰角、数量等)直接关乎工作面回采前预疏放工程的钻探工程量、疏放时间乃至顶板水是否能得到充分疏放，同时为工作面防排水系统设计以及制定可控疏放方案提供直接参考。倾斜钻孔疏放水时钻孔内水流流态呈现了层流和紊流多流态并存的情况，其水流计算及钻孔参数优化方法存在缺陷。目前，有关煤层顶板疏放水水流计算多采用点源线汇理论计算进行，且钻孔参数最优化确定的方法多根据多目标优化管理模型进行计算。这些方法均为考虑疏放水时钻孔内复杂的水流形态特征，导致计算精度不足，对后期防治水工程设计参考价值有限。“渗流-管流耦合模型”最早应用在传统水文地质中水资源量评价工作上，该模型充分考虑了钻孔内多流态并存的水流特征，已广泛用于水平井、渗流井、辐射井等取水建筑物水量计算中，效果良好。本发明以“渗流-管流耦合模型”为基础，构建适用于煤层顶板倾斜疏放水钻孔定降深放水的含水层-钻孔系统的“渗流-管流耦合模型”，分析计算钻孔涌水量随含水层渗透系数、钻孔直径等参数的变化规律，同时研究钻场内不同数量下钻孔总涌水量的变化特征，最终确定钻场内钻场最佳长度、仰角和数量等参数，为疏放水工程设计提供技术支撑。通过本发明，提高了煤层顶板疏放水钻孔水量计算精度，确定了钻孔设计时钻孔长度、仰角、数量等最优化参数，对矿井疏放水工程合理设计具有非常重要的指导意义。技术实现要素：以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。本发明的目的是提供一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，解决了现有技术中存在的疏放水钻孔水量计算不准，钻孔设计时参数难以确定的问题。为解决上述问题，本发明的方案是：一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，包括：耦合多孔介质地下水的渗流与管道中的管流以构建含水层-钻孔系统“渗流-管流耦合模型”；基于所述渗流-管流耦合模型，计算在该垂高下钻孔不同仰角疏放水钻孔单孔涌水量、单位长度涌水量、疏放最佳仰角以及钻孔长度。优选的，上述的一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，基于下式构建渗流-管流耦合模型：式中，α为钻孔与含水层之间的水力传导系数，hp为钻孔内水位，hi为含水层的水位，d为钻孔直径，ρ是水的密度，μ是动力粘滞系数，τ是钻孔内壁粗糙度，l是钻孔长度，δh是钻孔内任意两点的水头损失。优选的，上述的一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，δh的计算基于下式；式中，f是摩擦系数，l是钻孔长度,d是钻孔直径,g是重力加速度,u是地下水流速。优选的，上述的一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，地下水流态的判定基于下式；式中：re为雷诺数，q为钻孔流量，d为钻孔直径，υ为地下水运动粘滞系数。优选的，上述的一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法，采用疏放水钻孔单孔最佳长度和仰角，分别计算分析单个钻场内不同钻孔数量群孔总涌水量，进而确定单个钻场内钻孔的最优数量。本发明的有益效果是：本发明方法充分考虑了含水层-钻孔系统中渗流和紊流多流态并存的情况，旨在解决煤层顶板疏放水钻孔水量计算不准，钻孔设计时参数难以确定的问题，对矿井安全高效生产、疏放水工程及排水系统科学合理布置具有非常重要的指导意义和工程实用价值。附图说明并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。图1是本发明实施例的工作流程图；图2是本发明实施例的尼古拉兹曲线示意图；图3是本发明实施例的临时煤仓放水试验模拟值与实测值拟合曲线示意图；图4是本发明实施例的不同角度单位长度涌水量变化示意图；图5是本发明实施例的单个钻场内不同数量下钻孔总涌水量曲线图。将参照附图描述本发明的实施例。具体实施方式实施例本实施例，提供了一种煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法。下面结合附图1对该煤层顶板疏放水钻孔参数确定方法的具体步骤进行描述。步骤1：矿井地质、水文地质等资料收集；收集矿井地质、水文地质勘探阶段、建井及回采期间的钻孔柱状、长观孔水位、抽(放)水试验、水文地球化学测试、岩石物理力学性质测试结果等资料，统计各钻孔地层顶底板标高、煤层厚度等数据；根据各含水层长观孔水位、水文地球化学等数据，确定矿井范围内地下水补径排条件。步骤2：煤层回采导水裂缝带发育高度计算；根据地层岩性岩石物理力学性质测试结果，确定煤层顶板岩石软硬(软、中硬、硬)程度；以此为基础，采用经验公式(表1)、现场实测等方法确定煤层开采的导水裂缝带发育高度hli。该数据是后期钻孔垂高设计的依据。表1厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式其中：1.σm为累计采厚。2.公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m。3.计算公式中±号项为中误差。4.如果开采工艺为单层开采，则采用计算公式一进行，如果采用一次采全高工艺，则采用计算公式二进行。接下来根据地层岩性岩石物理力学性质测试结果，确定煤层顶板岩石软硬(软、中硬、硬)程度；以此为基础，采用经验公式(表1)、现场实测等方法确定煤层开采的导水裂缝带发育高度。步骤3：疏放水钻孔放水时流态分析；以煤层顶板疏放水钻孔实测涌水量为基础，根据雷诺数(re)公式(公式(1))，计算放水试验初期中期和后期钻孔内水流雷诺数大小；根据尼古拉兹图(雷诺数和流态的关系，图2)，定量判别其地下水流态(层流，光滑紊流、紊流等)。例如，当re<3000时，地下水流态属于层流区，当3000<re<10000时，地下水流属于紊流光滑区，当re>10000时，地下水流态属于紊流粗糙区。式中re为雷诺数，q为钻孔流量，d为钻孔直径，υ为地下水运动粘滞系数，a为钻孔的横截面积。步骤4：含水层-钻孔系统的“渗流-管流耦合模型”构建；以水力学和地下水动力学理论为基础，以能量守能为基础，即含水层-钻孔水量交换量等于钻孔内地下水总流量，构建不同流态下钻孔-含水层系统的“渗流-管流”耦合数学模型。模型构建过程如下：钻孔中水流呈现管道流特征，根据darcy、weisbach和其他水力学研究人员提出以下适用于紊流和层流的一般方程：式中，f是摩擦系数，l是钻孔长度,d是钻孔直径,g是重力加速度,u是地下水流速，δh是钻孔内任意两点的水头损失。当雷诺数re<3000的层流时，摩擦系数f可用以下公式计算：其中，则有：公式中υ为地下水运动粘滞系数[ml-1t-1]。则有：其中，ρ是水的密度，μ是动力粘滞系数，τ是钻孔内壁粗糙度。当雷诺数re>3000的紊流时，摩擦系数可用以下公式计算：那么因此管道中的流量计算公式为：式中：qp为钻孔总水量，kc为钻孔内壁管壁的粗糙高度，μ为动力粘滞系数，τ为钻孔内壁粗糙度，δh为钻孔不同高度的水头损失，其余参数同上。多孔介质地下水渗流区(含水层)与钻孔之间的水量交换，可根据两区域之间的水头差进行线性计算：qex＝α*(hp-hi)式中qex表示钻孔和含水层之间的水量交换量，α为钻孔与含水层之间的水力传导系数，该系数需根据钻孔滤水管段过滤器的孔隙和材质等参数确定，hp为钻孔内水位，hi为含水层的水位。根据能量守恒定律，所有流入管道的地下水量等于管道中的水量，∑qex+qp＝0即：这样，就将多孔介质地下水的渗流与管道中的管流耦合起来，方程即为构建的含水层-钻孔系统“渗流-管流耦合模型”。该方程可根据管道流计算程序conduitflowprocess(cfp)进行数值计算。cfp是在modflow程序包上开发出来的，地下水渗流区根据modflow进行离散化，利用cfp程序包将管道离散为一系列的节点和管子，两相邻节点用一根管子连接，地下水在相邻节点间通道管子传输，地下水渗流区和管道之间通过它们之间的水量交换量进行耦合。步骤5：疏放水钻孔单孔最优化参数确定；以“渗流-管流耦合模型”为基础，根据导水裂缝带发育规律高度计算结果，利用modflow和conduitflowprocess程序包联合进行迭代数值计算，计算在该垂高下不同仰角(30°-90°)的疏放水钻孔单孔涌水量及其单位长度涌水量，确定其疏放最佳仰角以及钻孔长度。该步骤主要的工作思路为：(1)设置modflow中含水层初始水头，将钻孔内节点的顶部标高作为钻孔内水头迭代初值，并假设钻孔内水流初值流态为层流；(2)利用含水层-钻孔系统“渗流-管流耦合模型”计算出含水层与钻孔间的交换量初值，进而可计算出钻孔内各段的水量初值；(3)利用含水层与钻孔间的交换量初值，可计算钻孔内水流的雷诺数re，判断钻孔内水流形态，据此选择不同的管流计算公式，进而计算出下一个钻孔内水头值；(4)利用新的钻孔内水头值作为初值重复上述(2)～(3)计算过程，直到连续两次钻孔内水头计算值绝对误差满足计算精度为止，即|hi+1-hi|<ε。其中hi为上一次钻孔内水头计算值，hi+1连续的下一次钻孔内水头计算值，ε为迭代计算精度，一般取0.00001。此时的含水层与钻孔间的交换量即为钻孔单孔涌水量。(5)根据最终计算出的钻孔单孔涌水量，除以此时钻孔的总长度，得到钻孔的单位长度涌水量。(6)将不同的角度作为不同方案重复计算钻孔单孔涌水量和单位长度涌水量，对比不同角度的钻孔单位长度涌水量的大小，选择单位长度涌水量最大的方案，此时的钻孔角度即为疏放水钻孔的最佳仰角，此时的钻孔长度即为疏放水钻孔的最佳长度。步骤6：疏放水钻场内钻孔数量确定采用疏放水钻孔单孔最佳长度和仰角，分别计算分析单个钻场内不同钻孔数量n(1～8个，平面范围内均匀布置，钻孔方位角间距为360/n)群孔总涌水量及其互相影响程度，进而确定单个钻场内钻孔的最优数量。实施例内蒙古自治区东胜煤田呼吉尔特矿区某矿井主采延安组3-1煤，煤层回采期间受到顶板延安组和直罗组含水层的威胁，为此需要在工作面回采前施工预疏放钻孔，但由于以往缺乏钻孔水量计算及其优化设计方面的理论，因此疏放水工程设计方案迟迟未完成，需要采用新方法对钻孔水量及其优化设计方案进行优化。具体工作过程如下：步骤1：矿井地质、水文地质等资料收集；收集了该井田第四系、白垩系、直罗组1段、直罗组2段和延安组3段含水层的长观孔水位、抽(放)水试验、水文地球化学测试以及相应地层钻孔柱状以及岩石物理力学性质测试结果，统计了各钻孔地层顶底板标高以及煤层厚度；根据各含水层长观孔水位、水文地球化学等数据，确定了矿井范围内地下水补径排条件。步骤2：煤层回采导水裂缝带发育高度计算；根据该井田内地层岩性岩石物理力学性质测试结果，确定了煤层顶板岩石为中硬程度；3-1煤层平均采厚为5.5m，采用经验公式以及现场实测方法综合确定了煤层开采的导水裂缝带发育高度约为120m。同时确定了后期布置疏放水钻孔的垂高为120m。步骤3：疏放水钻孔放水时流态分析；根据煤层顶板疏放水钻孔实测涌水量，根据雷诺数公式，计算了放水试验初期、中期和后期钻孔内水流雷诺数大小，根据尼古拉兹图，定量判别了其地下水流态都是紊流(表2)。表2钻孔不同流量和直径的雷诺数计算结果q(m3/h)d(m)υ(m2/d)re流态1000.1270.1240612.2紊流500.1270.1120306.1紊流200.1270.148122.44紊流1000.0750.1407436.7紊流500.0750.1203718.3紊流200.0750.181487.33紊流步骤4：含水层-钻孔系统的“渗流-管流耦合模型”构建；钻孔-含水层系统的“渗流-管流”耦合模型为基础，结合疏放水过程中地下水流为三维流，服从达西定律。可采用下列数学模型进行描述：式中：ss为含水层弹性释水系数，h为地下水位标高，k为含水层渗透系数，x,y,z为坐标变量，n为第二类边界外法线方向，c为“含水层-钻孔”间水力传导系数，qe为钻孔与含水层之间的水量交换，qp为钻孔内的出水量，hs为钻孔疏放水时定水头，hp为钻孔内水位，υ为水流运动粘滞系数，d为钻孔直径，v为渗流速度，γ2为第二类边界，d为计算区范围。以该矿井临时煤仓放水实验实测数据为基础，利用tf1、tf2、tf3放水实验观测数据对该模型进行可靠性验证，同时对含水层水文地质参数进行反演。主放水孔tf1，观测孔tf2和tf3在模型中计算结果与实测数据拟合结果见图3。采用耦合模型对放水试验过程中地下水水位和水量进行了识别验证，水位及水量在识别验证期的变化和实际变化趋势基本一致，表明该模型合理可靠，建立的三维地下水流模型可以用于倾斜钻孔的水量计算。本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。当前第1页12