一种煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法与流程

本发明涉及煤矿井下安全，具体涉及一种煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法。

背景技术：

1、实现煤与瓦斯共采是安全高效生产的必然趋势，煤矿井下顺煤层定向钻孔具有轨迹精准可控、钻进深度大、瓦斯抽采效率高等优点，已成为国内外煤矿中硬煤层高效抽采的主要手段。国内煤矿井下顺煤层定向钻进深度记录随技术与装备的进步不断被刷新，2008年在陕西亭南煤矿达到1046m，2010年在山西寺河煤矿达到1059m，2011年分别在山西神东保德煤矿和陕西大佛寺煤矿达到111.6m和1212m，2014年在山西寺河煤矿达到1881m。国外煤矿井下定向钻进技术成效以澳大利亚最为显著，分别于2002年和2017年完成钻孔深度1761m和2151m顺煤层定向钻孔。2017、2019年度国内煤矿井下顺煤层钻孔深度记录被刷新至2311m和2570m，以顺煤层长钻孔为基础的矿井大区域瓦斯治理已经成为研究的热点，并于2020年再次将煤矿井下顺煤层钻孔深度记录刷新至3353m。但限于个矿井既定抽采负压系统，并非钻孔长度越长抽采效果越好，大多数矿井通风负压下，最大抽采长度在300～700m之间。

2、目前现有合理抽采设计，多经过数值模拟和现场短钻孔抽采瓦斯影响半径实测进行预测，精度差，瓦斯压力等突出重要指标参数，通过顺槽短钻孔局部预测，难以精准预测瓦斯压力分布特征，无法有效的对危险区分级划分，更无法制定针对性治理方案，导致钻孔施工抽采靠自然瓦斯涌出，抽采标期长，难以满足生产接续需求；同时，现有矿井统一划分为突出或者高瓦斯矿井，治理区域多为均匀密集布置，但实际煤层瓦斯覆存受到地质条件、煤体结构特征和生产接续等影响，导致瓦斯覆存为非均匀特征，各个区域危险程度差异较大，如果采用均匀密集钻孔抽采，工程量大，一些区域造成资源浪费，一些区域抽采效率低，延长了抽采达标时长。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法。

2、一种煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法，包括：沿着工作面实施顺煤层长钻孔，形成测定孔道；于测定孔道中安装测试装置，所述测试装置包括通缆管柱、接通通缆管柱的多个膨胀封孔组件以及接通通缆管柱的多个测试组件，所述测试组件包括分别固定在两个相邻膨胀封孔组件端部的第二测试模块和第三测试模块，所述第二测试模块和所述第三测试模块之间设置有第一测试模块，所述第一测试模块、所述第二测试模块和所述第三测试模块上分别设置有接通通缆管柱的第一进口、第二进口和第三进口；利用膨胀封孔组件对测定孔道进行膨胀封孔，使测定孔道内各个相邻膨胀封孔组件之间形成独立的测试空间；将测试装置连接瓦斯抽采体系，打开第一进口，关闭第二进口和第三进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第一测试模块获取各个测试空间内的第一瓦斯综合参数信息；根据预设标准和多个第一瓦斯综合参数信息，得到各个测试空间对应的危险分级；对比多个相邻测试空间的危险分级，并获取分级差值，将分级差值与预设阈值对比；其中，当相邻测试空间的分级差值小于预设阈值时，让相邻测试空间按其对应的危险分级开始瓦斯抽采钻孔；当相邻测试空间的分级差值超过预设阈值时，将对应的测试空间划分为内设第一测试模块的中部区域和分别内设第二测试模块和第三测试模块的边界区域；关闭第一进口和第三进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第二测试模块获取各个测试空间内的第二瓦斯综合参数信息，根据预设标准和第二瓦斯综合参数信息，得到测试空间内一个边界区域对应的危险分级；关闭第一进口和第二进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第三测试模块获取各个测试空间内的第三瓦斯综合参数信息，根据预设标准和第三瓦斯综合参数信息，得到测试空间内另一个边界区域对应的危险分级；在测试空间内中部区域和边界区域分别按其对应的危险分级开始瓦斯抽采钻孔。整个煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法主要包括以下步骤：s1、沿着工作面实施顺煤层长钻孔，形成测定孔道，其中，工作面为作业面或者盘区，长钻孔的长度需要覆盖整个作业面或盘区。s2、于测定孔道中安装测试装置，测试装置包括通缆管柱、接通通缆管柱的多个膨胀封孔组件以及接通通缆管柱的多个测试组件，测试组件包括分别固定在两个相邻膨胀封孔组件端部的第二测试模块和第三测试模块，第二测试模块和第三测试模块之间设置有第一测试模块，第一测试模块、第二测试模块和第三测试模块上分别设置有接通通缆管柱的第一进口、第二进口和第三进口，其中，第一进口、第二进口或第三进口打开后，测定孔道内部瓦斯会通过其涌入到通缆管柱内部。s3、利用膨胀封孔组件对测定孔道进行膨胀封孔，使测定孔道内各个相邻膨胀封孔组件之间形成独立的测试空间，其中，利用外置装置给测试装置进行增压，从而使膨胀封孔组件进行膨胀封孔。s4、将测试装置连接瓦斯抽采体系，打开第一进口，关闭第二进口和第三进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第一测试模块获取各个测试空间内的第一瓦斯综合参数信息，其中，此时瓦斯只从第一进口涌入通缆管柱，同时，预设抽采负压可以为规定的逐级增加的p1、p2、p3、p4、……、pn，也可以为零，代表自然条件下的压力作用下，瓦斯从第一进口自然涌入过程中测定的瓦斯信息，具体地，首先在自然压力下，监测各个测点的瓦斯浓度、流量和自然瓦斯压力，监测频次1min/次，持续时长为7天，测定各个分区测点煤层自然涌出条件的各个参数，再建立不同抽采负压p1、p2、p3、……、pn对应抽采浓度、瓦斯抽采流量、瓦斯涌出压力，记录各个测点的以上数据。s5、根据预设标准和多个第一瓦斯综合参数信息，得到各个测试空间对应的危险分级，其中，预设标准和危险分级均为人为设定，参照物根据相应经验和具体实地地质情况决定，只需保证所有信息在同一预设标准下进行归类分析。s6、对比多个相邻测试空间的危险分级，并获取分级差值，将分级差值与预设阈值对比；当相邻测试空间的分级差值小于预设阈值时，让相邻测试空间按其对应的危险分级开始瓦斯抽采钻孔；当相邻测试空间的分级差值超过预设阈值时，将对应的测试空间划分为内设第一测试模块的中部区域和分别内设第二测试模块和第三测试模块的边界区域；关闭第一进口和第三进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第二测试模块获取各个测试空间内的第二瓦斯综合参数信息，根据预设标准和第二瓦斯综合参数信息，得到测试空间内一个边界区域对应的危险分级；关闭第一进口和第二进口，以预设抽采负压开始瓦斯抽采，通过多个第三测试模块获取各个测试空间内的第三瓦斯综合参数信息，根据预设标准和第三瓦斯综合参数信息，得到测试空间内另一个边界区域对应的危险分级；在测试空间内中部区域和边界区域分别按其对应的危险分级开始瓦斯抽采钻孔；其中，当相邻测试空间的分级差值超过预设阈值时，需要将涉及的两个测试空间均进行划分，均划分为两个边界区域和一个中部区域，预设阈值一般为由岩层地质经验分析预测得到的危险分级变化量。

3、优选地，膨胀封孔组件包括：接通通缆管柱的固定管柱；绕设在固定管柱外的膨胀囊；设置在固定管柱内部并且能够沿固定管柱内壁滑动的活动管柱；设置在固定管柱端部的安装管头；设置在安装管头与所述活动管柱之间的加压弹簧；以及设置在活动管柱内部的卡位球座；其中，所述固定管柱上开设有加压口，所述活动管柱内开设有单向阀，当所述活动管柱沿所述固定管柱内壁滑动后，所述单向阀接通所述加压口；所述安装管头上固定所述第二测试模块或第三测试模块。可以利用外置注水泵组通过通缆管柱投球，并将带压清水送入膨胀封孔组件内，在持续加压至0.5～0.8mpa的过程中，使各个膨胀封孔组件依次完全膨胀密封测定孔道，以形成多个分段且独立的测试空间；优选地，投球加压后，球于卡位球座处被卡住，带动活动管柱发生移动并对加压弹簧施压，以使加压口接通单向阀，液体直接从单向阀进入到膨胀囊中并使膨胀囊快速膨胀扩大，直至填充满整个测定孔道。

4、优选地，预设标准包括：按照小于等于0.25mpa、大于0.25mpa并小于等于0.5mp、大于0.5mpa并小于等于0.74mpa、大于0.74mpa并小于等于1.5mpa,、大于1.5mpa的范围划为1j、2j、3j、4j和5j。预设标准为利用自然条件下各个测定点位测得的大量瓦斯压力值，结合各个测点坐标位置，按照1j≤0.25mpa，0.25mpa＜2j≤0.5mpa，0.5mpa＜3j≤0.74mpa；0.74mpa＜4j≤1.5mpa,5j＞1.5mpa进行危险分级，其中j1为无危险区，j2为低危险区，j3为中等危险区，j4为高危区，j5为极高危险区。

5、优选地，第一瓦斯综合参数信息、所述第二瓦斯综合参数信息和所述第三瓦斯综合参数信息均包括瓦斯压力、流量和浓度信息。启动远程监控程序，开始进行瓦斯抽采负压、流量、浓度及瓦斯压力等各个参数测试。

6、优选地，第一测试模块包括接通第一进口的第一气体单向通道和设置在第一进口处的第一测定传感器；所述第二测试模块包括接通第二进口的第二气体单向通道和设置在第二进口处的第二测定传感器；所述第三测试模块包括接通第三进口的第三气体单向通道和设置在第三进口处的第三测定传感器。第一测定传感器、第二测定传感器和第三测定传感器中，内设压力、气体流量、甲烷浓度监测传感器，其压力敏感度为±0.02mpa，流量敏感度为±0.1m3/min,甲烷浓度敏感度为±0.1％，各个传感器外铺抗压隔水薄膜，不受膨胀封孔组件注液膨胀影响，远程监控程序可实现各个数据的全程监测，记录时间间隔2s～1min。

7、优选地，第一进口、所述第二进口和所述第三进口分别设置有数控阀门，所述数控阀门电性连接有设置在测试装置上的控制模块。用供电远控记录装置与孔口通缆管柱连接，电源打开持续供电，控制模块中的各电路信号由通缆管柱中导电芯供给于各个测试组件，快速对数控阀门进行精确控制，从而控制第一进口、第二进口或第三进口的启闭。

8、优选地，开始瓦斯抽采钻孔后还包括：通过钻机抽拉测试装置，使膨胀封孔组件进行卸压，并对测试装置进行回收。当需要对测试装置进行回收时，通过外置钻机起拔6～8kn，膨胀封孔组件上的销钉剪短，实现膨胀囊体与测定孔道的连通，实现卸压出水和整个测试装置的回收。

9、优选地，预设抽采负压可以为零抽采负压，也就是处于自然条件下瓦斯自然涌出。自然条件下瓦斯自然涌出过程中测定的瓦斯综合参数，作为最优的数据处理对比组，能够辅助建立出不同抽采负压下的实验模型。

10、优选地，沿着工作面实施顺煤层长钻孔之前还包括：获取工作面范围内的煤层地质信息，根据煤层地质信息设计钻孔长度，根据钻孔长度设计测试装置尺寸信息，所述测试装置尺寸信息包括通缆管柱长度和数量、膨胀封孔组件数量以及测试组件数量。

11、优选地，于测定孔道中安装测试装置包括：利用钻机平台依次交替输送测试组件、通缆管柱和膨胀封孔组件，其中，相邻测试组件之间距离范围为5～50m。

12、本发明的有益效果体现在：

13、1、在本发明中，整个煤层瓦斯参数精准测定和分区抽采预测方法中，利用定向长钻孔加测试装置的构成，形成多个独立的检测点，实现基础抽采参数进行分区动态测试，不需要对现场进行大面积短钻孔抽采测试，节省测试效率和成本。

14、2、在本发明中，通过不同预设抽采负压进行瓦斯抽采，实现结合自然涌出情况和抽采负压下参数的差异对比，并在预设标准下获取危险分级，实时快速地预测出后续瓦斯抽采钻孔中合理的开孔密度和长度，同时，在设定需求下，优选一套合理抽采负压、浓度、截止时间等参数的组合，缩短抽采达标时长。

15、3、在本发明中，抽采过程中，测试装置回收前能够一直预留在测定孔道内，对抽采过程中所有参数的动态监测，能够判识是否抽采达标，实现了煤层瓦斯抽采数据的动态智能监测，降低了方法应用成本，提高了应用推广范围和成效。

16、4、在本发明中，通过对相邻测试空间的危险分级进行对比分析，增加反馈机制，避免因设计测试装置尺寸出错，也就是相邻测试点位间距过长，而造成测定结果不精准的问题，如果分级差值超过预设阈值，代表相邻测试空间的变化率超过岩层地质经验分析预测变化量，此时通过同时在相邻测试空间中每个测试空间进一步进行划分，划分为两个边界区域和中部区域，再通过独立地于第二进口和第三进口处进行瓦斯参数测定，再对测定的瓦斯参数进行分析处理，大大提高后续整个分区抽采预测分析结果的准确性和可靠性；更关键的是，整个测试组件包括第一测试模块、第二测试模块和第三测试模块，其中，第二测试模块和第三测试模块分别固定在相邻膨胀封孔组件端部，充分利用膨胀封孔组件的结构强度，来保证整个测试组件的稳定性，避免因测试组件测定点位过多而导致通缆管柱个数过多的不稳定和抗压隔水能力差，提高整个测试组件的稳定可靠性。