实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法
【专利摘要】本发明公开了一种测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，属于煤矿采掘工作面灾害防治领域。其首先通过在现场对煤矿采动应力监测系统测定，得到工作面前方煤体的采动应力分布曲线，并结合工作面推进速度，绘制出工作面前方一定距离处煤体单元在工作面推进过程中所受采动应力的变化曲线；然后利用Visual?C++编程语言编制轴压加载和围压卸载同步伺服控制程序，导入真三轴渗透率测试系统计算机控制装置，进而通过真三轴渗透率试验模拟随工作面推进，工作面前方一定距离的煤体单元的采动应力变化过程，最终得到随工作面推进时煤体单元的渗透率值及其变化规律。本发明方法可准确、快速地测定掘进工作面和回采工作面前方煤体的渗透率。
【专利说明】实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿采掘工作面灾害防治领域，具体涉及一种实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法。
【背景技术】
[0002]瓦斯灾害是制约我国煤矿行业安全生产的极大因素，矿井瓦斯引起的爆炸、火灾以及煤与瓦斯突出等问题，一直存在于煤炭生产行业中且较为严重。瓦斯抽放是治理矿井瓦斯灾害的有效手段，通过在煤层中布置抽放钻孔，借助抽放泵在钻孔内部产生负压，将煤层中赋存的瓦斯抽离煤体，从而减小煤层中的瓦斯含量，降低煤层瓦斯压力，可在一定程度上消除矿井瓦斯对煤矿安全生产的潜在威胁。
[0003]抽放钻孔的布置方式，是钻孔抽放瓦斯工艺中重要的一环。钻孔间距过大，会导致瓦斯抽放不充分，而间距过小则会造成成本过高和设备资源的浪费，钻孔深度是否处于煤体裂隙、孔隙发育较佳的范围，同样会影响的瓦斯抽放效果。因此，钻孔间距、钻孔深度的合理布设，是高效率抽放瓦斯的关键；煤体的渗透率值可作为上述抽放工艺参数的参考。综合分析工作面前方不同深度阶段煤体的渗透率特征，可为掘进工作面瓦斯抽放钻孔布置深度、回采工作面瓦斯抽放钻孔布置间距提供可靠依据。而传统情况下现场测定煤体渗透率，工艺繁琐、操作环境差，测定结果同实际渗透值存在较大偏差。
[0004]因此，煤矿生产工作中急需一种快速测定工作面前方煤体渗透率的方法，能够方便快捷的测定煤体渗透率，为钻孔抽放瓦斯工作的参数设定提供可靠依据。
【发明内容】
[0005]本发明公开了一种实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，该方法通过测定工作面前方煤体的采动应力分布状态，绘制在采动作用下工作面前方煤体单元随工作面推进过程中的应力变化曲线，进而编制轴压加载和围压卸载的同步伺服控制程序，利用真三轴渗透率测试系统，准确模拟采动应力作用过程，实现对工作面前方煤体渗透率的快速测定。
[0006]本发明技术方案包括:
[0007]—种测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1、测定工作面前方煤体采动应力，其包括以下分步骤:
[0009]a利用计算机将采动影响平面区域划分为网格，并以各网格节点作为测点，在测点处沿工作面走向布置若干个钻孔，各个相邻的钻孔沿工作面走向间距为q，钻孔深度依次为L、L+lp、L+2p、L+3p、...L+np,其中，L+np〈100m, η 为非负数;
[0010]b准备实验硬件，所述实验硬件包括采动应力监测系统，所述采动应力监测系统包括系统主机、钻孔应力计、导向杆、调节器和稳压电源；
[0011]c安装实验硬件，接步骤a，用导向杆将钻孔应力计缓慢送入钻孔指定位置，然后注入油压，使应力感应探头与煤岩体主动耦合；井下部分利用矿用通讯电缆连接稳压电源、调制调解器，搭建压力监测分站；地面部分连接系统主机；
[0012]d启动稳压电源，所述钻孔应力计将煤体应力转化为液压油的油压，油压再转化为电信号，最后转为压力传输至系统主机，所述系统主机用于收集监测数据并对其进行分类、处理；
[0013]步骤2、绘制煤体单元应力变化曲线，
[0014]对 上述步骤d中监测到的数据进行统计，制作表格，描述工作面前方煤体采动应力OpOy O 3在煤体深度方向X上的分布，结合理论继而得出工作面前方煤体内部单元所承载的三个方向上采动应力OpO2' σ 3在工作面推进过程中不同时刻的应力值，以表格进行记录，根据表格数据，以时间t为横轴，以采动应力值为纵轴，借助MATLAB软件进行曲线拟合，绘制工作面前方煤体单元采动应力随时间t的变化曲线；
[0015]步骤3、编制轴压加载、围压卸载同步伺服控制程序，
[0016]以步骤2中所绘制的煤体单元应力变化曲线为依据，利用Visual C++编程语言编写轴压加载和围压卸载同步伺服控制程序，导入真三轴渗透率测试系统计算机控制装置；
[0017]步骤4、真三轴渗透率测试系统测定煤体渗透率，其包括以下分步骤:
[0018]e制作煤体试件,采集煤样,加工成高度为I,横截面积为A的长方体试件，置于真空干燥箱内，加热烘干，得煤体试件；
[0019]f安装，利用钻孔取芯采样法在工作面布置钻孔，将上述煤体试件装入真三轴渗透率测试试验台；
[0020]g启动，启动计算机控制装置，所述煤体试件三向应力初始值按照煤层准静水压力状态进行设定，即O1=O2=O3= Y h，施加瓦斯气体压力，进气端瓦斯压力P1S煤层瓦斯压力，出气端瓦斯压力P2为工作面附近气压；
[0021]h运行，运行轴压加载和围压卸载同步伺服控制程序，在时间t内完成采动应力作用过程的模拟，当气体排出速度稳定后，测定瓦斯渗流量Qtl,结合理论计算煤体试件渗透率K，即得工作面前方深度为L处煤体单元的渗透率。
[0022]作为本发明的一个优选方案，上述步骤h中，按照如下公式(I)计算渗透率:
200^///
[。。23] k=W^Va ⑴
[0024]式中:K-渗透率，md ；
[0025]P0-大气压力，MPa ；
[0026]Q0——瓦斯渗流量，cm3/s ；
[0027]μ——气体黏性系数，取0.0158cPa ；
[0028]1-煤体试件高度，cm ；
[0029]P1——进气端瓦斯压力，MPa ；
[0030]P2——出气端瓦斯压力，MPa ；
[0031 ]A——试件横截面积，cm2。
[0032]本发明所带来的有益技术效果:
[0033]本发明公开了一种实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，该方法可准确、快速地测定掘进工作面和回采工作面前方煤体的渗透率；综合分析工作面前方不同深度阶段煤体的渗透率特征，可为掘进工作面瓦斯抽放钻孔布置深度、回采工作面瓦斯抽放钻孔布置间距提供可靠依据，有助于提升煤层瓦斯抽放效果、防治煤矿瓦斯灾害，从而促进煤矿生产工作的安全和稳定；相比传统的煤体渗透率测定技术，本技术省却了繁琐的现场工艺，更加方便、快捷，减少了测定工作花费的时间。
[0034]此外，基于现场实测可准确确定煤体试件应力路径，进而通过实验室真三轴渗透率测试，可得到更为系统和精确的煤体渗透率数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明:
[0036]图1为本发明采动应力监测系统示意图；
[0037]图2为本发明真三轴渗透率测试系统示意图；
[0038]图3为本发明煤体单元采动应力随时间的变化曲线图；
[0039]图中，1、系统主机,2、钻孔应力计,3、导向杆,4、调解器,5、稳压电源,6、压力监测分站，7、工作面煤壁，8、瓦斯储罐，9、进气端压力表，10、轴压加载装置，11、围压加载装置，
12、出气端压力表，13、流量计，14、气体管路，15、煤体试件，16、计算机控制装置。
【具体实施方式】
[0040]本发明提供了一种实验室快速测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚、明确，以下将以某矿1314工作面前方煤体渗透率测定的实例对本发明进一步详细说明。
[0041]首先对本发明所选用实验硬件:采动应力监测系统和真三轴渗透率测试系统，做如下说明:
[0042]结合图1所示，采动应力监测系统，包括系统主机1、钻孔应力计2、导向杆3、调节器4和稳压电源5，其中，系统主机I主要功能是收集监测数据，另一方面对数据进行分类、处理，并用人机对话界面显示数据报表；导向杆3用于将钻孔应力计2送入预设钻孔位置，钻孔应力计2通过线路与调节器4的输入端口连接，调节器4的输出端口与系统主机连接，稳压电源5与调节器4连接为其提供电；
[0043]结合图2所示，真三轴渗透率测试系统，包括瓦斯储罐8、进气端压力表9、轴压加载装置10、围压加载装置11、出气端压力表12、流量计13、气体管路14、煤体试件15和计算机控制装置16，气体管路14连接瓦斯储罐8、进气端压力表9，贯穿试验台内部，并在出气端连接流量计13、出气端压力表12，由计算机控制装置实现对整个系统的控制，包括控制轴压加载装置10、围压加载装置11，并调节进气端和出气端的瓦斯压力，压力值由进气端压力表9和出气端压力表12显不。
[0044]本发明，一种测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，包括以下步骤:
[0045]步骤I，测定煤体采动应力
[0046]首先，利用计算机将采动影响平面区域划分为网格，并以各网格节点作为测点位置，按照这种方案，沿工作面走向布置若干个钻孔，相邻钻孔沿工作面走向间距为10m，计划测定工作面前方20m处煤体渗透率，根据现场实测得知，工作面前方50m以内的煤体受到采动影响，则钻孔深度依次为20m，22m, 24m, 26m, -,50m ；[0047]其次，在各测点处依次布置直径为80mm的钻孔，用导向杆3将钻孔应力计2缓慢送入钻孔指定位置，然后注入油压，使应力感应探头与煤岩体主动耦合，井下部分利用矿用通讯电缆连接稳压电源5、调制调解器4，搭建压力监测分站6，地面部分连接系统主机1、避雷器，完成煤矿采动应力监测系统的组建工作；
[0048]最后，启动稳压电源5开关，钻孔应力计2把煤体应力转化为液压油的油压，油压再转化为电信号，最后换算为压力传输至地面系统主机I ;系统主机I对整个煤矿采动应力监测系统进行控制，一方面与井下压力监测分站6进行通讯，收集监测数据，另一方面对数据进行分类、处理，并用人机对话界面显示数据报表，以此获取在采动影响下，工作面前方不同深度处煤体单元的水平方向采动应力OpO2以及垂直方向采动应力σ 3 ;
[0049]步骤2，绘制煤体单元应力变化曲线
[0050]统计煤矿采动应力监测系统测定所得数据，描述工作面前方煤体内部三向应力在煤体深度方向X上的分布，记入表1~表3。
[0051 ] 表1水平应力σ I在煤体深度方向的分布表
[0052]
【权利要求】
1.一种测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、测定工作面前方煤体采动应力，其包括以下分步骤: a利用计算机将采动影响平面区域划分为网格，并以各网格节点作为测点，在测点处沿工作面走向布置若干个钻孔，各个相邻的钻孔沿工作面走向间距为q，钻孔深度依次为L、L+lp、L+2p、L+3p、…L+np,其中,L+np〈100m ； b准备实验硬件，所述实验硬件包括采动应力监测系统，所述采动应力监测系统包括系统主机、钻孔应力计、导向杆、调节器和稳压电源； c安装实验硬件，接步骤a，用导向杆将钻孔应力计缓慢送入钻孔指定位置，然后注入油压，使应力感应探头与煤岩体主动耦合；井下部分利用矿用通讯电缆连接稳压电源、调制调解器，搭建压力监测分站；地面部分连接系统主机； d启动稳压电源，所述钻 孔应力计将煤体应力转化为液压油的油压，油压再转化为电信号，最后转为压力传输至系统主机，所述系统主机用于收集监测数据并对其进行分类、处理； 步骤2、绘制煤体单元应力变化曲线， 对上述步骤d中监测到的数据进行统计，制作表格，描述工作面前方煤体采动应力σ 1、σ 2、σ 3在煤体深度方向X上的分布，结合理论继而得出工作面前方煤体内部单元所承载的三个方向上采动应力％、σ2、σ3在工作面推进过程中不同时刻的应力值，以表格进行记录，根据表格数据，以时间t为横轴，以采动应力值为纵轴，借助MATLAB软件进行曲线拟合，绘制工作面前方煤体单元采动应力随时间t的变化曲线； 步骤3、编制轴压加载、围压卸载同步伺服控制程序， 以步骤2中所绘制的煤体单元应力变化曲线为依据，利用Visual C++编程语言编写轴压加载和围压卸载同步伺服控制程序，导入真三轴渗透率测试系统计算机控制装置； 步骤4、真三轴渗透率测试系统测定煤体渗透率，其包括以下分步骤:e制作煤体试件，采集煤样，加工成高度为1，横截面积为A的长方体试件，置于真空干燥箱内，加热烘干，得煤体试件； f安装，利用钻孔取芯采样法在工作面布置钻孔，将上述煤体试件装入真三轴渗透率测试试验台； g启动，启动计算机控制装置，所述煤体试件三向应力初始值按照煤层准静水压力状态进行设定，即O1=O2=O3= Y h，施加瓦斯气体压力，进气端瓦斯压力P1为煤层瓦斯压力，出气端瓦斯压力P2为工作面附近气压； h运行，运行轴压加载和围压卸载同步伺服控制程序，在时间t内完成采动应力作用过程的模拟，当气体排出速度稳定后，测定瓦斯渗流量Qtl,结合理论计算煤体试件渗透率K，即得工作面前方深度为L处煤体单元的渗透率。
2.根据权利要求1所述的测定煤矿井下工作面前方煤体渗透率的方法，其特征在于:所述步骤h中，按照如下公式(I)计算渗透率: κ_ 20,^/// ?W(O 式中:Κ——渗透率，md ；P0——大气压力，MPa ；Q0-瓦斯渗流量，cm3/s ；μ——气体黏性系数，取0.0158cPa ；I——煤体试件高度，cm ；P1——进气端瓦斯压力，MPa ；P2——出气端瓦斯压力，MPa ；A—试件横截面 积，cm2。
【文档编号】G01N15/08GK103940723SQ201410184997
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】王刚, 程卫民, 黄启铭, 孙路路, 张孝强 申请人:山东科技大学