基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台及其服务方法与流程

本发明涉及一种煤矿瓦斯抽采设计方法，具体是一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台及其服务方法，属于煤矿安全瓦斯抽采技术领域。

背景技术：

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害的治本性措施，也是瓦斯资源化利用的最根本途径。国家安全生产监督管理总局令【2015】82号文件发布了“先抽后掘、先抽后采、抽采达标”等强化煤矿瓦斯治理的10条规定；国家能源局【2016】34号文件《煤层气勘探开发行动计划》制定：2020年完成抽采量200亿m³且利用率60％以上的煤矿井下瓦斯抽采目标。煤层钻孔瓦斯抽采作为高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层区域性瓦斯灾害治理和资源化利用的最主要技术措施，在井下得到广泛的应用。如何科学预测不同钻孔抽采工程参数(钻孔间距、长度、直径、封孔深度和负压)下瓦斯抽采的效果？进而定量设计满足煤层或区块预抽目标的最佳钻孔抽采瓦斯工程参数，是近年来国内外学者十分关注和迫切期望解决的瓦斯抽采工程科学问题。

为破解以上瓦斯抽采工程科学难题，建立多场耦合作用下煤层钻孔瓦斯抽采效果的预测模型是关键。煤层钻孔瓦斯抽采是一个涉及气体流动、固体变形和温度传输等多物理场耦合的复杂过程，任何一个物理过程环节的改变或缺失都会影响另一个物理过程的开启与进展。大量理论和实验证实煤体应力的改变对煤体渗透性演化和瓦斯流动起着至关重要的作用，许多学者建立了较典型的数学模型来揭示煤层瓦斯流动的气-固耦合作用机制，如palmer-mansoori模型、shi-durucan模型和zhang-liu模型等。卢平、王宏图、王兆丰、司鹄、梁冰等基于煤体变形与瓦斯渗流相互作用规律，建立了煤层钻孔瓦斯抽采的气-固耦合数学模型，数值研究了煤层瓦斯压力和有效抽采半径的演化规律；郝富昌等综合考虑煤的流变特性、渗透率动态变化和瓦斯吸附特征，建立了煤层钻孔瓦斯抽采的渗流-应力耦合模型，研究了瓦斯抽采过程中煤体渗透率和抽采半径的动态演化规律；武福生建立了煤层瓦斯场理论，通过瓦斯势、瓦斯流函数方程，研究了多场耦合下煤层瓦斯解吸-运移规律，为瓦斯抽采工程参数优化和设计提供了理论指导，针对煤层瓦斯钻孔抽采过程中客观存在漏气特性，建立了煤层钻孔瓦斯抽采效果评价的流-固耦合双重孔隙介质模型，首次从理论上定量预测了煤层钻孔瓦斯抽采的浓度和流量衰变过程。进一步考虑煤体的氧化升温效应，建立了煤体变形、基质瓦斯解吸-扩散、裂隙空气-瓦斯混流和煤氧化热能量传输等多场耦合模型，采用该模型可以计算煤体钻孔瓦斯抽采的浓度、流量和温度等参数。

综上，国内外学者在煤层瓦斯抽采的多场耦合理论研究与数值模拟计算方面取得很大进步，但现有的研究主要停留在理论和实验层次上，在工程实践中尚没有得到广泛的推广应用，现实的瓦斯抽采工程设计还往往依靠经验，缺乏定量化的煤矿瓦斯抽采参数设计平台和设计规范。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台及其服务方法，取缔了依靠经验获得瓦斯抽采数据，能够实现设计对象与服务中心之间的线上和线下交互、煤层瓦斯抽采参数的在线定量设计，且平台操作简单、方便，在将瓦斯抽采设计规范化的同时提高煤层钻孔瓦斯抽采的效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台，包括用户功能模块、瓦斯抽采设计网站、后台管理及设计人员模块和数据存储中心，煤矿瓦斯抽采设计用户通过用户功能模块将煤矿瓦斯抽采的基础参数信息传到瓦斯抽采设计网站，数据存储中心对瓦斯抽采设计网站上获得的煤矿瓦斯抽采的基础参数信息进行自动存储，后台管理及设计人员模块对数据存储中心的煤矿瓦斯抽采工程参数进行定量化设计；

用户功能模块包括新建项目、数据导入、项目提交和项目结项，新建项目是指项目录入时的煤矿瓦斯抽采设计用户的基本注册信息；通过基本注册信息登录后进入数据导入模块，在数据导入中将矿井与目标煤层概况、目标煤层基本参数、工作面通风参数、矿井或煤层瓦斯抽采历史、预抽煤层瓦斯抽采情况的相关信息输入；数据导入完成后，由项目提交将煤矿瓦斯抽采设计用户提交相关的煤矿瓦斯抽采的基础参数信息；项目结项是指煤矿瓦斯抽采设计用户获得的抽采效果预测方法和抽采设计图；

后台管理及设计人员模块包括数据审核、项目分发、方案设计和方案审核，数据审核是指后台管理人员对煤矿瓦斯抽采设计用户提供的数据进行审核；数据审核后进入项目分发模块，项目分发是指后台管理人员将完整的数据分发给相关的后台设计人员；数据分发完成后，相关的方案设计人员会收到项目分发分配过来的数据，并根据上述数据通过计算软件定量计算不同瓦斯抽采参数下的瓦斯抽采效果；最后将设计好的方案传至方案审核人员，方案审核是指后台管理人员对项目的设计方案进行审核与论证考察，将方案审核后的抽采效果预测方法或者抽采设计图传给用户功能模块的项目结项，从而完成整个项目的线上与线下交互。

本发明改变了传统的瓦斯抽采设计主要依靠经验的模式，采用的计算软件为comsolmultiphysics多场耦合计算软件，可以实现瓦斯抽采工程参数的定量计算。

矿井与目标煤层概况包括临近煤层开采状况并附柱状图、矿井通风图、矿井开拓开采图；目标煤层基本参数是指：煤层厚度、长度、硬度，煤层瓦斯含量，煤层瓦斯压力，煤体压力吸附常数，煤体体积吸附常数，煤层渗透率；工作面通风参数是指：巷道长、宽、高，风量或风速参数，矿井或煤层瓦斯抽采历史是指：目标煤层/临近瓦斯抽采参数，钻孔直径、钻孔深度、封孔深度、封孔材料、抽采负压、钻孔衰减系数；预抽煤层瓦斯抽采情况是指：瓦斯预抽周期、煤层开采速度。

为了扩大服务的范围，本发明的煤矿瓦斯抽采设计用户不止仅限于公司，也可以是一个团队或者个人。

瓦斯抽采设计网站是基于web浏览器界面进行开发的，为了方便煤矿瓦斯抽采设计用户与后台管理及设计人员进行在线沟通与数据传输，在瓦斯抽采设计网站上包括集成在线客服，所述的集成在线客服为qq、微信。

一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台的服务方法，包括以下步骤：

步骤一：新建项目

煤矿瓦斯抽采设计用户注册、登录进入瓦斯抽采设计网络化服务平台界面；

步骤二：数据导入

根据步骤一中的平台界面，由煤矿瓦斯抽采设计用户依次向菜单栏矿井与目标煤层概况、目标煤层基本参数、工作面通风参数、矿井或煤层瓦斯抽采历史、预抽煤层瓦斯抽采情况中输入相关的数据信息；

步骤三：项目提交

当煤矿瓦斯抽采设计用户提交完相关的煤矿数据后，点击提交按键就会进入项目提交状态，提交的项目将直接进入后台数据存储中心进行操作；

步骤四：项目审核

由设计中心的技术人员通过后台对煤矿瓦斯抽采设计用户提供的数据进行审阅，对数据的完整性和真实性进行分析，通过项目退回或集成通信的交互沟通方式，实现数据的进一步完善；

步骤五：项目分发

由设计中心的管理人员将完整的数据分发给相关的方案设计技术人员，完成设计报告；

步骤六：方案设计

根据项目提供的基础资料，方案设计技术人员通过集成通信技术手段和设计对象联络人进行线上、线下互动，获得最完备的项目基础资料；通过comsolmultiphysics多场耦合计算软件定量计算对不同瓦斯抽采参数下的瓦斯抽采的效果，确定合理的瓦斯抽采工程参数；

步骤七：方案审核

项目管理人员对项目的设计方案进行预审核，预审核通过后，邀请相关专家进行项目设计方案论证考察；

步骤八：项目结项

通过后最终提交设计报告，提交目标煤层瓦斯抽采工程参数设计原理，抽采效果预测方法和抽采设计图；

步骤九：方案的跟踪校验与修订

煤矿瓦斯抽采现场实测数据的联网信息存储，为瓦斯抽采方案的后续校验与优化提供了数据分析基础。

煤矿瓦斯抽采设计用户提交的煤矿数据直接联网到网络化平台接口。

本发明通过设置相关的用户功能模块和后台管理及设计人员模块，可以实现煤矿瓦斯抽采设计用户与后台管理及设计人员之间的线上和线下交流沟通，煤矿瓦斯抽采设计用户通过在线提交煤矿数据，由后台管理及设计人员在线审核数据、在线设计方案以及在线评审方案等环节，平台操作简单、方便，极大地提高了瓦斯抽采设计的规范化，以多耦合模型为计算依据，实现了瓦斯抽采工程参数的定量计算，提高了煤层钻孔瓦斯抽采的效率。

附图说明

图1是本发明的网络化平台的框架示意图；

图2是瓦斯抽采的物理计算模型；

图3是图2瓦斯抽采模型的初始与边界条件；

图4是煤层瓦斯含量演化30d的垂直切面图；

图5是煤层瓦斯含量演化150d的垂直切面图；

图6是煤层瓦斯含量演化400d的垂直切面图；

图7是煤层瓦斯含量演化600d的垂直切面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台，包括用户功能模块、瓦斯抽采设计网站、后台管理及设计人员模块和数据存储中心，煤矿瓦斯抽采设计用户通过用户功能模块将煤矿瓦斯抽的基础参数信息据传到瓦斯抽采设计网站，数据存储中心对瓦斯抽采设计网站上获得的煤矿瓦斯抽采的基础参数信息进行自动存储，后台管理及设计人员模块对数据存储中心的煤矿瓦斯抽采工程参数进行定量化设计；

用户功能模块包括新建项目、数据导入、项目提交和项目结项，新建项目是指项目录入时的煤矿瓦斯抽采设计用户的基本注册信息；数据导入是指将矿井与目标煤层概况、目标煤层基本参数、工作面通风参数、矿井或煤层瓦斯抽采历史、预抽煤层瓦斯抽采情况的输入；项目提交是指煤矿瓦斯抽采设计用户提交相关的煤矿瓦斯抽采的基础参数信息；项目结项是指煤矿瓦斯抽采设计用户获得的抽采效果预测方法和抽采设计图；

后台管理及设计人员模块包括数据审核、项目分发、方案设计和方案审核，项目审核是指后台管理人员对煤矿瓦斯抽采设计用户提供的数据进行审核；项目分发是指后台管理人员将完整的数据分发给相关的后台设计人员；方案设计是指后台设计人员通过comsolmultiphysics多场耦合计算软件定量计算不同瓦斯抽采参数下的瓦斯抽采效果，对比确定最优的瓦斯抽采工程参数，方案审核是指后台管理人员对项目的设计方案进行审核与论证考察。

矿井与目标煤层概况包括临近煤层开采状况并附柱状图、矿井通风图、矿井开拓开采图；目标煤层基本参数是指：煤层厚度、长度、硬度，煤层瓦斯含量，煤层瓦斯压力，煤体压力吸附常数，煤体体积吸附常数，煤层渗透率；工作面通风参数是指：巷道长、宽、高，风量或风速参数；矿井或煤层瓦斯抽采历史是指：目标煤层/临近瓦斯抽采参数，钻孔直径、钻孔深度、封孔深度、封孔材料、抽采负压、钻孔衰减系数；预抽煤层瓦斯抽采情况是指：瓦斯预抽周期、煤层开采速度。

煤矿瓦斯抽采设计用户为个人、公司或团队。

瓦斯抽采设计网站是基于web浏览器界面进行开发的，在瓦斯抽采设计网站上包括集成在线客服，所述的集成在线客服为qq、微信。

一种基于网络化模式的煤矿瓦斯抽采设计平台的服务方法，包括以下步骤：

步骤一：新建项目

煤矿瓦斯抽采设计用户注册、登录进入瓦斯抽采设计网络化服务平台界面；

步骤二：数据导入

根据步骤一中的平台界面，由煤矿瓦斯抽采设计用户依次向菜单栏矿井与目标煤层概况、目标煤层基本参数、工作面通风参数、矿井或煤层瓦斯抽采历史、预抽煤层瓦斯抽采情况中输入相关的数据信息；

步骤三：项目提交

当煤矿瓦斯抽采设计用户提交完相关的煤矿数据后，点击提交按键就会进入项目提交状态，提交的项目将直接进入后台数据存储中心进行操作；

步骤四：项目审核

由设计中心的技术人员通过后台对煤矿瓦斯抽采设计用户提供的数据进行审阅，对数据的完整性和真实性进行分析，通过项目退回或集成通信的交互沟通方式，实现数据的进一步完善；

步骤五：项目分发

由设计中心的管理人员将完整的数据分发给相关的方案设计技术人员，完成设计报告；

步骤六：方案设计

根据项目提供的基础资料，方案设计技术人员通过集成通信技术手段和设计对象联络人进行线上、线下互动，获得最完备的项目基础资料；基于煤体变形、基质瓦斯解吸-扩散、裂隙空气-瓦斯混流和煤氧化热能量传输等多场耦合的瓦斯抽采模型，通过comsolmultiphysics多场耦合计算软件定量计算对不同瓦斯抽采参数下煤体钻孔瓦斯抽采的浓度、流量和温度等参数，对比分析不同抽采工程参数下的瓦斯抽采的效果，确定合理的瓦斯抽采工程参数；设计的工程参数主要包括钻孔长度、钻孔孔径、封孔深度、钻孔间距等。

步骤七：方案审核

项目管理人员对项目的设计方案进行预审核，预审核通过后，邀请相关专家进行项目设计方案论证考察；

步骤八：项目结项

方案审核通过后最终提交设计报告，提交目标煤层瓦斯抽采工程参数设计原理，抽采效果预测方法和抽采设计图；

步骤九：方案的跟踪校验与修订

煤矿瓦斯抽采现场实测数据的联网信息存储，为瓦斯抽采方案的后续校验与优化提供了数据分析基础。

煤矿瓦斯抽采设计用户提交的煤矿数据直接联网到网络化平台接口，方便后台管理及设计人员能够及时实时的获得瓦斯抽采的动态数据，科学评估瓦斯抽采的方案，进而优化煤矿瓦斯抽采设计用户的目标煤层以及其它类似矿井目标煤层的瓦斯抽采设计工程参数。

实施例

步骤一：新建项目

煤矿瓦斯抽采设计用户注册、登录进入瓦斯抽采设计网络化服务平台界面；

步骤二：数据导入

根据步骤一中的平台界面，由煤矿瓦斯抽采设计用户依次向菜单栏矿井与目标煤层概况、目标煤层基本参数、工作面通风参数、矿井或煤层瓦斯抽采历史、预抽煤层瓦斯抽采情况中输入相关的数据信息；

步骤三：项目提交

当煤矿瓦斯抽采设计用户提交完相关的煤矿数据后，点击提交按键就会进入项目提交状态，提交的项目将直接进入后台数据存储中心进行操作；

步骤四：项目审核

由设计中心的技术人员通过后台对煤矿瓦斯抽采设计用户提供的数据进行审阅，对数据的完整性和真实性进行分析，通过项目退回或集成通信的交互沟通方式，实现数据的进一步完善；

步骤五：项目分发

由设计中心的管理人员将完整的数据分发给相关的方案设计技术人员，完成设计报告；

步骤六：方案设计

根据煤矿瓦斯抽采设计用户提供的基础资料，方案设计技术人员通过集成通信技术手段和煤矿瓦斯抽采设计用户进行线上、线下互动，获得最完备的项目基础资料。通过comsolmultiphysics多场耦合计算软件定量计算瓦斯抽采的多场耦合模型。进而对不同瓦斯抽采参数下的瓦斯抽采效果进行评价，确定合理的瓦斯抽采工程参数。

1、瓦斯抽采多场耦合模型

(1)瓦斯-空气混合气体流动控制方程

煤体的瓦斯含量主要包括游离项和吸附项，一般表示为：

式中：下标1表示瓦斯气体；

m为煤体的瓦斯含量(kg/m³)；

为煤体的孔隙率；

ρc为煤的密度(kg/m³)；

ρ1为瓦斯的密度(kg/m³)；

ρai为标况下i组分气体的密度(kg/m³)；

vl为瓦斯langmuir体积常数(m³/kg)；

vsg为修正的吸附气体含量系数。

修正的吸附气体含量系数vsg可以表示为：

式中：pl为瓦斯langmuir压力常数(mpa)。

根据理想气体状态方程，气体密度可以表示为：

式中：

ρ为真实瓦斯气体密度(kg/m3)；

p为气体压力(mpa)；

m为瓦斯气体摩尔质量(kg/mol)；

r为普适气体常数；t为煤体温度(k)。

气体在煤体中的流动满足达西方程：

式中：

κ为煤的渗透率(m²)；

μ为气体动力粘度系数(n·s/m²)；

ν为气体达西速度矢量(m/s)。

假设瓦斯与空气两种气体在煤体中的流动过程相互独立，但瓦斯气体的吸附解吸影响空气的渗流环境，则瓦斯与空气在煤体的中的运移方程分别满足质量守恒为：

式中：下标2表示空气组分；

qsi表示i组分气体的源汇项(kg·m^-3·s^-1)；

t表示时间(s)。

将方程(1)-(4)分别带入方程(5)-(6)可得：

式中:

(2)煤变形与渗透性演化控制方程

综合考虑煤基质膨胀/收缩效应和孔隙压力改变，煤体本构方程可以表示为：

式中：

g＝e/2(1+υ)，k＝e/3(1-2υ)，α＝1-k/ks，εs＝εlvsg。

g为煤的剪切模量(mpa)，

k、ks分别为煤和煤颗粒的体积模量(mpa)，

e、es分别为煤和煤颗粒的杨氏模量(mpa)，

v为煤的泊松比；

α为biot系数；

p1为煤体的气体压力(mpa)；

fi和ui(i＝x,y,z)分别为i方向的体力(n/m³)和位移(m)；

εs为气体吸附/解吸引起的体积应变；

εl为极限压力下煤的体积应变。

孔隙度和渗透率的演化方程为：

φ＝α-(α-φ0)exp(s0-s)(10)

式中：

s＝εv+p1/ks-εs；

s0＝εv0+p10/ks-εs0；

εv＝ε11+ε22+ε33；

α为多孔介质中的biot系数；

为孔隙；p10为孔隙压力为；k为煤体渗透率；

式中：下标“0”为相应变量的初始状态。

(3)瓦斯抽采流-固耦合控制方程

煤变形、瓦斯-空气传输控制方程分别为：

式中:

2、设计案例

(1)基础参数

基于设计的网络化服务平台，获取某矿某工作面的基础资料：

某工作面长230m，轨道巷长2148m(从距开切眼997m到1721m的范围内设置有保护煤柱)，工作面长度为1426m，煤层平均厚度6.0m，采高厚度3.0m。

工作面瓦斯压力测定值为0.11～0.28mpa，原始煤层瓦斯含量为5.06～7.93m³/t，煤层残存瓦斯含量为2.11～3.42m³/t，煤层透气率为3.5×10^-18～1×10^-16m²，煤层百米钻孔瓦斯流量为0.025～0.047m³/(min·hm)，钻孔瓦斯衰减系数为0.029～0.083d^-1。

瓦斯抽采的物理计算模型与初始边界条件分别如图2、3所示。瓦斯抽采的主要基础参数如表1所示。

表1钻孔瓦斯抽采计算的主要参数

(2)方案设计

根据抽采对象的开拓开采布局，设计6个抽采单元，设计钻孔长度为114m，钻孔直径113mm，开孔高度设计为1.9m。

图4-7所示为计算中心获得30d，150d，400d和600d后煤层内瓦斯含量分布的垂直切面图。由图4-7可知，随抽采时间延长，煤层内瓦斯含量逐渐降低，抽采400d后，煤层内大部分区域瓦斯含量降低至6m³/t以下，抽采设计与效果预测结果如表2所示。

表2工作面各抽采单元瓦斯抽采效果

第七步、方案审核

项目管理人员对项目的设计方案进行预审核，预审核通过后，进一步要成邀请相关专家进行项目设计方案论证考察。

第八步、项目结项

通过后最终提交设计报告，提交目标煤层瓦斯抽采工程参数设计原理，抽采效果预测方法和抽采设计图。

第九步、方案的跟踪服务

煤矿瓦斯抽采现场实测数据的联网信息存储，为瓦斯抽采方案的后续校验与优化提供了数据分析基础。