一种基于提高钻孔瓦斯抽采浓度的钻孔设计方法

本发明涉及采煤，具体涉及一种基于提高钻孔瓦斯抽采浓度的钻孔设计方法。

背景技术：

1、目前，针对采区工作面瓦斯积聚问题，多采用采空区埋管、高位钻孔、高抽巷、地面钻孔等采空区瓦斯抽采技术，其中，高抽巷掘进工程量大，施工周期长，费用高；埋管方法容易被垮落的上覆岩体压破，抽采效果不佳；地面钻孔施工难度大，成本高，受地形地貌条件影响大；高位钻孔技术的工艺简单、抽采范围广，且不受瓦斯压力及煤层透气性大小的影响，已经成为目前最有效、最常用的采空区瓦斯治理技术，但是，高位钻孔技术仍然存在以下缺陷：

2、1、常用的钻孔设计方法主要根据惯用的设计参数或者根据经验进行施工，然而这些设计参数并不一定是当前抽采条件下的最优设计参数，甚至，有时候这些设计参数不符合煤矿井下复杂变化的赋存条件，导致产生空白带、不符合规程等不良后果，存在一定的盲目性；

3、2、由于采区工作面的裂隙带定位困难，导致抽采钻孔布置不合理，难以保证钻孔轨迹落入瓦斯富集的区域，有效抽采瓦斯的时间过短，瓦斯抽采浓度过低，导致所抽采瓦斯难以实现资源化利用；因此，应该提供一种应用于高位钻孔抽采技术的基于提高钻孔瓦斯抽采浓度的钻孔设计方法。

技术实现思路

1、为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于提高钻孔瓦斯抽采浓度的钻孔设计方法，能够保证所有钻孔有效的覆盖在瓦斯抽采高浓度区域内，通过对在采区工作面推进过程中每个钻孔的失效距离和每个钻孔的有效长度进行计算，能够实现在采区工作面推进过程中及时关闭已经失效的钻孔的目的，避免出现利用钻孔进行无效抽采的现象，能够提高瓦斯抽采的浓度及效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于提高钻孔瓦斯抽采浓度的钻孔设计方法，包括以下步骤；

4、步骤一、根据采区工作面的现场条件，采用瓦斯储量法和数值模拟法相结合的方法,在回风巷内确定钻场和钻孔区域的位置，并确定钻孔数量和钻孔半径：

5、冒落带(2)和裂隙带(1)的所有区域均为瓦斯抽采有效浓度区域，其中，裂隙带(1)的所有区域为瓦斯抽采高浓度区域；多个所述钻孔均以钻场为起始中心点，多个所述钻孔的终止中心点呈矩阵布设在瓦斯抽采高浓度区域的同一个高度平面内，所述钻孔区域为多个所述钻孔的起始中心点和终止中心点共同形成的倒四棱锥结构；

6、基于所述钻孔的最小影响半径，确定在所述钻孔区域内布设的钻孔数量和钻孔半径；

7、步骤二、计算第一排的第一个钻孔d(1,1)的终止中心点的坐标和第一排的第一个钻孔d(1,1)的施工参数，具体计算过程为：

8、步骤201、建立瓦斯抽采钻孔直角坐标系o-xyz，其中，以钻场为原点o，以采区工作面的倾向方向为x轴，以采区工作面的推进方向为y轴，以采区工作面的高度方向为z轴；

9、步骤202、根据公式计算第一排的第一个钻孔d(1,1)的钻孔长度l(1，1)，其中，x(1,1)为采区工作面的最大倾向距离a1，y(1,1)为采区工作面推进方向最大推进距离b1，z(1,1)＝10m,其中，m为采高；

10、根据公式计算第一排的第一个钻孔d(1,1)的坡度β(1,1)；

11、根据公式计算第一排的第一个钻孔d(1,1)的巷道夹角γ(1，1)；

12、步骤三、根据钻场的位置和第一排的第一个钻孔d(1,1)的终止中心点的坐标和施工参数，计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的施工参数，并确定第一排的第i个钻孔d(i,1)的终止中心点的坐标：

13、步骤301、根据公式计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的巷道夹角γ(i,1),

14、其中，i≥2；r为钻孔的最小影响半径；

15、x(i-1,1)为第一排的第i-1个钻孔d(i-1,1)的x轴坐标，

16、y(i-1,1)为第一排的第i-1个钻孔d(i-1,1)的y轴坐标，且y(i-1,1)＝y(1,1)；

17、步骤302、设定第一排的第i个钻孔d(i,1)的终止中心点的坐标为[x(i,1),y(i,1),z(i,1)]，

18、其中，y(i,1)＝y(1,1),y(i,1)和y(1,1)均为采区工作面推进方向最大推进距离b1；

19、根据公式可计算出x(i,1)；

20、根据公式z(i,1)＝z(1,1)+(y(1,1)-x(1,1)tanγ(i,1))tanα，可计算出z(i,1)；其中，α为煤层倾角；

21、步骤303、计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的坡度β(i,1)：

22、根据公式可计算出第一排的第i个钻孔d(i,1)的坡度β(i,1)；

23、步骤四、计算第n排的第一个钻孔d(1,n)的施工参数，并确定第n排的第一个钻孔d(1,n)的终止中心点的坐标；

24、步骤五、根据第n排的第一个钻孔d(1,n)的终止中心点的坐标和施工参数，计算第n排的第j个钻孔d(j,n)的施工参数，并确定第n排的第j个钻孔d(j,n)的终止中心点的坐标；

25、步骤六、计算每个钻孔的失效距离和每个钻孔的有效长度：得到钻孔。

26、步骤601、以计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的失效距离为例：

27、根据公式计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的失效距离f(i,1)；且第一排的所有的钻孔的失效距离f(i,1)均相等，当采区工作面的推进距离yt等于第一排的所有的钻孔的失效距离f(i,1)时，第一排的所有的钻孔失效；

28、步骤602、以计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的有效长度为例：

29、根据公式计算第一排的第i个钻孔d(i,1)的有效长度l(i,1),其中，yt为采区工作面的推进距离。

30、所述裂隙带(1)高度为8m～10m，所述冒落带(2)高度为3m～6m，其中，m为采高。

31、步骤四中，计算第n排的第一个钻孔d(1,n)的施工参数，并确定第n排的第一个钻孔d(1,n)的终止中心点的坐标的具体过程包括：

32、步骤401、根据公式计算第n排的第一个钻孔d(1,n)的巷道夹角γ(1,n)；

33、其中，n≥2；

34、x(1,n-1)为第n-1排的第一个钻孔d(1,n-1)的x轴坐标，且x(1,n-1)＝x(1,1)；

35、y(1,n-1)为第n-1排的第一个钻孔d(1,n-1)的y轴坐标，γ(1,n-1)为第n-1排的第一个钻孔d(1,n-1)的巷道夹角，根据公式y(1,n-1)＝x(1,n-1)tanγ(1,n-1)，可计算出y(1,n-1)；

36、步骤402、设定第n排的第一个钻孔d(1,n)的终止中心点的坐标为：[x(1,n),y(1,n),z(1,n)]，

37、其中，x(1,n)为第n排的第一个钻孔d(1,n)的x轴坐标，且x(1,n)＝x(1,1)；

38、y(1,n)为第n排的第一个钻孔d(1,n)的y轴坐标，根据公式y(1,n)＝x(1,n)tanγ(1,n)，可计算出y(1,n)；

39、z(i,n)＝z(1,1)＝10m；

40、步骤403、根据公式计算第n排的第一个钻孔d(1,n)的坡度β(1,n)；

41、步骤404、根据公式计算第n排的第一个钻孔d(1,n)的钻孔长度l(1，n)。

42、步骤五中，计算第n排的第j个钻孔d(j,n)的施工参数，并确定第n排的第j个钻孔d(j,n)的终止中心点的坐标的具体过程包括：

43、步骤501、根据公式计算第n排的第j个钻孔d(j,n)的巷道夹角γ(j,n),其中，j≥2；

44、y(j-1,n)为第n排的第j-1个钻孔d(j-1,n)的y轴坐标，且y(j-1,n)＝y(1,n)；

45、x(j-1,n)为第n排的第j-1个钻孔d(j-1,n)的x轴坐标，γ(j-1,n)为第n排的第j-1个钻孔d(j-1,n)的巷道夹角，根据公式可计算出x(j-1,n)；

46、步骤502、设定第n排的第j个钻孔d(j,n)的终止中心点的坐标为[x(j,n),y(j,n),z(j,n)]，其中，y(j,n)＝y(j-1,n)＝y(1,n)；

47、根据公式可计算出x(j,n)；

48、根据公式z(j,n)＝z(1,n)+(y(1,n)-x(1,n)tanγ(j,n))tanα，可计算出z(j,n)；其中，α为煤层倾角；

49、步骤503、根据公式计算第n排的第j个钻孔d(j,n)的坡度β(j,n)；

50、步骤504、根据公式计算第n排的第j个钻孔d(j,n)的钻孔长度l(j，n)。

51、本发明的有益效果。

52、1、本发明根据采区工作面的顶板岩层移动“三带”理论和采区工作面内瓦斯运移规律，在采区工作面内划分瓦斯抽采高浓度区域和瓦斯抽采有效浓度区域。

53、2、本发明根据采区工作面的现场条件确定钻场的位置和第一排的第一个钻孔d(1,1)的终止中心点的坐标，并计算第一排的第一个钻孔d(1,1)的施工参数；再基于钻孔有效影响半径，建立一套瓦斯抽采钻孔设计参数的计算公式，根据钻场的位置和第一排的第一个钻孔d(1,1)的终止中心点的坐标和施工参数，依次计算出第一排的第i个钻孔d(i,1)的施工参数与终止中心点的坐标、第n排的第一个钻孔d(1,n)的施工参数与终止中心点的坐标、第n排的第j个钻孔d(j,n)的施工参数与终止中心点的坐标，能够保证所有钻孔有效的覆盖在瓦斯抽采高浓度区域内。

54、3、本发明通过对在采区工作面推进过程中每个钻孔的失效距离和每个钻孔的有效长度进行计算，利用计算得到的每个钻孔的失效距离和每个钻孔的有效长度，能够实现在采区工作面推进过程中及时关闭已经失效的钻孔的目的，避免出现利用钻孔进行无效抽采的现象，能够提高瓦斯抽采的浓度及效率。

55、综上所述，本发明的钻孔设计方法合理，计算精确，能够保证所有钻孔有效的覆盖在瓦斯抽采高浓度区域内，通过对在采区工作面推进过程中每个钻孔的失效距离和每个钻孔的有效长度进行计算，能够实现在采区工作面推进过程中及时关闭已经失效的钻孔的目的，避免出现利用钻孔进行无效抽采的现象，能够提高瓦斯抽采的浓度及效率。