一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法技术

发明专利技术提供一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，包括进行现场测试；根据现场测试结果，确定裂隙带范围；量化表征采动裂隙；构建采动裂隙分形插值综合评价模型，确定最优裂隙块体空间坐标；基于裂隙场量化及采动裂隙分形插值综合评价结果对定向长钻孔终孔进行精准定位等步骤。本发明专利技术基于采动裂隙场量化，通过构建采动裂隙分形插值综合评价模型，实现了采动裂隙量化表征优选，进而对裂隙带瓦斯抽采钻孔终孔位置进行精准定位，最终结合柔性主动护孔方式施工定向长钻孔，实现并保障了裂隙带卸压瓦斯抽采的持续高效。裂隙带卸压瓦斯抽采的持续高效。裂隙带卸压瓦斯抽采的持续高效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法


[0001]本专利技术涉及矿山工程领域，特别涉及一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法。

技术介绍

[0002]我国是煤炭资源大国，同时也是煤炭生产及消费大国，煤炭在未来仍会是我国能源的“压仓石”，煤矿安全生产受到瓦斯等诸多灾害的制约。裂隙带长钻孔瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯超限的主要技术手段之一。在煤层开采过程中，覆岩垮落、移动并产生大量裂隙，导致卸压瓦斯从吸附态变为游离态不断解吸。故研究采动裂隙分布与精细量化，对于实现裂隙带瓦斯抽采位置精准定位具有重要意义。然而通过传统的经验公式计算定位是不足以实现裂隙带瓦斯精准抽采的，同时还需保障钻孔钻进过程中不发生偏斜。目前，亟需考虑裂隙场精细量化与柔性护孔两方面，进而实现裂隙带卸压瓦斯精准高效持续抽采。
[0003]因此，亟需开发一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0005]一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]1)进行现场测试；
[0007]2)根据现场测试结果，确定裂隙带范围；
[0008]3)量化表征采动裂隙；
[0009]3.1)基于砌体梁理论构建采动裂隙块体破断模型，对采场覆岩裂隙关键参数进行计算；
[0010]3.2)结合相似模拟试验，对开采后的覆岩垮落、裂隙发育图像进行二值化处理，然后进行网格化处理，最后统计开度、角度、面积、频数等采动裂隙参数；
[0011]4)构建采动裂隙分形插值综合评价模型，基于评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标；
[0012]4.1)采用关联维数计算裂隙参数指标分形维数，构建采动裂隙分形插值综合评价模型；
[0013]4.2)基于采动裂隙分形插值综合评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标；
[0014]5)基于裂隙场量化及采动裂隙分形插值综合评价结果对定向长钻孔终孔进行精准定位。
[0015]进一步，一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，在步骤1～2)中，现场测试包括：
[0016]采用微震监测系统观测裂隙带高度；
[0017]a)在底抽巷顶板处布置若干锚杆，安装的直径为20mm，锚杆上部端头进入顶板岩
层内5m，锚杆垂直于顶板布置，相邻两根锚杆间距48m；
[0018]b)现场布置监测用微震监测系统。值得说明的是，该系统主要包含4部分，传感器(收集数据)、监测分站(数据采集服务器)、线缆传输系统(将测得的数据实时传输至工业环网)、工控服务器(数据存储终端，负责接收经过工业环网传输的数据)；传感器布置在底抽巷顶板上，各传感器之间通过信号线连接至井下分站的信号采集控制端口，信号从主站经过工业环网传递至布置在井上主机服务器终端，并通过电缆实现与井下工作站的连接以及数据的传输，传感器间距48m，整体的监测周期为15天至30天左右；
[0019]c)在设备运输安装完成后，监测并收集数据，可以采用触发模式，即启动传感器及采集设备，监测数据由底抽巷布置的微震传感器通过电缆线传送至井下工作站，然后经光纤传送至数据存储和处理终端；
[0020]d)数据采集后，识别破裂信号并进行波形识别和计算，并通过绘制微震事件的空间和能量分布图，分析微震事件沿工作面走向以及倾向的密度分布情况，构建上覆岩层微震事件分布模型，最终根据密集事件所在高度位置得出裂隙带范围分布情况。
[0021]进一步，数据采集后，首先进行滤波处理，后利用快速傅里叶变换将破裂波形由时域图转化为频域图，快速识别破裂信号；随后进行波形识别，识别到岩体破裂信号之后，需要人工拾取P波和S波的到达，以实现岩体破裂信号的定位以及震源参数的定量计算，通过波形特征识别有效的岩体破裂事件，滤除生产爆破及机械震动等事件的干扰；最后进行微震事件定量计算；根据前期数据处理结果，获得P波和S波持续时间和持续时间段的震动波速幅值，提取反演公式中各种需要的参数进行反演运算，最终确定震源位置和震源能量；从而绘制微震事件的空间和能量分布图，分析微震事件沿工作面走向以及倾向的密度分布情况，构建上覆岩层微震事件分布模型，最终根据密集事件所在高度位置得出裂隙带范围分布情况。
[0022]进一步，在步骤3.1)中，所述基于砌体梁理论构建采动裂隙块体破断模型，对采场覆岩裂隙关键参数进行计算，包括：
[0023]基于砌体梁理论的采动裂隙块体破断模型，通过循环迭代计算，可得离层裂隙面积计算公式如下：
[0024][0025]式中：S
n,i,i
‑1为迭代三角形的面积；p
n,i,i
‑1为迭代三角形中三边长度的一半；b
n,i,i
‑1为迭代三角形中AC边长；a
n,i,i
‑1为迭代三角形中BC边长；l为块体长度；
[0026]破断裂隙面积计算公式：
[0027][0028]式中：S
′
n,i,i
‑1为迭代三角形的面积；θ
1,1
为设定采动裂隙区第一层岩层采空区边缘第一块体与水平方向的夹角；f为块体宽度；
[0029]值得说明的是，通过上述两个公式，可以计算得出两种裂隙面积分布规律，并采用Matlab编程实现裂隙面积分布的可视化；其步骤主要包括：输入块体模型长、宽，对裂隙面积进行计算，随后，采用各处裂隙面积除以最大裂隙面积的方法进行归一化处理，得出无量纲化的裂隙面积分布；覆岩离层和破断裂隙均适合该方法。
[0030]进一步，在步骤4.1)中，所述采用关联维数计算裂隙参数指标分形维数，构建采动裂隙分形插值综合评价模型，包括：
[0031]a)对采动裂隙评价指标数据进行预处理，以消除指标量纲和统一指标的变化方向；
[0032]将采动裂隙参数中的裂隙开度、角度、面积和频数作为采动裂隙评价指标，将指标归一化处理；
[0033]b)建立多维相空间；
[0034]c)计算每维相空间两点间的距离和平均距离；
[0035]d)计算每维相空间两点间距离小于或等于距离上限的概率；
[0036]e)若存在分形，则计算出结果；
[0037]f)根据计算的各指标分形维数结果，构建采动裂隙分形插值综合评价模型。
[0038]进一步，在步骤4.2)中，所述基于采动裂隙分形插值综合评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标，包括：
[0039]将采动裂隙看作一个分形集合，其内部参数由各评价指标组成；对于关联程度越高的指标，表示其对采动裂隙综合评价的影响越大，即分形维数越大，代表采动裂隙评价指标越重要；然后基于采动裂隙分形插值综合评价模型，进行综合评价，依据评价结果，获得了多个裂隙参数坐标，进而确定了多个裂隙块体空间坐标。
[0040]进一步，在步骤5)中，所述基于裂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，包括以下步骤：1)进行所述的现场测试；2)根据现场测试结果，确定裂隙带范围；3)量化表征采动裂隙；3.1)基于砌体梁理论构建采动裂隙块体破断模型，对采场覆岩裂隙关键参数进行计算；3.2)结合相似模拟试验，对开采后的覆岩垮落、裂隙发育图像进行二值化处理，然后进行网格化处理，最后统计开度、角度、面积、频数等采动裂隙参数；4)构建采动裂隙分形插值综合评价模型，基于评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标；4.1)采用关联维数计算裂隙参数指标分形维数，构建采动裂隙分形插值综合评价模型；4.2)基于采动裂隙分形插值综合评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标；5)基于裂隙场量化及采动裂隙分形插值综合评价结果对定向长钻孔终孔进行精准定位。2.如权利要求1所述的一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，在步骤1～2)中，现场测试包括：采用微震监测系统观测裂隙带高度；a)在底抽巷顶板处布置若干锚杆，安装的直径为20mm，锚杆上部端头进入顶板岩层内5m，锚杆垂直于顶板布置，相邻两根锚杆间距48m；b)现场布置监测用微震监测系统；c)采用触发模式，启动传感器及采集设备，监测数据由底抽巷布置的微震传感器通过电缆线传送至井下工作站，然后经光纤传送至数据存储和处理终端；d)数据采集后，识别破裂信号并进行波形识别和计算，并通过绘制微震事件的空间和能量分布图，分析微震事件沿工作面走向以及倾向的密度分布情况，构建上覆岩层微震事件分布模型，最终根据密集事件所在高度位置得出裂隙带范围分布情况。3.如权利要求1所述的一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，在步骤3.1)中，所述基于砌体梁理论构建采动裂隙块体破断模型，对采场覆岩裂隙关键参数进行计算，包括：基于砌体梁理论的采动裂隙块体破断模型，通过循环迭代计算，可得离层裂隙面积计算公式如下：式中：S
n,i,i
‑1为迭代三角形的面积；p
n,i,i
‑1为迭代三角形中三边长度的一半；b
n,i,i
‑1为迭代三角形中AC边长；a
n,i,i
‑1为迭代三角形中BC边长；l为块体长度；破断裂隙面积计算公式：式中：S
′
n,i,i
‑1为迭代三角形的面积；θ
1,1
为设定采动裂隙区第一层岩层采空区边缘第一块体与水平方向的夹角；f为块体宽度。
4.如权利要求1所述的一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，在步骤4.1)中，所述采用关联维数计算裂隙参数指标分形维数，构建采动裂隙分形插值综合评价模型，包括：a)对采动裂隙评价指标数据进行预处理，以消除指标量纲和统一指标的变化方向；将采动裂隙参数中的裂隙开度、角度、面积和频数作为采动裂隙评价指标，将指标归一化处理；b)建立多维相空间；c)计算每维相空间两点间的距离和平均距离；d)计算每维相空间两点间距离小于或等于距离上限的概率；e)若存在分形，则计算出结果；f)根据计算的各指标分形维数结果，构建采动裂隙分形插值综合评价模型。5.如权利要求1所述的一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采方法，其特征在于，在步骤4.2)中，所述基于采动裂隙分形插值综合评价结果，确定最优裂隙块体空间坐标，包括：将采动裂隙看作一个分形集合，其内部参数由各评价指标组成；对于关联程度越高的指标，表示其对采动裂隙综合评价的影响越大，即分形维数越大，代表采动裂隙评价指标越重要；然后基于采动裂隙分形插值综合评价模型，进行综合评价，依据评价结果，获得了多个裂隙参数坐标，进而确定了多个裂隙块体空间坐标。6.如权利要求1或5所述的一种基于采动裂隙场量化优选的瓦斯精准抽采...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹全乐，冉启灿，张碧川，刘涵，马腾飞，孔繁杰，陈子涵，周小莉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：