长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法技术

本发明专利技术公开了长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，包括以下步骤：S1、根据工作面开采方法及参数、覆岩岩性特征，在分析煤层开采瓦斯运移裂隙通道分布及钻孔受采动影响稳定性的基础上，对定向长钻孔布置抽采位置的范围进行确定；S2、在定向长钻孔布置抽采位置的范围内计算各个位置的定向长钻孔位置判据值；S3、根据各个位置的定向长钻孔位置判据值大小确定各个钻孔的具体布置位置以及布置次序。本发明专利技术从采动裂隙内瓦斯积聚程度、采动岩层渗透率和采动钻孔稳定性3个方面揭示了水平定向长钻孔布置抽采机理，提出了水平定向长钻孔的位置判据，给出了确定钻孔抽采位置的方法流程。位置的方法流程。位置的方法流程。

【技术实现步骤摘要】
长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法


[0001]本专利技术涉及瓦斯抽采领域，尤其涉及长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法。

技术介绍

[0002]瓦斯作为煤炭长壁开采过程中的伴生气体，其对矿井的安全生产构成了严重威胁。当前，随着煤炭长壁开采向深部转移，加之高产、高效生产模式的普及，使得煤炭长壁开采面临的瓦斯灾害问题更加严峻。煤与瓦斯共采技术为解决这一问题提供了方法途径，其中，在覆岩内布置水平定向长钻孔(以下简称“定向长钻孔”)抽采采空区卸压瓦斯具有施工成本低，效率高，抽采时间长、可有效缓解采掘接替紧张等优势，但限于定向长钻孔自身结构及布置等特点，其对在采动覆岩中的布置抽采条件要求有其特殊性，研究定向长钻孔位置特征及抽采机理对指导矿井定向长钻孔的布置抽采，发展现有煤与瓦斯共采理论具有重要实际意义。
[0003]广大学者对采动覆岩裂隙内卸压瓦斯运移规律进行了广泛研究。钱鸣高院士等提出了采动裂隙的“O”形圈分布特征，并指出“O”形圈是卸压瓦斯的流动通道和储存空间。在此基础上，袁亮院士等通过研究采动覆岩移动、裂隙发育、瓦斯富集区的动态变化规律，对煤层群开采中瓦斯的高效抽采范围进行了判定，并提出了煤层顶板环形断裂环理论和评价采动裂隙演化的双圆理论。许家林等在分析确定覆岩关键层位置的基础上，提出了预计导气裂隙带高度的新方法，并针对煤层群开采时临近层瓦斯卸压解吸特征，对采空区上覆岩层划分为导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带。李树刚等根据采场覆岩破断裂隙和离层裂隙的空间动态演化过程，提出了指导卸压瓦斯抽采的采动裂隙椭抛带理论。冯国瑞等通过物理模拟试验将采空区瓦斯流动空间自上而下划分为瓦斯高浓度区、瓦斯过渡区、瓦斯富集区和瓦斯无流区四个区域，指出这些区域的边界始终呈“V”形特征。
[0004]在对采动覆岩裂隙发育及瓦斯运移规律研究基础上，形成了巷道抽采、插(埋)管抽采和钻孔抽采等多种卸压瓦斯抽采技术。近年来，随着钻进技术及装备水平的提升，采用地面垂直钻孔、普通高位钻孔、定向长钻孔等抽采方式卸压瓦斯得到了广泛应用。其中，定向长钻孔因其施工及抽采优势，逐渐成为工作面采空区卸压瓦斯抽采治理的有效途径。相关学者对其也进行了大量研究探讨，林海飞等在采动裂隙椭抛带理论基础上，采用相似模拟和Fluent数值模拟对定向长钻孔抽采时的布置层位进行了模拟研究。李宏等采用数值模拟对采动覆岩破坏及裂隙发育进行了模拟，确定了定向长钻孔的布置层位，并进行了抽采试验。段会军等通过工程试验，在对定向长钻孔进行分区布设抽采基础上，研究确定了钻孔的合适布置层区。闫振国通过数值模拟研究，分析提出了定向长钻孔布置的优化方法，给出了钻孔在覆岩中的布置区间范围。
[0005]上述采动裂隙演化及瓦斯运移规律的研究可为普通高位钻孔、高抽巷在采动覆岩中布置抽采层位的确定提供理论依据。而针对定向长钻孔，其自身结构及布置抽采有其特殊性，对于其在长壁开采覆岩中布置抽采位置的确定，多数以实验模拟和现场经验为依据，
相关的理论分析方法尚不清晰。因此，研究定向长钻孔的位置特征，阐述其抽采机理，进而确定钻孔在采动覆岩中的布置抽采位置，是实现钻孔稳定、高效抽采卸压瓦斯的关键。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是针对上述问题，提供一种操作简单、安全高效的长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，包括以下步骤：
[0009]S1、根据工作面开采方法及参数、覆岩岩性特征，在分析煤层开采瓦斯运移裂隙通道分布及钻孔受采动影响稳定性的基础上，对定向长钻孔布置抽采位置的范围进行确定，并给出此范围在覆岩中的四个边界的计算公式；
[0010]S2、在定向长钻孔布置抽采位置的范围内计算各个位置的定向长钻孔位置判据值，其计算公式为：
[0011]C
v
＝R
a
·
R
p
·
R
s
；
[0012]其中，C
v
为定向长钻孔位置判据值，其值越大代表此位置越适宜钻孔布置；R
a
为采动裂隙内瓦斯积聚程度指标，其值越大代表瓦斯积聚程度越高；R
p
为采动岩层渗透率指标，其值越大代表岩层渗透率越高；R
s
为采动钻孔稳定性指标，其值越大代表钻孔稳定性越强；
[0013]S3、根据各个位置的定向长钻孔位置判据值大小确定各个钻孔的具体布置位置以及布置次序。
[0014]进一步的，所述步骤S1中，定向长钻孔布置抽采位置的范围为垂向上位于裂缝带，横向上位于结构裂隙区上山侧区域。
[0015]进一步的，所述步骤S2中计算各个位置的定向长钻孔位置判据值，包括以下步骤：
[0016]S21、计算采动裂隙内瓦斯积聚程度指标R
a
；
[0017]S22、计算采动岩层渗透率指标R
p
；
[0018]S23、计算采动钻孔稳定性指标R
s
；
[0019]S24、通过步骤S21、步骤S22、步骤S23得到的数据计算得到定向长钻孔位置判据值C
v
。
[0020]进一步的，所述步骤S21具体包括以下步骤：
[0021]S211、计算采动裂隙内特定位置瓦斯分布的浓度值ρ
g
，其计算公式为：
[0022][0023]其中，a为采动岩层裂隙发育系数；e为自然常数；δ为瓦斯在采空区裂隙通道中纯扩散及压强扩散时的系数；z为距离采空区底部的高度；
[0024]S212、根据采动裂隙内特定位置瓦斯分布的浓度值量化得到采动裂隙内瓦斯积聚程度指标R
a
。
[0025]进一步的，所述步骤S22具体包括以下步骤：
[0026]S221、建立采动覆岩孔隙率分布模型坐标系；坐标系设定为：沿工作面走向为x轴，向采空区方向为正方向；沿工作面倾向为y轴，向工作面回风巷方向为正方向；沿采场高度方向为z轴，向上为正方向；坐标原点设置于工作面倾向中间煤层底板处；
[0027]S222、建立x方向孔隙率分布模型φ(x)，其公式为：
[0028][0029]其中，B为采空区走向长度；x取值范围为(0，B)；
[0030]S223、建立y方向孔隙率变化系数φ(y)＇，其公式为：
[0031][0032]其中，L为工作面倾向长度；y取值范围为(
‑
L/2，L/2)；
[0033]S224、计算得到xy平面孔隙率分布模型φ(x,y)，其公式为：
[0034][0035]S225、计算z方向裂缝带内孔隙率变化系数φ(z)＇，其公式为：
[0036][0037]其中，k1为裂缝带底边界碎胀系数；b为衰减系数；z为距离煤层的法向距离；
[0038]S226、计算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、根据工作面开采方法及参数、覆岩岩性特征，在分析煤层开采瓦斯运移裂隙通道分布及钻孔受采动影响稳定性的基础上，对定向长钻孔布置抽采位置的范围进行确定；S2、在定向长钻孔布置抽采位置的范围内计算各个位置的定向长钻孔位置判据值，其计算公式为：C
v
＝R
a
·
R
p
·
R
s
；其中，C
v
为定向长钻孔位置判据值；R
a
为采动裂隙内瓦斯积聚程度指标；R
p
为采动岩层渗透率指标；R
s
为采动钻孔稳定性指标；S3、根据各个位置的定向长钻孔位置判据值大小确定各钻孔的具体布置位置以及布置次序。2.如权利要求1所述的长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，其特征在于：所述步骤S1中，定向长钻孔布置抽采位置的范围为垂向上位于裂缝带，横向上位于结构裂隙区上山侧区域。3.如权利要求2所述的长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，其特征在于：所述步骤S2中计算各个位置的定向长钻孔位置判据值，包括以下步骤：S21、计算采动裂隙内瓦斯积聚程度指标R
a
；S22、计算采动岩层渗透率指标R
p
；S23、计算采动钻孔稳定性指标R
s
；S24、通过步骤S21、步骤S22、步骤S23得到的数据计算得到定向长钻孔位置判据值C
v
。4.如权利要求3所述的长壁开采覆岩内水平定向长钻孔布置抽采位置确定方法，其特征在于：所述步骤S21具体包括以下步骤：S211、计算采动裂隙内特定位置瓦斯分布的浓度值ρ
g
，其计算公式为：ρ
g
＝ae
δz
；其中，a为采动岩层裂隙发育系数；e为自然常数；δ为瓦斯在采空区裂隙通道中纯扩散及压强扩散时的系数；z为距离采空区底部的高度；S212、根据采动裂隙内特定位置瓦斯分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：许来峥，李学臣，赵复翔，孟冯超，郝殿，郭艳飞，李楠，王苏南，王金晶，王斌，陈忱，郑富友，
申请(专利权)人：焦作煤业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：