本發(fā)明屬于煤層氣開采技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，特別涉及一種確定水力沖孔有效抽采半徑的方法。

背景技術(shù)：

煤層瓦斯的抽采，能從根本上預(yù)防和解決煤礦瓦斯事故，同時能解決世界油氣資源短缺問題。無論是把煤層瓦斯作為一種資源進行綜合開采，還是把煤層瓦斯作為一種災(zāi)害因素加以防治，最直接的問題就是如何提高瓦斯抽采效率。然而，我國煤田地質(zhì)條件比較復(fù)雜，煤層滲透率普遍較低，煤層瓦斯抽采往往需要對煤儲層實施增產(chǎn)改造措施，為此，學(xué)者們提出了諸如水力沖孔、水力壓裂、水力割縫、深孔松動爆破等強化煤層瓦斯抽采技術(shù)，在一定程度上提高了我國煤層瓦斯抽采效率。但是，針對松軟低透氣性煤層地區(qū)，部分增透技術(shù)受到限制，而水力沖孔技術(shù)恰恰能較好的實現(xiàn)增透效果，是應(yīng)用較為廣泛的卸壓增透措施之一。

水力沖孔技術(shù)是以巖石巷道為安全屏障，采用高壓水射流破碎煤體，沖出部分煤體和瓦斯，引起鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力降低、卸壓增透，強化抽放效果，達到提高抽采量、消除掘進期間突出危險性、保證巷道安全快速掘進的目的。水力沖孔對煤層卸壓增透的作用主用體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，水力沖孔利用高壓水射流沖出大量煤與瓦斯，釋放煤體的突出潛能和瓦斯的內(nèi)能。其次，沖孔過程中，高壓水進入并濕潤煤體，增加了煤的流變性，降低了煤體內(nèi)部的應(yīng)力集中，進一步消除其突出危險性。再次，高壓水進入煤體裂隙，促進煤層裂隙的擴張和發(fā)育，增加了煤層的透氣性，使得水力沖孔的瓦斯抽采半徑要比一般的鉆孔大得多，從而增加了瓦斯抽采量，增大了煤層中卸壓增透的范圍。

在實際生產(chǎn)中，正確設(shè)計抽采鉆孔的布置方式、數(shù)目等對提高煤層瓦斯的抽采率以及合理制定瓦斯防治措施等都具有非常重要的意義；如果鉆孔間距過大，在抽放范圍內(nèi)容易形成抽放盲區(qū)；如果鉆孔間距過小，容易造成人力和物力的浪費。因此，煤層瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計應(yīng)以鉆孔的有效抽采半徑為依據(jù)。由于有效抽采半徑受煤體形態(tài)、增透抽采方法等多重因素的影響，目前水利沖孔有效抽采半徑的確定多集中在現(xiàn)場測試方面，具有成本高、難以重復(fù)等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種通過模擬試驗確定水力沖孔有效抽采半徑的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種確定水力沖孔有效抽采半徑的方法，包括以下步驟，

步驟1、前期準(zhǔn)備

1a)將煤樣破碎篩分備用，對傳感器進行標(biāo)定備用；

1b)型煤成型，在試件箱內(nèi)對煤樣進行加壓成型，并在成型過程中埋入預(yù)埋桿；并且，在型煤內(nèi)選取與預(yù)埋桿垂直的至少一個斷面，在每一斷面上均布有多個傳感器，所述傳感器也在型煤成型過程中埋入，所述傳感器均為氣體壓力傳感器；

1c)安裝試件箱蓋板并檢查密封效果；

1d)連接箱體傳感器和電腦；將箱體的進氣管路與真空泵連接，將預(yù)埋桿取出，安裝抽采管，將抽采管出口與流量計相連；

步驟2、第一次瓦斯抽采試驗

開啟應(yīng)力加載及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對箱體三個方向施加試驗設(shè)定的預(yù)應(yīng)力；然后啟動真空泵對煤樣進行抽真空；抽真空完成后連接進氣管路和甲烷氣瓶，按照試驗設(shè)定的吸附平衡氣壓Pj進行瓦斯吸附；吸附完成后，打開抽采管進行第一次瓦斯抽采；

步驟3、水力沖孔試驗

第一次瓦斯抽采試驗結(jié)束后，在預(yù)應(yīng)力下，將力加載改為位移控制；安裝沖孔裝置，并將沖孔裝置與高壓水泵相連，進行水力沖孔；

步驟4、第二次瓦斯抽采試驗

水力沖孔試驗結(jié)束后，停止三向加載，拆除沖孔裝置，重復(fù)步驟2的操作進行第二次瓦斯抽采；

步驟5、數(shù)據(jù)整理

收集第一次瓦斯抽采試驗和第二次瓦斯抽采試驗過程中的氣體壓力數(shù)據(jù)，

將第一次瓦斯抽采試驗中各個斷面?zhèn)鞲衅鞑杉臍怏w壓力數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ORIGIN軟件，并各自繪制各個斷面的等壓線圖，在各個等壓線圖上選取Pmi＝0.49Pj的等壓線，并計算每一Pmi等壓線所包含的面積Smi，然后根據(jù)S＝πr²計算每一面積對應(yīng)的半徑Rmi，最后計算第一次瓦斯抽采試驗中所有斷面半徑Rmi的平均值Rm，Rm即為第一次瓦斯抽采試驗的有效抽采半徑；

將第二次瓦斯抽采試驗中各個斷面?zhèn)鞲衅鞑杉臍怏w壓力數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ORIGIN軟件，并各自繪制各個斷面的等壓線圖，在各個等壓線圖上選取Pni＝0.49Pj的等壓線，并計算每一Pni等壓線所包含的面積Sni，然后根據(jù)S＝πr²計算每一面積對應(yīng)的半徑Rni，最后計算第二次瓦斯抽采試驗中所有斷面半徑Rni的平均值Rn，Rn即為第二次瓦斯抽采試驗的有效抽采半徑；

步驟6、水力沖孔有效抽采半徑的確定

根據(jù)計算水力沖孔的有效抽采半徑，其中Ri為傳統(tǒng)抽采方法的有效抽采半徑，Rj為水利沖孔增透抽采的有效抽采半徑。

本發(fā)明通過模擬試驗水力沖孔前瓦斯抽采和水力沖孔后瓦斯抽采，并收集兩次抽采的氣體壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)氣體壓力數(shù)據(jù)獲取每一斷面的有效抽采面積，再計算模擬試驗的有效抽采半徑，從而獲取模擬試驗狀態(tài)下水力沖孔前后的有效抽采半徑比值，由于實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)抽采方法的有效抽采半徑基本是確定的，再利用模擬試驗狀態(tài)獲取的比值即可計算出實際生產(chǎn)中水力沖孔的有效抽采半徑；這樣通過模擬試驗的方式來確定水力沖孔前后有效抽采半徑比值，并指導(dǎo)實際水利沖孔有效抽采半徑的確定，避免了在現(xiàn)場反復(fù)測試的高成本，并且操作方便。

其中每一斷面的有效抽采面積根據(jù)Pmi＝0.49Pj的等壓線確定，依據(jù)如下：《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定，煤層瓦斯預(yù)抽率應(yīng)大于30％，也就是煤層瓦斯抽采后的殘余瓦斯含量應(yīng)小于抽采前瓦斯含量的70％，即：

X_c＜70％X (1)

式中：X_c為煤層殘余瓦斯含量，m³/t；X為煤層原始瓦斯含量，m³/t。

考慮工程實際應(yīng)用中允許的誤差范圍，周世寧院士提出用拋物線方程來近似取代煤層瓦斯含量曲線，即：

式中：α為煤層瓦斯含量系數(shù)，m³/(t·MPa^0.5)；P為煤層瓦斯壓力，MPa。

由式(1)和(2)可得：

P_c＜49％P (3)

式中：P_c為煤層殘余瓦斯壓力，MPa；P為煤層原始瓦斯壓力，MPa。即煤層瓦斯抽采后的煤層殘余瓦斯壓力為煤層原始瓦斯壓力的49％。因此，即可根據(jù)Pmi＝0.49Pj的等壓線確定每一斷面的卸壓范圍，即有效抽采面積。

在步驟5中計算Pmi等壓線所包含的面積Smi時，先將斷面的等壓線圖導(dǎo)入Photoshop軟件，選取Pmi等壓線，選擇視圖下直方圖，即可獲取Pmi等壓線內(nèi)的像素數(shù)I1；再選取整個斷面邊界，獲取整個斷面內(nèi)的像素數(shù)I2，根據(jù)即可計算出有效抽采面積,其中S2為整個斷面的面積，也即型煤試樣的斷面面積；每一Sni的計算方法與Smi的計算方法相同。這樣利用Photoshop軟件的像素計算模擬試驗的有效抽采面積，更加準(zhǔn)確、便捷。

步驟1中，型煤分4層成型，即先在箱體底部鋪一層煤樣，同時在煤樣內(nèi)相應(yīng)位置埋入傳感器，然后加壓成型；接著進行第二層煤樣鋪設(shè)及成型；當(dāng)?shù)诙有兔撼尚秃舐袢腩A(yù)埋桿；然后依次進行第三層、第四層型煤成型。成型性更好。

步驟1中，成型的型煤試樣體積為410*410*1050mm³，所述預(yù)埋桿沿型煤試樣的長度方向布置。

有益效果：本發(fā)明通過模擬水力沖孔前瓦斯抽采和水力沖孔后瓦斯抽采，并收集兩次抽采的氣體壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)氣體壓力數(shù)據(jù)獲取每一斷面的有效抽采面積，再計算有效抽采半徑，從而根據(jù)水利沖孔前后的有效抽采半徑比值，最終指導(dǎo)實際生產(chǎn)中水力沖孔有效抽采半徑的確定，具有構(gòu)思巧妙、使用方便、使用成本低等特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述的實施例示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述實施例是示例性的，旨在解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。下面結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的描述，使本發(fā)明的技術(shù)方案及其有益效果更加清楚、明確。

如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟，

步驟1、前期準(zhǔn)備

1a)將煤樣破碎篩分備用，對傳感器進行標(biāo)定備用；

1b)型煤成型，在試件箱內(nèi)對煤樣進行加壓成型，并在成型過程中埋入預(yù)埋桿；并且，在型煤內(nèi)選取與預(yù)埋桿垂直的至少一個斷面，在每一斷面上均布有多個傳感器，所述傳感器也在型煤成型過程中埋入，所述傳感器均為氣體壓力傳感器。所述試件箱為現(xiàn)有的三相加載煤與瓦斯抽采試件箱，具體結(jié)構(gòu)在此不做贅述；本實施例優(yōu)選試件箱的結(jié)構(gòu)與申請?zhí)枮椤?01310025093.9”的發(fā)明專利中公開的試件箱結(jié)構(gòu)相同。

1c)安裝試件箱蓋板并檢查密封效果。

1d)連接箱體傳感器和電腦；將箱體的進氣管路與真空泵連接，將預(yù)埋桿取出，安裝抽采管，將抽采管出口與流量計相連。

步驟2、第一次瓦斯抽采試驗

開啟應(yīng)力加載及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對箱體三個方向施加試驗設(shè)定的預(yù)應(yīng)力；然后啟動真空泵對煤樣進行抽真空；抽真空完成后連接進氣管路和甲烷氣瓶，按照試驗設(shè)定的吸附平衡氣壓Pj進行瓦斯吸附；吸附完成后，打開抽采管進行第一次瓦斯抽采。

步驟3、水力沖孔試驗

第一次瓦斯抽采試驗結(jié)束后，在預(yù)應(yīng)力下，將力加載改為位移控制；安裝沖孔裝置，并將沖孔裝置與高壓水泵相連，進行水力沖孔。

步驟4、第二次瓦斯抽采試驗

水力沖孔試驗結(jié)束后，停止三向加載，拆除沖孔裝置，重復(fù)步驟2的操作進行第二次瓦斯抽采。

步驟5、數(shù)據(jù)整理

收集第一次瓦斯抽采試驗和第二次瓦斯抽采試驗過程中的氣體壓力數(shù)據(jù)，

將第一次瓦斯抽采試驗中抽采結(jié)束后各個斷面?zhèn)鞲衅鞑杉臍怏w壓力數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ORIGIN軟件，并各自繪制各個斷面的等壓線圖，在各個等壓線圖上選取Pmi＝0.49Pj的等壓線，并計算每一Pmi等壓線所包含的面積Smi，然后根據(jù)S＝πr²計算每一面積對應(yīng)的半徑Rmi，最后計算第一次瓦斯抽采試驗中所有斷面半徑Rmi的平均值Rm，Rm即為第一次瓦斯抽采試驗的有效抽采半徑；

將第二次瓦斯抽采試驗中抽采結(jié)束后各個斷面?zhèn)鞲衅鞑杉臍怏w壓力數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入ORIGIN軟件，并各自繪制各個斷面的等壓線圖，在各個等壓線圖上選取Pni＝0.49Pj的等壓線，并計算每一Pni等壓線所包含的面積Sni，然后根據(jù)S＝πr²計算每一面積對應(yīng)的半徑Rni，最后計算第二次瓦斯抽采試驗中所有斷面半徑Rni的平均值Rn，Rn即為第二次瓦斯抽采試驗的有效抽采半徑。

步驟6、水力沖孔有效抽采半徑的確定

根據(jù)計算水力沖孔的有效抽采半徑，其中Ri為傳統(tǒng)抽采方法的有效抽采半徑，Rj為水利沖孔增透抽采的有效抽采半徑。

在步驟5中計算Pmi等壓線所包含的面積Smi時，先將斷面的等壓線圖導(dǎo)入Photoshop軟件，選取Pmi等壓線，選擇視圖下直方圖，即可獲取Pmi等壓線內(nèi)的像素數(shù)I1；再選取整個斷面邊界，獲取整個斷面內(nèi)的像素數(shù)I2，根據(jù)即可計算出有效抽采面積,其中S2為整個斷面的面積，也即型煤試樣的斷面面積；每一Sni的計算方法與Smi的計算方法相同。

步驟1中，型煤分4層成型，即先在箱體底部鋪一層煤樣，同時在煤樣內(nèi)相應(yīng)位置埋入傳感器，然后加壓成型；接著進行第二層煤樣鋪設(shè)及成型；當(dāng)?shù)诙有兔撼尚秃舐袢腩A(yù)埋桿；然后依次進行第三層、第四層型煤成型。

步驟1中，成型的型煤試樣體積為410*410*1050mm³，所述預(yù)埋桿沿型煤試樣的長度方向布置。