一种非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法

1.本发明属于隧道工程技术领域，尤其涉及一种非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法。


背景技术：

[0002][0003]
随着隧道工程建设的发展，大量工程问题开始显现，特别是非煤隧道瓦斯问题。非煤隧道掌子面是隧道修建的施工第一线，在爆破后经常会形成众多裂隙，从而成为瓦斯涌出的高频发区域。在铁路和公路隧道的相关规范中，也都将隧道掌子面瓦斯涌出量这一参数考虑为评判隧道瓦斯等级的主要依据。在现有的技术手段中获取隧道掌子面瓦斯涌出量的方法主要有两种，一种是现场实测，一种是经验公式计算。现场实测主要是依据回风量处的瓦斯浓度和速度计算，由于回风区域的瓦斯浓度并不均匀，测试方法和操作规范与否对实验结果的影响很大，并且耗费时间和金钱成本。而现有的经验公式大部分都没有考虑裂隙的影响和瓦斯的渗流规律，因此计算出来的值与实际相差较大。所以如何经济合理的获得非煤隧道掌子面瓦斯涌出便成为了当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述技术问题，本发明提出一种非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法，克服现有技术中非煤瓦斯隧道采用矿山法施工时，瓦斯气囊的有效瓦斯压力和掌子面施工裂缝的渗透率难以直接测量，导致掌子面瓦斯涌出量预测不准确的不足。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供了种非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法，包括：
[0006]
获取掌子面的地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内的物理参数；其中，所述物理参数包括：钻孔内压力、浓度、涌出速度；
[0007]
基于所述地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内压力，获取掌子面区域的压力场分布模型；
[0008]
基于掌子面区域的所述压力场分布模型，获取裂缝渗透率；
[0009]
获取掌子面面积、掌子面裂缝率，基于所述掌子面面积、掌子面裂缝率、浓度和裂缝渗透率获取瓦斯涌出量。
[0010]
可选地，获取掌子面区域的压力场分布包括：
[0011]
基于所述地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内压力，获取有效瓦斯收敛半径；
[0012]
基于所述瓦斯收敛有效半径、瓦斯压力和涌出速度，获取有效瓦斯压力；
[0013]
基于所述有效瓦斯收敛半径和所述有效瓦斯压力，获取所述掌子面区域的压力场分布。
[0014]
可选地，获取有效瓦斯收敛半径还包括：获取所述有效瓦斯收敛半径对应的压力范围；
[0015]
判断所述有效瓦斯压力是否满足所述压力范围，是，则所述有效瓦斯压力求解成功，不是，则重新获取所述有效瓦斯收敛半径。
[0016]
可选地，所述压力场分布模型为：
[0017][0018]
其中，p为距离掌子面x米处的压力大小，p2为有效瓦斯压力， p3为掌子面表面压力，r2为有效瓦斯收敛半径。
[0019]
可选地，获取所述裂缝渗透率包括：
[0020]
基于掌子面区域的所述压力场分布，获取掌子面的裂缝条数、裂缝平均长度、裂缝表面宽度和裂缝粗糙度；
[0021]
基于所述裂缝条数、裂缝平均长度、裂缝表面宽度和裂缝粗糙度，获得所述裂缝渗透率。
[0022]
可选地，所述裂缝渗透率为：
[0023][0024]
其中，n为裂缝条数，l为裂缝平均长度，为裂缝的有效宽度，为b/2，b为裂缝表面宽度，e为裂缝粗糙度。
[0025]
可选地，所述瓦斯涌出量为：
[0026][0027]
其中，q为瓦斯涌出量，n为裂缝条数，l为裂缝平均长度，b为裂缝表面宽度，e为裂缝粗糙度，p2为有效瓦斯压力，p3为掌子面表面压力，r2为有效瓦斯收敛半径，a为掌子面面积、为掌子面裂缝率，t为瓦斯涌出时间，θ为浓度，u为甲烷的动力学黏度系数。
[0028]
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
[0029]
本发明考虑了裂缝、瓦斯渗流和扩散场对涌出量的影响，计算结果可靠，有效的增强对基于矿山法施工的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量的预测准确度，能够准确指导施工建设。
附图说明
[0030]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0031]
图1为本发明实施例的钻孔周围压力变化曲线图；
[0032]
图2为本发明实施例的收敛半径(r2)求解器界面示意图；
[0033]
图3为本发明实施例的有效压力(p2)求解器图；
[0034]
图4为本发明实施例的基于矿山法施工的非煤隧道掌子面瓦斯涌出量计算流程示意图。
具体实施方式
[0035]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0036]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0037]
本实施例提供了一种非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法，包括：
[0038]
获取掌子面的地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内的物理参数；其中，所述物理参数包括：钻孔内压力、浓度、涌出速度；
[0039]
基于所述地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内压力，获取掌子面区域的压力场分布模型；
[0040]
基于掌子面区域的所述压力场分布模型，获取裂缝渗透率；
[0041]
获取掌子面面积、掌子面裂缝率，基于所述掌子面面积、掌子面裂缝率、浓度和裂缝渗透率获取瓦斯涌出量。
[0042]
进一步地，获取掌子面区域的压力场分布包括：
[0043]
基于所述地层渗透率、孔隙率、钻孔半径和钻孔内压力，获取有效瓦斯收敛半径；
[0044]
基于所述瓦斯收敛有效半径、瓦斯压力和涌出速度，获取有效瓦斯压力；
[0045]
基于所述有效瓦斯收敛半径和所述有效瓦斯压力，获取所述掌子面区域的压力场分布。
[0046]
进一步地，获取有效瓦斯收敛半径还包括：获取所述有效瓦斯收敛半径对应的压力范围；
[0047]
判断所述有效瓦斯压力是否满足所述压力范围，是，则所述有效瓦斯压力求解成功，不是，则重新获取所述有效瓦斯收敛半径。
[0048]
进一步地，所述压力场分布为：
[0049][0050]
其中，p为距离掌子面x米处的压力大小，p2为有效瓦斯压力， p3为掌子面表面压力，r2为有效瓦斯收敛半径。
[0051]
进一步地，获取所述裂缝渗透率包括：
[0052]
基于掌子面区域的所述压力场分布，获取掌子面的裂缝条数、裂缝平均长度、裂缝表面宽度和裂缝粗糙度；
[0053]
基于所述裂缝条数、裂缝平均长度、裂缝表面宽度和裂缝粗糙度，获得所述裂缝渗透率。
[0054]
进一步地，所述裂缝渗透率为：
[0055][0056]
其中，n为裂缝条数，l为裂缝平均长度，为裂缝的有效宽度，为b/2，b为裂缝表面宽度，e为裂缝粗糙度。
[0057]
进一步地，所述瓦斯涌出量为：
[0058][0059]
其中，q为瓦斯涌出量，n为裂缝条数，l为裂缝平均长度，b为裂缝表面宽度，e为裂缝粗糙度，p2为有效瓦斯压力，p3为掌子面表面压力，r2为有效瓦斯收敛半径，a为掌子面面积、为掌子面裂缝率，t为瓦斯涌出时间，θ为浓度，u为甲烷的动力学黏度系数。
[0060]
本发明的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量估算方法主要通过以下技术方案实现，包括以下步骤：
[0061]
s1、测试勘察钻孔或者掌子面瓦斯超前钻孔内的瓦斯压力(p1)、浓度(θ)和涌出速度(v)；
[0062]
s2、测试地层渗透率(k)、孔隙率钻孔半径(r)；
[0063]
s3、将渗透率、孔隙率、钻孔内压力、钻孔半径等参数带入到有效半径(r2)求取器中求解，并选取合适的压力区间的有效半径(r2)；
[0064]
s4、将r2带入到有效压力求取器中求取有效压力p2；
[0065]
s5、根据p2、r2求解掌子面区域的压力场分布形式；
[0066]
s6、根据掌子面的情况或者根据围岩设计等级判断n(裂缝条数)、 l(裂缝平均长度)、b(裂缝有效宽度)、e(裂缝粗糙度)的取值情况，计算裂缝渗透率；
[0067]
s7、测量掌子面面积(a)、掌子面裂缝率并将以上参数带入到公式中，获取涌出量。
[0068]
在进行非煤瓦斯隧道工程施工时，需要对隧道瓦斯级别进行判别，以制定相应的施工工法和防范措施，从而能够有效的保障隧道施工的安全。根据公路或铁路瓦斯隧道设计与施工技术规范的要求，隧道瓦斯级别主要依靠掌子面瓦斯涌出量的大小来判断。掌子面涌出量的值计算过小，会导致瓦斯防范措施不到位而影响施工的安全性。而掌子面涌出量的值计算过大隧道瓦斯级别判断过高，将会导致瓦斯防范措施过度，造成施工成本上升。浅层天然气的快速运移主要依靠各种断裂构造和人造裂隙，非煤隧道掌子面的瓦斯涌出也主要发生在这些裂隙发育处。由于瓦斯渗流的时候会在出口区域形成压力坡降，因此在瓦斯钻孔内测得的压力也并不是瓦斯气囊的真真压力。由于裂隙处的渗透率和气囊有效压力的难获取性使得基于矿山法的非煤隧道掌子面瓦斯涌出量的难以计算。本技术方案中发明人基于掌子面瓦斯涌出的实际情况，考虑裂缝的宽度、数量、断面粗糙度对裂缝渗透率的影响；通过自主研发的有效压力求解器，在已知地层渗透率、瓦斯勘察钻孔孔内压力、浓度等条件下，自动求解掌子面前方瓦斯气囊的有效压力；通过将掌子面裂隙处的瓦斯渗流行为简化平面单向稳定渗流，依据掌子面表面压力和前方瓦斯气囊压力等参数，求解得到了瓦斯渗流路径上的压力分布特征方程。再将压力分布特征方程、裂缝渗透率带入到达西渗流方程中得到了最终的涌出量公式。该公式考虑了裂缝、瓦斯渗流和扩散场对涌出量的影响，计算结果可靠，有效的增强对基于矿山法施工的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量的预测准确度，能够准确指导施工建设。
[0069]
需要说明的是，本实施例中的有效压力即为未经过扰动破坏的掌子面前方瓦斯气囊的压力。
[0070]
进一步的，s1中勘察钻孔是指施工前进行瓦斯气体专项勘察的位于待计算的隧道掌子面前方的钻孔，或者是隧道掌子面瓦斯超前钻孔。
[0071]
本实施例中为了满足计算的有效性和准确性，需要对勘察钻孔或者超前钻孔中的瓦斯压力、涌出速度、浓度的测试，以便于后一步有效瓦斯压力的求解。
[0072]
进一步的，s3中采用有效半径求取器进行钻孔周围瓦斯收敛半径r2的求解，并且绘制了不同有效压力下的瓦斯压力变化，节约了计算量，使得钻孔周围的压力变化可视化。其所需要的参数包括地层渗透率k(md)、地层孔隙率钻孔内压力p1(mpa)、钻孔半径r(mm)。
[0073]
由于勘察孔或超前孔内瓦斯压力和地层瓦斯有效压力之间有一个由瓦斯渗流形成的降压漏斗如图1a所示，图1b为钻孔周围等压线。因此孔内测试的压力p1是小于地层中瓦斯的压力p2的，根据达西定律，在已知勘察孔孔内压力、速度的条件下要求解p2的值，必须要先求解勘察孔周围瓦斯压力的收敛半径。基于以上理念，依据瓦斯渗流场和扩散场的控制方程，开发了求解r2的app(图2)，运用该 app进行计算，可以获得特定物理参数地层中不同有效瓦斯压力下的瓦斯压力收敛半径值。
[0074]
在求解r2的app中将瓦斯在岩体中的运移过程分为两步，第一步岩体基质中的瓦斯扩散到裂隙中，第二步瓦斯由裂隙渗流到钻孔中。基于菲克第一扩散定律和达西定律，将瓦斯在岩体中的扩散场控制方程表达如下：
[0075][0076]
其中pm为岩体孔隙压力(mpa)；d为瓦斯扩散系数(m2/s)；δs为基质形状因子(m-2
)；pf为裂隙系统中的瓦斯压力(mpa)。
[0077]
渗流场的控制方程如下：
[0078][0079]
其中v为瓦斯渗流速度(m/s)，(ke为裂隙渗透率， md；μ为气体动力粘度系数，ch4为1.08
×
10-5
pa
·
s)，其它符号含义同前。
[0080]
瓦斯扩散系统向瓦斯渗流系统的质量交换的通量公式为：
[0081][0082]
上式中mm为单位体积岩石基质中赋存的瓦斯质量(kg)；mc为甲烷分子摩尔质量；r为理想气体常数，j/(mol
·
k)；t为温度(k)，其它符号同前。
[0083]
通过有限元分析软件，基于以上的控制方程对瓦斯在岩体中的运移过程进行模拟，并基于软件的二次开发平台进行二次app开发，将输入源选定为地层渗透率k(md)、地层孔隙率钻孔内压力p1(mpa)、钻孔半径r(mm)，将计算结果以图形的方式呈现(图2)。
[0084]
进一步的，s4中根据勘察孔内的测试压力和测试速度，采用发明人自己开发的app计算钻孔周围瓦斯压力收敛处的有效压力p2，并绘制了收敛半径内的压力分布图，图中的最大压力值便为有效压力 p2。
[0085]
本实施例中为了满足计算的精确性，根据达西渗流理论开发了一款效压力求取
器，用以计算收敛半径处的有效压力p2。由于掌子面爆破后，瓦斯主要通过裂隙涌出，因此该app中未考虑瓦斯的扩散过程，主要考虑了瓦斯的渗流过程，其控制方程如下：
[0086][0087]
与有效半斤求解器的研发过程一样，该app同样是基于上述控制方程，在有限元模拟软件中建立了基本模型，并基于有限元模拟软件的app二次开发平台，将r1、地层孔隙率、地层渗透率、钻孔内瓦斯涌出速度、钻孔内瓦斯压力作为输入源，将计算结果以图形的形式呈现。软件的界面如图3所示，计算过程中需要提前测量和计算掌子面处或者勘察孔内的瓦斯压力、涌出速度和瓦斯压力收敛半径，将以上参数带入到求解器中，求解得到的最大值即为地层瓦斯压力收敛处的有效压力。为了保证结果的可靠性，将求解得到的有效压力与r2求解器的结果进行对比，在r2求解器的压力变化曲线结果中，每一个有效半径都对应一个压力范围，如果p2求解器中所得结果在此压力范围内，则求解结束。反之则重复s3、s4两个步骤，直至求解成功。
[0088]
进一步的，s5中根据有效压力p2和掌子面表面压力p3求解隧道掌子面区域的压力分布形式，其计算公式如下：式子中p2为有效压力(pa)，为s4步骤中的计算结果；p3为掌子面表面压力(pa)；p为距离掌子面x米处的压力(pa)。
[0089]
本技术方案中的研究对象为气体，因此在渗流过程中要考虑压强对气体密度的影响。将理想气体状态方程带入到流体连续性方程中，可以得到为了简化求解公式，减少计算量，将瓦斯从裂缝中渗流到掌子面表面的过程视为平面单向稳定渗流，则流体连续性方程可以简化为一维的形式对其进行积分可以得到非煤隧道掌子面区域的瓦斯压力场分布形式如下所示：进一步的对压力进行求导，可以得到非煤隧道掌子面区域的瓦斯梯度分布公式如下所示：以上表达式中，ρg表示甲烷气体密度(kg/m3)；m表示甲烷分子质量(g/mol)；r表示气体状态常数 (j/mol/k)；t表示地层温度(k)；为地层孔隙率(％)；μ为甲烷的动力学黏度系数(p*s)。
[0090]
进一步的，s6中根据裂缝处的渗透率而不是根据岩石的渗透率来计算非煤隧道掌子面瓦斯涌出量，其计算公式如下：式子中n为裂缝条数、l为裂缝平均长度(m)、为裂缝有效宽度(m)、e为裂缝粗糙度。
[0091]
在实际工程中由于掌子面岩石基质的孔隙直径和渗透率较小，瓦斯渗流速度慢，因此基于矿山法施工的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出的通道主要是各种人造或者构造裂缝。在本发明中计算裂隙渗透率时，考虑了裂缝的长度、宽度、条数等影响因素，计算结果与
实际工程中掌子面瓦斯涌出的现象更加贴合。从公式中也可以看出，裂缝的渗透率与裂缝条数、长度、宽度成正比，与裂缝表面粗糙度成反比，其中以裂缝宽度对裂缝渗透率的影响最大。由于有掌子面的人造裂缝通常是沿着炮孔放射性发育的锲体型空间体，其截面积为三角形，为了综合考虑裂缝宽度对渗透率的影响，取式子中b为掌子面裂缝表面宽度(m)，由于掌子面裂缝通常是沿着炮孔放射性发育的锲体型空间体，因此取掌子面表面宽度的一半。
[0092]
进一步的，s7中计算基于矿山法施工的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量的计算公式如下所示：式子中t指的是瓦斯涌出时长(s)，其它符号的含义与上相同。
[0093]
根据s7瓦斯涌出量的求解公式可以看出，该公式考虑了裂隙渗透率、实际涌出面积、以及气体渗流特征、涌出时间等因素的影响。考虑的因素较为全面，结算结果较为可靠。
[0094]
如图4所示，本实施例以四川省汶川至马尔康高速公路c18标段米亚罗3号隧道为例进行涌出量计算，米亚罗3号隧道右洞起讫里程为k161 723～k165 980，隧道全长为4257m，隧址区位于青藏高原东缘与四川盆地西北缘交错接触带，地形复杂，地势西北高、东南低。工作区多为高山峡谷区，沟谷发育。隧址区上覆人工填筑层、崩坡积层、坡洪积层以及冲洪积层，盖层发育条件好。下伏三叠系上统侏倭组，其主要由变质砂岩、板岩、千枚岩组成，生烃条件好。并且场地内发育有米亚罗压扭性断层，构造裂隙发育。具备较强的代表性，能够较好地反映本实施例的优点。
[0095]
基于非煤隧道有害气体危害评价方法，在米亚罗隧道实施以下步骤：
[0096]
s1、测试勘察钻孔或者掌子面瓦斯超前钻孔内的瓦斯压力(p1)、浓度(θ)和涌出速度(v)；
[0097]
s1.1：野外工作布置：进行超前深孔布置、测试前准备和实际测试过程中的设备安装和仪器测试操作。所述步骤s3.1中的炮孔深度为30m，半径为75mm。
[0098]
超前孔经过封孔后，采用m
‑ⅱ
型瓦斯压力测定仪对孔内的压力和瓦斯浓度进行测试，并运用空压机综合参数测试仪对瓦斯溢出点进行测速。检测结果为瓦斯压力p1＝0.24mpa，θ＝15.76％， v＝0.0057cm/s。
[0099]
s2、测试地层渗透率(k)、孔隙率钻孔半径(r)；
[0100]
经过室内实验和钻孔参数查询得到：地层渗透率k＝0.606md，孔隙率钻孔半径r＝37.5mm。
[0101]
s3、将渗透率、孔隙率、钻孔内压力、钻孔半径等参数带入到有效半径(r2)求取器中求解，并选取合适的压力区间的有效半径(r2)；
[0102]
将s1、s2所得参数代入到有效半径求取器中，求解结果如图2 所示。从结果图中可以看出，当有效压力为0.26～0.27mpa时，瓦斯收敛半径r1为2.5m；有效压力为0.27～0.28mpa时，瓦斯收敛半径r1为3m；以此类推其它有效压力范围的收敛半径也可以从图中获得。由于钻孔内的瓦斯压力仅有0.24mpa，先暂取0.27～0.28mpa范围内的瓦斯压力收敛半径值3m。
[0103]
s4、将r2带入到有效压力求取器中求取有效压力p2；
[0104]
将0.27～0.28mpa范围内的收敛半径r1＝3m，带入到有效压力求取器中，求解结果如图3所示。从压力分布图中可以看出沿着圆柱体高度方向上，最大压力为xy平面的0.279mpa，该压力值在[0.27mpa， 0.28mpa]范围内，因此求解结果合理。得到米亚罗3号隧道进口右线掌子面前方的有效瓦斯压力为0.279mpa。
[0105]
s5、根据p2、r2求解掌子面区域的压力场分布形式；
[0106]
在求解掌子面区域的压力场分布形式时，由于掌子面表面暴露在空气中，因此取p3＝0.1mpa，将r1、p2带入到公式中可以求得：将其对x进行求导可以得到
[0107]
s6、根据掌子面的情况或者根据围岩设计等级判断n(裂缝条数)、l(裂缝平均长度)、b(裂缝有效宽度)、e(裂缝粗糙度) 的取值情况，计算裂缝渗透率；
[0108]
经过现场勘察发现米亚罗三号隧道右洞k162 380处掌子面炮后有多处瓦斯渗漏点，经过测算裂缝共有15条、裂缝平均长度为1.8m、 a＝66m2、b＝2mm、e＝3.2，将其带入到裂缝渗透率求解公式中可以得到：
[0109]
s7、测量掌子面面积(a)、掌子面裂缝率并将以上参数带入到公式中，获取涌出量。
[0110]
经过现场勘察测算出亚罗三号隧道右洞k162 380处掌子面炮后裂隙发育率为0.05243％，由于是求解掌子面处的瓦斯涌出量，求得掌子面处的瓦斯压力梯度为将其带入到瓦斯涌出量求解公式中可以得到：
[0111]
根据现场施工检测掌子面三班平均瓦斯涌出量为1.656m3/min。对比本技术方案中的结果可以看出，掌子面瓦斯涌出量计算公式的结果与施工结论基本一致，其准确率达到了85.2％，可见采用本发明的计算方法对矿山法施工时非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量的预测有较好的实用性，其结果可靠且准确度较高，能科学、合理、有效的对基于矿山法的非煤瓦斯隧道掌子面瓦斯涌出量进行预测，为隧道设计施工提供了可行、适用的依据。
[0112]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。