一种裂隙带瓦斯靶向抽采方法

本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种裂隙带瓦斯靶向抽采方法。

背景技术：

1、我国作为煤炭资源大国，煤炭产业一直扮演着重要角色。保障煤炭的安全高效生产对于我国能源战略至关重要。煤炭安全生产受到瓦斯等灾害的制约。在煤层开采过程中，采动应力的变化会导致覆岩的垮落和移动，形成大量裂隙，进而导致瓦斯从煤层中释放出来。与此同时，瓦斯具有升浮特性，大量的卸压瓦斯会通过裂隙形成的通道聚集到覆岩裂隙带，形成瓦斯的富集区。

2、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。确定最适合进行瓦斯抽采的钻孔终孔位置，对于精准定位裂隙带瓦斯抽采具有至关重要的意义。然而，现有技术在瓦斯抽采定位方面存在明显的不足，无法满足煤矿安全治理的需求。

3、首先，目前的瓦斯抽采定位主要依据单一，无法精准地确定瓦斯抽采的最佳位置，导致瓦斯抽采效果不佳，难以达到预期的安全治理效果。

4、其次，现有技术采用的是静态的瓦斯抽采方法，仅以钻孔层位为导向，忽略了采动是一个动态过程的事实。无法及时调整抽采靶点，跟随采动过程的变化，导致瓦斯抽采效率低下，无法有效应对采动带来的瓦斯超限问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种裂隙带瓦斯靶向抽采方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种裂隙带瓦斯靶向抽采方法，包括以下步骤：

3、1)前期准备与参数测量，获取现场各煤岩层物理力学参数。其中，所述煤岩层物理力学参数包括弹性模量、碎胀系数、煤岩容重和抗压强度。

4、2)靶点筛选与确定。其中，将适合抽采有害气体的具体钻孔终孔位置点定义为抽采靶点。根据应力分布特征筛选出应力靶点。根据瓦斯聚集和运移的通道选出裂隙靶点。根据瓦斯浓度分布筛选出浓度靶点。步骤2)包括以下同时进行或不分先后顺序的子步骤：

5、2.1)根据《防治煤与瓦斯突出细则》和采动卸压边界理论，结合数值模拟结果，综合确定不同层位覆岩应力卸压范围，进而通过应力分布特征筛选应力靶点。

6、2.2)根据采高及相似模拟实验确定裂隙带高度。基于砌体梁结构模型对采场覆岩裂隙关键参数进行计算，并结合相似模拟结果对覆岩采动裂隙参数进行精细识别，进而筛选出裂隙靶点。

7、2.3)根据现场基本参数，通过煤层开采瓦斯运移数值模拟结果，确定裂隙带瓦斯储运优势通道区域，进而根据瓦斯浓度分布筛选出浓度靶点。

8、3)靶点联合优选。将步骤2)筛选出的应力靶点、裂隙靶点和浓度靶点进行多重串联映射，综合考虑三场信息对钻孔终孔位置进行区域靶向联合优选定位。

9、4)靶点动态演化分析。考虑时空因素对靶点的影响，通过重复步骤1)～3)，在不同时间获取一系列静态靶点。将这些静态靶点连成线，形成靶点分布图，并绘制不同时间的靶点动态演化时空曲线簇。根据靶点分布及靶点动态演化时空曲线簇，绘制钻孔轨迹图。

10、5)根据步骤4)获得的抽采靶点动态数据，利用集成学习的方法对后续开采条件下的抽采靶点进行预测，为实际抽采工作提供指导。根据预测的抽采靶点，绘制新的钻孔轨迹图。

11、6)现场试验与优化。根据现场情况，确定裂隙带钻孔的终孔位置，并开展瓦斯抽采现场试验。根据现场观测结果进行分析比较，评估抽采效果，进一步优化裂隙带卸压瓦斯抽采位置。

12、进一步，步骤2.1)具体包括以下子步骤：

13、2.1.1)根据《防治煤与瓦斯突出细则》，选定相应的卸压角参考值，确定初步的卸压范围。

14、2.1.2)基于卸压边界理论，分析覆岩不同位置处应力分布状态，确定不同层位覆岩卸压范围。

15、结合覆岩卸压程度进行划分卸压边界，覆岩卸压程度采用卸压系数表示。

16、r＝1-(σz/σzo)

17、式中，r是卸压系数。σz为采动应力。σz0为原始应力。

18、2.1.3)对两种方法得到的卸压范围进行对比分析，选取卸压系数r＞0.1的覆岩不同层位卸压范围，进而通过理论计算的应力分布特征，筛选卸压区域内卸压充分的位置坐标，即卸压系数r＞0.8的位置坐标，标记为应力靶点。

19、进一步，步骤2.2)具体包括以下子步骤：

20、2.2.1)计算裂隙带高度。根据现场煤岩层物理力学参数，进行相似模拟试验，结合试验结果，综合确定裂隙带高度。

21、2.2.2)计算得出两种裂隙面积分布规律。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，得到离层裂隙面积和破断裂隙面积。

22、2.2.3)采用matlab编程实现裂隙面积分布的可视化。

23、2.2.4)结合相似模拟试验，对开采后的覆岩垮落和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、频数和贯通度。综合理论计算与相似试验，将符合贯通度≤0.6、裂隙角度区间属于离层裂隙、裂隙开度＞2mm、面积占比大于0.05％的裂隙参数的位置标记为裂隙靶点。

24、进一步，步骤2.3)中，通过comsol软件开展采动裂隙场内卸压瓦斯运移规律数值模拟研究。获得裂隙带瓦斯储运优势通道区域，对瓦斯浓度大于0.75％的区域进行坐标提取。将瓦斯浓度大于0.75％的位置标记为浓度靶点。

25、进一步，步骤2.2.4)包括以下情况中任一项：

26、a)单层煤开采。

27、b)近距离多层煤开采且过上覆煤柱。当上覆煤层开采后，形成了多个上覆煤柱。此时，下层煤开采时，过上覆煤柱时，上覆煤柱突然垮落，将会对采动裂隙的发育影响较大。

28、进一步，步骤3)对筛选出的应力、裂隙、浓度靶点，进行三场多重串联映射筛选，对满足条件的靶点进行中心聚类，进而向三维空间进行终点映射，最终获得瓦斯抽采钻孔区域靶向联合优选定位坐标。

29、进一步，步骤4)靶点动态演化分析，具体包括以下子步骤：

30、4.1)考虑时空因素对靶点的影响，考虑开采中后期充分采动与开采初期非充分采动对布孔的影响，通过重复步骤1)～3)，在不同时间获取一系列静态靶点。

31、4.2)将这些特定时间的静态靶点连成线，形成靶点分布图。

32、4.3)根据得到的多条靶点动态演化曲线，绘制不同时间的靶点动态演化时空曲线簇。

33、4.4)根据靶点分布及靶点动态演化时空曲线簇，绘制钻孔轨迹图。其中，绘制出的钻孔轨迹图，轨迹呈现一定的弯曲弧度，终孔位置低于钻孔中部位置。工作面刚开始推进时，开采程度不大，终孔位置呈现一定的低位趋势。刚开采时，钻孔位置低位时能够有效抽采。随着开采一段时间，覆岩垮落，裂隙带上移，此时钻孔位置高位，也能对卸压瓦斯进行有效抽采。

34、进一步，所述中心聚类采用fcm聚类算法。

35、进一步，步骤5)中，选取长短期记忆模型和支持向量机模型作为基模型。将长短期记忆模型和支持向量机模型组合成一个集成模型。

36、进一步，步骤6)具体包括以下子步骤：

37、6.1)根据现场实际情况，将得到的靶点坐标，进行比对，剔除位于软弱岩层的靶点。进而确定最终的裂隙带卸压瓦斯抽采钻孔终孔位置。

38、6.2)开展裂隙带瓦斯抽采现场试验。将试验钻孔分为两组，一组钻孔布置位置为步骤1)～5)确定的优选位置，另一组钻孔布置在同一层位不同帮距的位置。同时采用钻孔窥视法与钻孔双端封堵测漏法对覆岩钻孔周围裂隙演化特征及瓦斯抽采效果进行现场监测。

39、6.3)根据现场结果，精确采动裂隙带定向长钻孔设计参数，优化裂隙带卸压瓦斯抽采位置。

40、本发明的技术效果是毋庸置疑的：

41、a.有效地结合了采动卸压应力场、覆岩渗流裂隙场和瓦斯富集浓度场的三场综合响应，得到的终孔位置更加准确；

42、b.能够有效破解采动卸压抽采钻孔终孔定位依据单一化，从而实现裂隙带卸压瓦斯精准抽采的目的；

43、c.考虑了时间因素对钻孔位置的影响，考虑了充分采动与非充分采动对布孔的影响，从而得到了靶点动态演化时空曲线簇，这对保障全过程卸压瓦斯高效抽采具有重要意义；

44、d.在治理上隅角瓦斯超限问题具有很好的应用前景，对安全生产有保障，可以取得良好的瓦斯抽采效果。

45、e.根据靶点动态曲线簇绘制的钻孔轨迹图，能够最大程度实现瓦斯精准高效抽采。