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专利名称：石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210444769.7

专利申请（专利权）人：山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿,中国矿业大学(北京)
权利人地址：山西省长治市襄垣县王桥镇

专利发明（设计）人：李思齐,张志晶,解北京,孙剑,梁天宇,李敏,张根,焦韶禹,赵杰

专利摘要：本发明创造提供了一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，包括：根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数；根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数；根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，并根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数；根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数；采用优序法计算各影响参数的权重系数，并根据权重系数和影响参数，计算评价结果。本发明创造所述的一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，能降低高压二氧化碳致裂增透和防突效果的评价难度并提升评价结果准确性。

主权利要求：
1.一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，其特征在于包括：在高压二氧化碳致裂前，获取初始钻孔瓦斯抽采浓度和预设钻孔数量；
在高压二氧化碳致裂后，获取瓦斯流量衰减系数，根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数；所述根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数，采用如下公式计算：F＝10?G×100
其中，F为第一影响参数，G为瓦斯流量衰减系数；
获取实际钻孔瓦斯抽采浓度，根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数；所述根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数，包括：根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算抽采浓度提升百分数，并根据抽采浓度提升百分数采用如下公式计算第二影响参数：H＝5+I×100
其中，H为第二影响参数，I为抽采浓度提升百分数；
获取致裂钻孔半径、二氧化碳释放压力和实际致裂影响半径，根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，并根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数；所述根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数，采用如下公式计算：C＝10?|A?B
|其中，C为第三影响参数，A为理论致裂影响半径，B为实际致裂影响半径；
获取实际钻孔数量，根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数；所述根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数，包括：根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算钻孔减少量，并根据钻孔减少量采用如下公式计算第四影响参数：D＝2+E/10
其中，D为第四影响参数，E为钻孔减少量；
根据第一影响参数、第二影响参数、第三影响参数、第四影响参数的次序顺次确定各影响参数的优先级，采用优序法计算各影响参数的权重系数，并根据权重系数和影响参数，计算评价结果。
2.根据权利要求1所述的石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，其特征在于：所述根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，包括：根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力，分别计算粉碎区半径和裂缝区半径，根据粉碎区半径和裂缝区半径之和确定理论致裂影响半径。
3.根据权利要求2所述的石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，其特征在于：所述粉碎区半径采用如下公式计算：
其中：rc为粉碎区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kc为煤体动态抗压强度增大系数，σc为煤体单轴静态抗压强度，αc为粉碎区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径；
所述裂缝区半径采用如下公式计算：
其中，rf为裂缝区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kt为煤体动态抗拉强度增大系数，σt为煤体单轴静态抗拉强度，αt为裂缝区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径。 说明书 : 石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法技术领域[0001] 本发明创造属于煤矿开采技术领域，尤其是涉及一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法。背景技术[0002] 煤与瓦斯突出是一种特殊的瓦斯涌出的现象，在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内部突然向采掘空间大量喷出，从而严重影响煤矿内部的生产安全情况。[0003] 近年来，我国在煤与瓦斯突出防治方面已经形成了“四位一体”的综合防治体系，能够通过超前钻孔、深孔松动爆破、预先抽放瓦斯、高压水射流扩孔和高压空气爆破致裂增透等多种手段，提升矿井内部的安全系数。其中，高压空气爆破致裂增透技术主要是通过液态二氧化碳相变产生高压气体和应力波，在高压气体和应力波的共同作用下，煤体会因破裂而产生新的裂隙，同时还能加速原生裂隙的扩展，从而增大煤层内的透气性和瓦斯抽采效率，进而避免发生煤与瓦斯的突出事故。[0004] 但是，在完成高压空气致裂增透和防突处理后，工作人员很难对实际的处理效果进行准确评价。现有的评价方法执行难度较高，且相关评价参数的获取难度较大，无法及时、准确的获取评价结果，因此会严重影响矿井作业的安全性。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明创造旨在提出一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，以实现降低高压二氧化碳致裂增透和防突效果的评价难度和提升评价结果准确性的目的。[0006] 为达到上述目的，本发明创造采用如下技术方案：[0007] 本发明实施例提供了一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，包括：[0008] 在高压二氧化碳致裂前，获取初始钻孔瓦斯抽采浓度和预设钻孔数量；[0009] 在高压二氧化碳致裂后，获取瓦斯流量衰减系数，根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数；[0010] 获取实际钻孔瓦斯抽采浓度，根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数；[0011] 获取致裂钻孔半径、二氧化碳释放压力和实际致裂影响半径，根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，并根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数；[0012] 获取实际钻孔数量，根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数；[0013] 根据第一影响参数、第二影响参数、第三影响参数、第四影响参数的次序顺次确定各影响参数的优先级，采用优序法计算各影响参数的权重系数，并根据权重系数和影响参数，计算评价结果。[0014] 进一步的，所述根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，包括：[0015] 根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力，分别计算粉碎区半径和裂缝区半径，根据粉碎区半径和裂缝区半径之和确定理论致裂影响半径。[0016] 进一步的，所述粉碎区半径采用如下公式计算：[0017][0018] 其中：rc为粉碎区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kc为煤体动态抗压强度增大系数，σc为煤体单轴静态抗压强度，αc为粉碎区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径；[0019] 所述裂缝区半径采用如下公式计算：[0020][0021] 其中，rf为裂缝区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kt为煤体动态抗拉强度增大系数，σt为煤体单轴静态抗拉强度，αt为裂缝区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径。[0022] 进一步的，所述根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数，采用如下公式计算：[0023] C＝10?|A?B|[0024] 其中，C为第三影响参数，A为理论致裂影响半径，B为实际致裂影响半径。[0025] 进一步的，所述根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数，采用如下公式计算：[0026] F＝10?G×100[0027] 其中，F为第一影响参数，G为瓦斯流量衰减系数。[0028] 进一步的，所述根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数，包括：[0029] 根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算抽采浓度提升百分数，并根据抽采浓度提升百分数采用如下公式计算第二影响参数：[0030] H＝5+I×100[0031] 其中，H为第二影响参数，I为抽采浓度提升百分数。[0032] 进一步的，所述根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数，包括：[0033] 根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算钻孔减少量，并根据钻孔减少量采用如下公式计算第四影响参数：[0034] D＝2+E/10[0035] 其中，D为第四影响参数，E为钻孔减少量。[0036] 相对于现有技术，本发明创造所述的一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法具有以下优势：[0037] 本发明创造所述的一种石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法，能通过瓦斯流量衰减系数、抽采浓度提升百分数、致裂影响半径和钻孔减少量，对高压二氧化碳致裂增透和防突的效果进行评价。与现有评价方法相比，具有易于操作，适用性强，综合性高的特点，能够及时准确的为工作人员提供高压二氧化碳致裂增透和防突处理的评价结果，从而提高矿井作业的安全系数。附图说明[0038] 构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：[0039] 图1为本发明创造实施例所述的石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法的流程图；[0040] 图2为本发明创造实施例根据优序法确定各影响参数权重系数的示意图。具体实施方式[0041] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。[0042] 图1为本发明实施例提供的石门揭煤高压二氧化碳致裂增透和防突效果评价方法的流程图，具体包括以下步骤：[0043] 步骤110、在高压二氧化碳致裂前，获取初始钻孔瓦斯抽采浓度和预设钻孔数量。[0044] 在矿井进行日常作业时，需要在煤层和瓦斯集聚的区域进行钻孔，随后在钻孔上安装专用的管路，并用抽采设备将煤层和采空区中的瓦斯抽至地面。通过抽采瓦斯不仅能降低煤炭开采过程中的瓦斯涌出量，避免发生煤与瓦斯的突出事故，还能变害为利，使瓦斯作为煤炭伴生的资源加以开发利用。由于不同煤层内部的实际情况不同，为方便对高压二氧化碳致裂增透和防突的效果进行评价，应在高压二氧化碳致裂前，获取当前煤层的初始钻孔瓦斯抽采浓度和预设钻孔数量。需要说明的是，本实施例中所述的预设钻孔数量，应是在满足瓦斯抽采量前提下的最小钻孔数量。[0045] 步骤120、在高压二氧化碳致裂后，获取瓦斯流量衰减系数，根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数。[0046] 在进行高压二氧化碳致裂处理后，煤层内部会产生新的裂隙，同时还能使煤层内部的原生裂隙发生扩展，从而增大煤层内的透气性和瓦斯抽采效率。为方便评价高压二氧化碳致裂处理的效果，本实施例在高压二氧化碳致裂后，应获取瓦斯流量衰减系数。所述瓦斯流量衰减系数是指在不受煤炭采动影响的条件下，煤层内钻孔的瓦斯流量随时间呈衰减变化的特性系数。在实际工作过程中，工作人员可在现场对瓦斯流量衰减系数进行测定，并根据瓦斯流量衰减系数，计算第一影响参数。[0047] 可选的，第一影响参数的计算，可采用如下公式进行：[0048] F＝10?G×100[0049] 其中，F为第一影响参数，G为瓦斯流量衰减系数。[0050] 在实际工作过程中，瓦斯流量衰减系数能够反映煤层瓦斯抽放的难易程度。当瓦斯流量衰减系数小于0.003时，可推断煤层内的瓦斯处于容易抽放状态，当瓦斯流量衰减系数介于0.003至0.05之间时，可推断煤层内的瓦斯处于可以抽放状态，当瓦斯流量衰减系数大于0.05时，则可推断煤层内的瓦斯处于可以抽放状态。在评价高压二氧化碳致裂处理的效果时，煤层瓦斯抽放的难度越高，则证明高压二氧化碳致裂处理的效果越差，因此当实际测定的瓦斯流量衰减系数G大于或等于0.1时，可以证明此时煤层内部的瓦斯抽放难度较大，此时可判断高压二氧化碳致裂效果欠佳，故可将第一影响参数判定为0。[0051] 步骤130、获取实际钻孔瓦斯抽采浓度，根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数。[0052] 钻孔瓦斯抽采浓度是评价瓦斯抽采效果的重要参数，且钻孔瓦斯抽采浓度数值越高，则判定抽采效果越好。在进行高压二氧化碳致裂处理后，可根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数，从而以钻孔瓦斯抽采浓度的角度评价高压二氧化碳致裂处理的效果，且抽采浓度提升百分数越高，则证明高压二氧化碳致裂处理的效果越好。[0053] 可选的，在本实施例中可将根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算第二影响参数，具体优化为：根据初始钻孔瓦斯抽采浓度和实际钻孔瓦斯抽采浓度，计算抽采浓度提升百分数，并根据抽采浓度提升百分数，计算第二影响参数。在根据抽采浓度提升百分数计算第二影响参数时，可采用如下公式：[0054] H＝5+I×100[0055] 其中，H为第二影响参数，I为抽采浓度提升百分数。[0056] 步骤140、获取致裂钻孔半径、二氧化碳释放压力和实际致裂影响半径，根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，并根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数。[0057] 在进行高压二氧化碳致裂处理时，煤层内部将在高压气体和应力波的共同作用下，沿致裂钻孔向外依次形成粉碎区、裂缝区和震动区，且在粉碎区和裂缝区内部，将形成新的裂隙和原生裂隙的扩展。因此致裂影响半径的大小将会直接影响高压二氧化碳致裂处理的效果。[0058] 有鉴于此，本实施例将在高压二氧化碳致裂后，获取致裂钻孔半径、二氧化碳释放压力和实际致裂影响半径，根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，并根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，从而计算第三影响参数，进而从致裂影响半径的角度评价高压二氧化碳致裂的处理效果。[0059] 可选的，本实施例中根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力计算理论致裂影响半径，可具体优化为：[0060] 根据致裂钻孔半径和二氧化碳释放压力，分别计算粉碎区半径和裂缝区半径，根据粉碎区半径和裂缝区半径之和确定理论致裂影响半径。[0061] 在计算粉碎区半径时可采用如下公式进行计算：[0062][0063] 其中，rc为粉碎区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kc为煤体动态抗压强度增大系数，σc为煤体单轴静态抗压强度，αc为粉碎区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径。[0064] 在进行实际工作时，粉碎区内部的煤体动态抗压强度增大系数kc可取值为10，煤体单轴静态抗压强度σc可取值为1。煤体侧向压力系数b和粉碎区应力波衰减指数αc则可通过煤体的动态泊松比u进行计算，其中b＝u/(1?u)，αc＝2+u/(1+u)。由于煤体的动态泊松比u通常为静态泊松比的0.8倍，因此可取值为0.24，通过公式化简可得：[0065] rc＝0.3670p0.4318r[0066] 在计算裂缝区半径时可采用如下公式进行计算：[0067][0068] 其中，rf为裂缝区半径，p为二氧化碳释放压力，b为煤体侧向压力系数，kt为煤体动态抗拉强度增大系数，σt为煤体单轴静态抗拉强度，αt为裂缝区应力波衰减指数，r为致裂钻孔半径。[0069] 在实际工作时，裂缝区内部的煤体动态抗拉强度增大系数kt可取值为1，煤体单轴静态抗拉强度σt可取值为0.009。与粉碎区相似的，煤体侧向压力系数b和裂缝区应力波衰减指数αt也可通过煤体的动态泊松比u进行计算，其中b＝u/(1?u)，αt＝2?u/(1?u)，通过公式化简可得：[0070] rf＝8.2703p0.5938r[0071] 由于理论致裂影响半径为粉碎区半径和裂缝区半径之和，因此可根据理论致裂影响半径和实际致裂影响半径，计算第三影响参数。具体的，第三影响参数的计算公式如下：[0072] C＝10?|A?B|[0073] 其中，C为第三影响参数，A为理论致裂影响半径，且A＝rf+rc，B为实际致裂影响半径。由于理论致裂影响半径和实际致裂影响半径之间的差值能够对高压二氧化碳致裂的处理精确度进行判断，因此当理论致裂影响半径A与实际致裂影响半径B之间的差值大于或等于10时，则可判定高压二氧化碳致裂处理的精度过低，从而使本实施例中的第三影响参数取值为0。[0074] 步骤150、获取实际钻孔数量，根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数。[0075] 由于高压二氧化碳致裂处理能够提升煤层内的透气性和瓦斯抽采效率，因此在处理完毕后，煤层内部的实际钻孔数量将少于预设钻孔数量。与此同时，工作人员还能通过钻孔数量的变化对工时占用和钻孔费用进行直观了解，由于钻孔减少量越多，高压二氧化碳致裂处理的费用以及工时消耗越低，因此通过第四影响参数能反映高压二氧化碳致裂处理的费用情况。[0076] 可选的，在本实施例中根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算第四影响参数，可具体优化为：[0077] 根据预设钻孔数量和实际钻孔数量，计算钻孔减少量，并根据钻孔减少量计算第四影响参数。[0078] 相应的，第四影响参数的计算可采用如下公式进行：[0079] D＝2+E/10[0080] 其中，D为第四影响参数，E为钻孔减少量。[0081] 步骤160、根据第一影响参数、第二影响参数、第三影响参数、第四影响参数的次序顺次确定各影响参数的优先级，采用优序法计算各影响参数的权重系数，并根据权重系数和影响参数，计算评价结果。[0082] 附图2为本实施例中根据优序法确定各影响参数权重系数的示意图。如图所示，在计算各影响参数的权重系数时，可根据各影响参数的优先级进行对比，从而生成单项评分。示例性的，当两影响参数的优先级相同时，单项评分为0.5，当一个影响参数的优先级大于另一个影响参数的优先级时，单项评分为1，当一个影响参数的优先级小于另一个影响参数的优先级时，单项评分为0。随后通过每个影响参数的单项和与总项和的比值，即可确定各影响参数的权重系数。[0083] 由于本实施例中各影响参数的优先级排序依次为第一影响参数、第二影响参数、第三影响参数、第四影响参数，因此计算可得第一影响参数的权重系数为43.75％，第二影响参数的权重系数为31.25％，第三影响参数的权重系数为18.75％，第四影响参数的权重系数为6.25％。[0084] 在计算评价结果时，应对各影响参数与其权重系数的乘积进行求和计算，即：[0085] P＝43.75％F+31.25％H+18.75％C+6.25％D[0086] 工作人员可根据总和P的数值，对高压二氧化碳致裂增透和防突效果进行定量评价。相应的，工作人员也可根据工作经验，结合总和P的数值，对高压二氧化碳致裂增透和防突效果进行定性评价，例如：P小于或等于6，则判定高压二氧化碳致裂增透和防突效果为差；P介于6?7之间，则判定高压二氧化碳致裂增透和防突效果为及格；P介于7?8之间，则判定高压二氧化碳致裂增透和防突效果为良；P大于或等于8，则判定高压二氧化碳致裂增透和防突效果为优。[0087] 本实施例通过瓦斯流量衰减系数、抽采浓度提升百分数、致裂影响半径和钻孔减少量等四个因素对高压二氧化碳致裂增透和防突的效果进行评价。能够降低高压二氧化碳致裂增透和防突处理的评价难度，同时能够及时准确的为工作人员提供评价结果，从而提高矿井作业的安全系数。[0088] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

专利地区：山西

专利申请日期：2022-04-26

专利公开日期：2024-11-08

专利公告号：CN114737969B