[发明专利]一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法

说明书

本发明公开了一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，根据测量的实验煤层物理力学参数，采用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；然后得出各自钻孔半径下的模拟塑性区半径；并得出上述选择的不同钻孔半径下的计算模型区半径；然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律；接着在实验煤层上划分抽采区域，测量相同时间内不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量和瓦斯纯流量；最后得出混合流量相对钻孔塑性区半径差值的变化量及纯流量相对钻孔塑性区半径差的变化量；根据变化量数据，确定两者变化量最大值对应的塑性区半径为最佳塑性区范围。从而为松软煤层抽采钻孔提供数据支撑。

技术领域

本发明涉及一种塑性区最佳范围的确定方法，具体是一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法。

背景技术

钻孔抽采瓦斯，就是通过向煤层施工大量密集钻孔，实现煤体卸压，同时排放瓦斯，释放其潜能，降低瓦斯压力及含量，从而达到消除突出危险性的目的。当在煤层中进行钻孔施工时，钻孔周围的煤体应力状态就会发生改变，钻孔内壁会形成自由面，瓦斯逐渐向钻孔方向迁移，孔洞周边煤体发生卸压膨胀，进一步引发孔洞周边煤体发生塑性破坏使得钻孔卸压范围扩大。如图2所示，塑性区是瓦斯向钻孔方向迁移时经过的区域，塑性区的范围影响了瓦斯抽采效果。因此为了达到最佳的抽采效果，确定钻孔周围煤体最佳塑性区范围就显得很重要。

对松软煤层说，若钻孔周围煤体的塑性区范围过小，瓦斯运移会受到阻碍，导致瓦斯抽采效果较差；若钻孔周围煤体的塑性区范围过大，就会导致钻孔进行瓦斯抽采过程中发生塌孔现象，因此需要确定最佳的塑性区范围，达到安全高效抽采瓦斯的目的。塑性区范围可以用塑性区半径来表示。目前，国内一些学者已经对塑性区进行了一些研究，如专利号CN201811601073.0的发明，根据实测的塑性区大小和模拟的塑性区大小的偏离程度，修正巷道的模拟的塑性区大小，获得巷道的塑性区范围；又如专利号CN201510887909.8的发明，可以实时进行数据的采集测量，能够准确有效地模拟巷道围岩塑性区的分布特征与分布规律。但是上述方法或者装置针对的对象为巷道，并且只能研究已开挖巷道围岩的塑性区分布规律，并不能直接用于钻孔抽采瓦斯的塑性区确定，从而无法确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，通过模拟塑性区半径对计算塑性区半径进行修正，得出钻孔半径与实际塑性区半径的变化规律，然后根据不同塑性区半径对应的瓦斯混合流量及瓦斯纯流量，最终确定最佳塑性区范围，从而为松软煤层抽采钻孔提供数据支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种确定松软煤层抽采钻孔最佳塑性区范围的方法，具体步骤为：

A、测量及计算所需实验煤层的物理力学参数，所述参数包括弹性模量、体积模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度；

B、基于步骤A得到的各个物理力学参数，利用COMSOL模拟软件建立钻孔围岩模型；

C、选择多个不同钻孔半径，利用COMSOL软件在钻孔围岩模型内模拟各个不同钻孔半径下的塑性区范围分布云图，进而确定各个不同钻孔半径下的模拟塑性区半径；

D、利用已知的塑性区半径计算公式求出步骤C中多个不同钻孔半径的计算塑性区半径，所述塑性区半径计算公式为：

式中：R_p为计算塑性区半径；P为原岩应力；a为钻孔半径；C为煤体的内聚力；Φ为煤体的内摩擦角；其中，P、C和Φ均为步骤A测得的常数；

然后根据模拟塑性区半径修正塑性区半径计算公式，找出塑性区范围随钻孔半径的实际变化规律，具体为：