申请/专利权人：贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司

申请日：2021-09-02

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN113723026B

主分类号：G06F30/28

分类号：G06F30/28;G06F17/11;G06F17/15;G06F17/18;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2021.12.17#实质审查的生效;2021.11.30#公开

摘要：本发明公开了一种隧道掌子面前方煤层瓦斯涌出量预算方法，首先，根据区域地质资料、工程地质勘查报告、工程地质平面图与纵断面图、煤层地表钻探资料，掌握煤层埋深、煤层厚度、瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数基本参数；然后，根据煤层埋深计算煤层所受围压力大小及分布情况；再者，基于煤层瓦斯流动理论以及煤层渗透率、围压力、瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数相互间的关系，建立煤层瓦斯流动数学模型；最后，借助现有计算机数值分析软件对该模型进行求解，预算隧道开挖掌子面揭露煤层时的瓦斯涌出量。本发明的方法考虑了地应力、瓦斯流场和煤层透气性对瓦斯涌出量的影响，较为客观地反映了隧道掌子面揭露煤层时前方煤层的瓦斯涌出规律。

主权项：1.一种隧道掌子面前方煤层瓦斯涌出量预算方法，其特征在于：首先，根据区域地质资料、工程地质勘查报告、工程地质平面图与纵断面图、煤层地表钻探资料，掌握煤层埋深、煤层厚度、瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数基本参数；然后，根据煤层埋深计算煤层所受围压力大小及分布情况；再者，基于煤层瓦斯流动理论以及煤层渗透率、围压力、瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性系数相互间的关系，建立煤层瓦斯流动数学模型；最后，借助现有计算机数值分析软件对该模型进行求解，预算隧道开挖掌子面揭露煤层时的瓦斯涌出量；具体包括有以下几个步骤：1掌子面前方煤层所受围压力大小及分布情况计算确定掌子面前方位置的应力集中系数n，利用式1计算出煤层所受的围压力大小：σ＝nγH10001式中，σ为煤层围压力，单位为MPa；n为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，取25kNm3；H为煤层埋深，单位为m；将计算得到的围压力数据通过插值函数进行处理，得到煤层所受围压力分布方程f；2煤层瓦斯流动数学模型构建煤层中瓦斯流动符合达西定律： 式中，u为煤层瓦斯流速，单位为ms；K为煤层渗透率，单位为m2；μ为瓦斯动力粘度，取1.08×10-11MPa·s；p为煤层瓦斯压力，单位为MPa；r为煤层内部煤体距离球壳中心O的距离，单位为m；煤层渗透率与围应力、瓦斯压力和透气性系数的关系：K＝K0σ-p-2＝2μpnλ3式中，σ为煤层围压力，单位为MPa；pn为1个大气压，取O.1MPa；λ为煤层透气性系数，单位为m2MPa2·d；K0为实验回归系数，可通过煤层原始瓦斯压力、围压力和透气性系数反算求取；其余符号同上；将式3代入式2得： 隧道揭露煤层时掌子面前方煤层瓦斯流动属于典型的球向流动，且瓦斯气体在煤层中的流速很小，可将其视为不可压缩流体，由质量守恒定律得到： 式中，X为煤层瓦斯含量，单位为m3m3；t为瓦斯流动时间，单位为s；其余符号同上；瓦斯含量与压力的关系： 式中，α为煤层瓦斯含量系数，单位为m3m3·MPa0.5，其余符号同上；将式4和式6代入式5可得隧道掌子面前方煤层瓦斯流动数学模型： 初始条件：t＝0时，p＝p0，r0＜r＜∞；边界条件：r＝r0时，p＝pn，0＜t＜∞；r→∞，p＝p0，O＜t＜∞：式中，p0为煤层原始瓦斯压力，单位为MPa；r0为隧道开挖半径，单位为m，其余符号同上，式7借助计算机数值分析软件进行求解；将瓦斯气体当作理想气体，煤层内的瓦斯流动视为等温过程，由气体状态方程有： 式中，Un为掌子面前方煤层瓦斯涌出速率，单位为ms；其余符号同上；将式4代入式8可得掌子面前方煤层瓦斯涌出量： 式中，Q为隧道掌子面前方煤层瓦斯涌出量，单位为m3min；A为瓦斯流过的面积，单位为m2；其余符号同上。

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