考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法与流程

本发明属于煤矿本煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法。

背景技术：

本煤层顺层钻孔预抽瓦斯是煤矿瓦斯治理的重要技术手段之一。影响本煤层顺层钻孔预抽瓦斯效果的主要因素除了煤层自身瓦斯含量外，还取决于煤层的渗透率及钻孔抽采工艺参数(布孔方位、布孔密度、钻孔深度、钻孔直径、抽采负压等)。其中，提高煤层渗透率是一个世界性难题，虽经多年研究也未能取得普适性的显著效果；此外传统的本煤层顺层钻孔预抽瓦斯方法和工艺，存在着钻孔施工量大、施工速度慢、工期长、钻孔利用率低、单孔抽采量小、抽采率低、抽采周期长、抽采盲区等问题，这些问题很容易导致矿井抽掘采比例失调，影响矿井生产接续，不能满足矿井安全生产需要。因此，在时间紧、工程量大的情况下，依靠顺层长距离定向钻孔预抽瓦斯技术可以解决这些矛盾。虽然顺层长距离定向钻孔预抽煤层瓦斯技术具有的优势使其拥有较高的推广价值，但是钻孔抽采缺乏科学、合理的设计方案，一些抽采技术参数，如布孔方位、钻孔间距、抽采负压等的选取多依靠传统设计思路和经验，更未考虑煤层渗透率的各向异性特征。因此，深入研究考虑各向异性的煤渗透率演化模型，研发基于各向异性煤渗透率演化模型的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序，提出一套考虑煤层渗透率各向异性的本煤层顺层钻孔预抽瓦斯优化设计方法，对充分发挥顺层长距离定向钻孔预抽瓦斯技术的优势，促进煤矿瓦斯治理水平的提高具有重要的理论和现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据建立的考虑各向异性的煤渗透率演化模型，研发基于各向异性煤渗透率演化模型的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序，最终给出可以准确预测瓦斯抽采量和预抽期的考虑各向异性本煤层顺层瓦斯钻孔布孔方案。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法，具体包括以下步骤：

1)在目的煤层工作面采集体积大于等于15cm*15cm*15cm的大块煤样，并现场标定所采集煤样的准确空间位置(具体包括煤样上下边界线距离顶底板的距离、煤样的空间方位、煤样与巷道的位置关系)，并在矿井地质资料相应部分给予标注；

2)将所采集的煤样运回实验室，利用实验机套取直径5cm，长度10cm的不同方位的圆柱形煤样，进而利用这些煤样测定煤层渗透率的各向异性特点，同时利用碎煤测定煤的各项基础参数；

3)根据矿井地质资料分析煤层赋存产状，并在矿井地质资料上标注具体同一煤层不同区域煤层的最大渗透率方向；

4)综合分析矿井地质资料结果和渗透率实验测试结果，确定具体区域煤层的最大渗透率方向，进而确定出钻孔的布孔方位，钻孔的布孔方位应保证钻孔轴向与最大渗透率方向垂直；

5)在大规模施工钻孔之前，先打部分实验钻孔并记录钻孔布孔参数以及抽采流量变化。采用研发的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序对抽采流量进行拟合，并初步确定能够代表煤层的模拟参数；

6)应用初步确定的模拟参数对其它钻孔的流量数据进行拟合，根据拟合结果的好坏确定能够反映煤层特征的模拟参数，若拟合结果较好，则可选定这些参数作为模拟参数，若拟合结果不理想，则需要继续再打实验钻孔进行模拟参数调整；

7)应用最终确定的模拟参数对预先对抽采方案进行数值模拟，确定合理的钻孔孔深、孔间距、负压等参数，并预测瓦斯抽采量和预抽期；

8)施工考虑了煤层渗透率各向异性的本煤层瓦斯抽采钻孔，根据矿区实际条件，选择合适的钻孔施工和后期维护工艺；

9)抽采过程中及时记录抽采数据并对比分析实际抽采效果与预测结果之间的差异，以便为后续的抽采设计调整提供指导；

所述的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序是在三维非均匀网格有限差分数值模型的基础上应用c++语言开发的，其中三维非均匀网格有限差分数值模型是根据考虑各向异性的煤层瓦斯流动控制方程所建立的。

所述的考虑各向异性的煤层瓦斯流动控制方程是基于煤各向异性煤渗透率模型对煤层瓦斯流动控制方程进行修正得到的。

本发明的有益效果：本发明的通过理论建模、数值模拟以及实验现场数据对比提出了一套合理的考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法，其主要优点有：

(1)考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法克服了以往本煤层钻孔抽采钻孔布孔设计缺乏理论支撑的盲目性，提高了钻孔的合理有效利用率。

(2)基于煤层渗透率各向异性所得出的布孔方案，可显著提高瓦斯抽采量，现场数据显示最大的单孔抽采量提高可达20倍，最小也提高数倍的显著抽采效果，将该本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法应用于神华集团高瓦斯煤矿顺层长钻孔预抽瓦斯设计与实践，应用效果显著。

(3)利用煤层瓦斯三维流动数值模拟程序可预先准确预测瓦斯抽采量和预抽期，为矿井采掘接续计划的安排提供依据。

附图说明

图1是本发明的大块煤样取样示意图；

图2是本发明的大块煤样取样位置示意图；

图3是本发明的瓦斯钻孔布孔示意图；

图4是本发明的最大渗透率方向与钻孔关系示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述

本发明的考虑渗透率各向异性的本煤层顺层瓦斯钻孔设计方法，如图1-图4所示，具体实施步骤如下：

(1)在目的煤层2采集大块煤样5，并现场标定所采集煤样的准确空间位置，具体包括煤样距离顶板1的距离h1和煤样距离底板3的距离h2；煤样的空间方位通过与巷道一致的三维坐标系标注，其中x方向为煤层的走向方向，y方向为煤层的倾向方向，z方向为煤层的垂向方向；同时记录大块煤样5与巷道4的位置关系，并在矿井地质资料相应部分给予标注。

(2)将所采集的大块煤样5运回实验室，利用实验机套取直径5cm，长度10cm的不同方位的圆柱形煤样，套取圆柱形煤样时记录煤样的轴线方向，分别记录为x方向、y方向和z方向，进而测定煤层渗透率的各向异性特点，测试结果显示煤层走向方向(x方向)渗透率最大，倾向方向(y方向)渗透率次之，垂向方向(z方向)渗透率最小，同时利用所取煤样测定各项基础参数。

(3)根据矿井地质资料中煤层的赋存产状，并在矿井地质资料上标注具体同一煤层不同区域煤层201，202和203的最大渗透率方向6。

(4)综合分析矿井地质资料结果和渗透率实验测试结果，综合分析矿井地质资料结果和渗透率实验测试结果，确定同一煤层不同区域煤层的最大渗透率方向，其中区域煤层201，202和203的最大渗透率方向6分别与煤壁成夹角(90°-α)、(90°-β)和(90°-γ)，从而可确定出各区域煤层钻孔的布孔方位角，钻孔轴向应与最大渗透率方向垂直，其中区域煤层201，202和203钻孔的布孔方位角分别为α，β和γ。

(5)在大规模施工钻孔之前，先打部分实验钻孔并记录钻孔布孔参数以及抽采流量变化。采用研发的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序对抽采流量进行拟合，并初步确定能够代表煤层的模拟参数。

(6)应用初步确定的模拟参数对其它钻孔的流量数据进行拟合，根据拟合结果的好坏确定能够反映煤层特征的模拟参数，若拟合结果较好，则可选定这些参数作为模拟参数，若拟合结果不理想，则需要继续再打实验钻孔进行模拟参数调整。

(7)应用最终确定的模拟参数对预先对抽采方案进行数值模拟，确定合理的钻孔孔深、孔间距、负压等参数，并预测瓦斯抽采量和预抽期。

(8)施工考虑了煤层渗透率各向异性的本煤层瓦斯抽采钻孔，根据矿区实际条件，选择合适的钻孔施工和后期维护工艺。

(9)抽采过程中及时记录抽采数据并对比分析实际抽采效果与预测结果之间的差异，以便为后续的抽采设计调整提供指导。