[发明专利]基于真三向应力和渗透率动态变化的瓦斯钻孔布置方法

权利要求书

1.一种基于真三向应力和渗透率动态变化的瓦斯钻孔布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：未扰动状态煤岩渗透率各向异性测试；

1.1、实测获得煤层赋存区域的地质资料，包括地应力状态、煤层走向、倾向、倾角；

1.2、根据煤层分布切割大块原煤，在实验室对原煤块体进行加工，沿垂直煤层层理方向，制备出试样；

1.3、根据煤层倾角与实测地应力数值，进行应力变换，获得层理正交方向的应力值：

式中：σ_v为实测垂直地应力；σ_h为实测最小水平地应力；σ_H为实测最大水平主应力；σ₁、σ₂、σ₃为变换后的三向应力；θ为煤层倾角；

1.4、未扰动应力状态下试样渗透率测试；

A)装样：将加工制备的试样放置于真三轴气固耦合试验系统的压力室内，在试样上安装高精度传感器，连接好数据传输线，完成装样后将压力室归位；

B)应力状态控制：根据实测原岩应力状态，以经过应力变换后的应力值为赋值依据，通过计算机控制高精度伺服液压系统，对试样施加三向应力；

C)气体吸附平衡：保持应力状态，向试样内通入瓦斯气体，直至达到吸附平衡状态时停止通气；

D)通气管道位置不变，通过旋转调整试样方向，重复B)、C)操作，实现沿试样层理方向和垂直层理方向注气；

E)未扰动状态下渗透率测试：保持试样三向应力恒定，仅改试样层理和气流方位关系，测试其初始渗透率，获得并记录试样渗透率各向异性数据，以此模拟煤岩体由其自身结构异性引起的渗透率各向异性特征；

步骤2：扰动状态煤岩渗透率各向异性测试；

步骤2.1、2.2、2.3及步骤2.4中A)、B)、C)、D)与步骤1.1、1.2、1.3及步骤1.4中A)、B)、C)、D)相同；

步骤2.4的E)、动态改变试样三向应力状态，进行扰动应力状态下试样渗透率测试；改变试样层理和气流方位关系，包括垂直和水平两种方位关系，同时对试样三个方向主应力进行适当的加卸载，测试其渗透率，获得并记录试样渗透率各向异性数据，以此模拟煤岩体受外部应力扰动和自身结构异性共同作用下的渗透率各向异性特征；

步骤3：瓦斯抽采钻孔布置的模拟优化；

3.1、在数值模拟软件中建立煤岩体模型，在模型上设置瓦斯钻孔，选择合适的尺寸进行网格划分；

3.2、对所建立模型设置符合实际的边界条件，包括入口压力、出口压力、弹性模量、孔隙率、动力粘度；

3.3、分别以步骤1和步骤2中最终测得的渗透率各向异性数据为依据，导入基于层理效应的真三轴应力条件下动态各向异性渗透率模型中，并进行软件计算，基于层理效应的真三轴应力条件下动态各向异性渗透率模型如下：

式中：为x、y、z方向的均一化渗透率；λ为层理结构引起的煤岩结构各向异性比；为煤体初始裂隙率；Δε_s为吸附体应变增量，％；Δε_i(i＝x,y,z)分别为煤岩体在外力影响下x、y、z方向的应变增量；分别为煤体在x、y、z方向的弹性模量折减比，E_i和分别为煤体和煤基质的杨氏模量，MPa；

3.4、提取模拟结果，通过数值模拟手段，获得钻孔瓦斯流量、有效抽采半径、有效抽采时间、瓦斯涌出压力变化曲线的相关数据；

3.5、模拟结果分析，根据结果适当修正钻孔布置形式和参数，重新执行3.1—3.4操作步骤，直到确定理想条件下的钻孔布置参数范围；

步骤4、对比瓦斯抽采效果，指导钻孔作业；

以数值模拟钻孔布置参数为理论依据，结合现场地质工况，确定适用于不同现场实际条件的瓦斯钻孔布置参数范围，进行井下现场试验，并对现场瓦斯抽采效果进行评估；

综合数值模拟和现场钻孔测试结果，分析瓦斯抽采效果的差异性及其原因，进而对数值模拟和现场施工方案反复优化，逐步确定最优化的钻孔布置参数范围，最终指导瓦斯钻孔作业。

2.按照权利要求1所述的基于真三向应力和渗透率动态变化的瓦斯钻孔布置方法，其特征在于：所述步骤3中的数值模拟软件为Comsol Multiphysics。