[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

说明书

本发明公开了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，包括步骤1：未扰动状态煤岩渗透率各向异性测试；步骤2：扰动状态煤岩渗透率各向异性测试；步骤3：瓦斯抽采钻孔布置的模拟优化；建立基于层理效应的真三轴应力条件下动态向项异性渗透率模型；步骤4、对比瓦斯抽采效果，指导布孔作业。通过对煤岩体各向异性渗透率进行全面的试验测试，获得煤层三向渗透率及其动态变化规律，然后结合数值模拟软件模拟钻孔周围瓦斯流动特性，优化钻孔布置参数，为瓦斯钻孔布置提供理论依据和技术指导。

技术领域

本发明涉及工程施工技术领域，具体涉及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。

背景技术

在煤矿五大灾害事故中，瓦斯事故由于其强大的破坏性、较高的致死率，被称为煤矿安全生产的“第一杀手”。瓦斯抽采是防治瓦斯灾害事故的重要手段，而抽采钻孔一直存在合理设置布孔参数的问题。一方面，合理进行瓦斯钻孔布置可以降低经济成本，减缓钻孔瓦斯衰减速度，提高钻孔利用率。另一方面，矿井以往采用经验法布孔存在误差大、钻孔工程量大、抽采效率低下的问题，不利于井下瓦斯的防治。因此，开展瓦斯抽采钻孔布孔参数优化的新方法研究，有助于改进传统粗放的钻孔布置，提高瓦斯抽采效率，保障矿井的安全、高效生产。

现场工程实践中，煤层的渗透率是井下瓦斯抽采钻孔布置的关键控制因素，煤层渗透率与其结构异性和应力状态有关，并受二者耦合作用影响。煤层由沉积作用形成，具有明显的层理特征，而层理间的割理裂隙破坏了煤体的连续性和整体性，从而导致煤层渗透率的各向异性。此外，在原岩应力和构造应力作用下，煤层表现出明显的真三轴应力状态(σ₁＞σ₂＞σ₃)，同样导致了煤层渗透率的各向异性。因此，综合考虑煤层结构特点和外部应力变化引起的煤层渗透率各向异性，并结合井下实际生产工况，对瓦斯抽采钻孔的布置参数、形式等进行合理优化，具有重要的研究价值和工程意义，而此类研究目前鲜见报道。

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害、利用瓦斯资源的重要措施，此类措施的应用起到了较好的治理和综合利用瓦斯的效果，但在实际应用中，在瓦斯抽采钻孔的布置参数选取上具有一定的经验性。现有发明专利或研究成果中，瓦斯抽采钻孔的布置参数主要考虑：钻孔直径、钻孔长度、封孔深度和钻孔间距等，并认为封孔深度和钻孔间距是最重要的两个指标。

我国众多瓦斯抽采钻孔优化研究的一部分，虽然在一定程度上为瓦斯钻孔布置提供了指导，但仍存在一些不足：

(1)煤岩体渗透率的各向异性特点考虑不足。煤岩作为一种沉积岩，层理、裂隙结构发育，这些内部结构的各向异性必然引起渗透率的各向异性，当前的研究方法仅考虑了煤岩体初始渗透率的差异，对煤岩体渗透率各向异性特点缺乏全面认识。

(2)煤岩体三向受力状态认识不足。煤岩体赋存状态复杂，由于地应力和开采扰动等的影响，其受力状态往往为真三轴状态，由此引起的渗透率各向异性研究不足或仍需完善。

(3)对煤岩体外部应力扰动引起的渗透率动态变化研究不足。煤岩体渗透率是外部应力及煤岩内部各向异性共同作用的结果，以往的研究方法通常将这两种因素分开考虑，对二者耦合作用下的渗透率各向异性特性缺乏研究，与井下实际工况差异较大而存在局限性。

综上所述，目前深部煤炭及煤层气开发依然存在很多技术难题，未考虑真三轴采用应力以及裂隙、渗透分布的各向异性特征，或只考虑静态下煤岩渗透率的各向异性，并未考虑真三轴应力影响下动态渗透率各向异性；未考虑煤岩结构异性和应力状态各向异性(双重各向异性)耦合作用的影响，未建立真三轴应力下煤岩动态各向异性渗透率模型，导致现有理论的不适用。

发明内容

本发明旨在提供一种考虑煤岩体渗透率各向异性的瓦斯抽采钻孔布置方法，通过对煤岩体各向异性渗透率进行全面的试验测试，获得煤层三向渗透率及其动态变化规律，然后结合数值模拟软件模拟钻孔周围瓦斯流动特性，优化钻孔布置参数，为瓦斯钻孔布置提供理论依据和技术指导。