[發明專利]基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法

有效

• 申請號: 202110057078.7
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112727534B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 蔣長寶;段敏克;魏文輝;李揚;張東明;楊陽;陳昱霏;王一帆;楊巍;李琳;楊博文;付銀蘭;汪波濤;孫奇
• 申請（專利權）人: 重慶大學;鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;E21F7/00;E21B49/00;E21B43/30
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 譚小容

本發明公開了一種基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法，包括步驟1：未擾動狀態煤巖滲透率各向異性測試；步驟2：擾動狀態煤巖滲透率各向異性測試；步驟3：瓦斯抽采鉆孔布置的模擬優化；建立基于層理效應的真三軸應力條件下動態向項異性滲透率模型；步驟4、對比瓦斯抽采效果，指導布孔作業。通過對煤巖體各向異性滲透率進行全面的試驗測試，獲得煤層三向滲透率及其動態變化規律，然后結合數值模擬軟件模擬鉆孔周圍瓦斯流動特性，優化鉆孔布置參數，為瓦斯鉆孔布置提供理論依據和技術指導。

技術領域

本發明涉及工程施工技術領域，具體涉及一種基于真三向應力和滲透率動態變化的瓦斯鉆孔布置方法。

背景技術

在煤礦五大災害事故中，瓦斯事故由于其強大的破壞性、較高的致死率，被稱為煤礦安全生產的“第一殺手”。瓦斯抽采是防治瓦斯災害事故的重要手段，而抽采鉆孔一直存在合理設置布孔參數的問題。一方面，合理進行瓦斯鉆孔布置可以降低經濟成本，減緩鉆孔瓦斯衰減速度，提高鉆孔利用率。另一方面，礦井以往采用經驗法布孔存在誤差大、鉆孔工程量大、抽采效率低下的問題，不利于井下瓦斯的防治。因此，開展瓦斯抽采鉆孔布孔參數優化的新方法研究，有助于改進傳統粗放的鉆孔布置，提高瓦斯抽采效率，保障礦井的安全、高效生產。

現場工程實踐中，煤層的滲透率是井下瓦斯抽采鉆孔布置的關鍵控制因素，煤層滲透率與其結構異性和應力狀態有關，并受二者耦合作用影響。煤層由沉積作用形成，具有明顯的層理特征，而層理間的割理裂隙破壞了煤體的連續性和整體性，從而導致煤層滲透率的各向異性。此外，在原巖應力和構造應力作用下，煤層表現出明顯的真三軸應力狀態(σ₁＞σ₂＞σ₃)，同樣導致了煤層滲透率的各向異性。因此，綜合考慮煤層結構特點和外部應力變化引起的煤層滲透率各向異性，并結合井下實際生產工況，對瓦斯抽采鉆孔的布置參數、形式等進行合理優化，具有重要的研究價值和工程意義，而此類研究目前鮮見報道。

瓦斯抽采是防治瓦斯災害、利用瓦斯資源的重要措施，此類措施的應用起到了較好的治理和綜合利用瓦斯的效果，但在實際應用中，在瓦斯抽采鉆孔的布置參數選取上具有一定的經驗性。現有發明專利或研究成果中，瓦斯抽采鉆孔的布置參數主要考慮：鉆孔直徑、鉆孔長度、封孔深度和鉆孔間距等，并認為封孔深度和鉆孔間距是最重要的兩個指標。

我國眾多瓦斯抽采鉆孔優化研究的一部分，雖然在一定程度上為瓦斯鉆孔布置提供了指導，但仍存在一些不足：

(1)煤巖體滲透率的各向異性特點考慮不足。煤巖作為一種沉積巖，層理、裂隙結構發育，這些內部結構的各向異性必然引起滲透率的各向異性，當前的研究方法僅考慮了煤巖體初始滲透率的差異，對煤巖體滲透率各向異性特點缺乏全面認識。

(2)煤巖體三向受力狀態認識不足。煤巖體賦存狀態復雜，由于地應力和開采擾動等的影響，其受力狀態往往為真三軸狀態，由此引起的滲透率各向異性研究不足或仍需完善。

(3)對煤巖體外部應力擾動引起的滲透率動態變化研究不足。煤巖體滲透率是外部應力及煤巖內部各向異性共同作用的結果，以往的研究方法通常將這兩種因素分開考慮，對二者耦合作用下的滲透率各向異性特性缺乏研究，與井下實際工況差異較大而存在局限性。

綜上所述，目前深部煤炭及煤層氣開發依然存在很多技術難題，未考慮真三軸采用應力以及裂隙、滲透分布的各向異性特征，或只考慮靜態下煤巖滲透率的各向異性，并未考慮真三軸應力影響下動態滲透率各向異性；未考慮煤巖結構異性和應力狀態各向異性(雙重各向異性)耦合作用的影響，未建立真三軸應力下煤巖動態各向異性滲透率模型，導致現有理論的不適用。

發明內容

本發明旨在提供一種考慮煤巖體滲透率各向異性的瓦斯抽采鉆孔布置方法，通過對煤巖體各向異性滲透率進行全面的試驗測試，獲得煤層三向滲透率及其動態變化規律，然后結合數值模擬軟件模擬鉆孔周圍瓦斯流動特性，優化鉆孔布置參數，為瓦斯鉆孔布置提供理論依據和技術指導。