[發明專利]一種煤層頂底板含氫流體災害的監測預警方法

有效

• 申請號: 202210060577.6
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114495432B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 翟成;陳清華;徐吉釗;陳江;郝志勇;劉金虎;劉廳;梁玉柱;郭彥;陳龍勛;杜春應;陶旭東
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學;徐州礦務集團有限公司;新疆庫車縣夏闊坦礦業開發有限責任公司;江蘇國能深井安全開采科技有限公司
• 主分類號: G08B21/10
• 分類號: G08B21/10;E21F17/18;G06F17/10
• 代理公司: 徐州蘇越知識產權代理事務所(普通合伙) 32543
• 代理人: 張旭

1.一種煤層頂底板含氫流體災害的監測預警方法，其特征在于，具體步驟為：

a.待所需進行監測預警的煤層工作面開始回采時，超前工作面100m從巷道內向頂板巖層和底板巖層均鉆取多個不同角度的鉆孔，且每個鉆孔的深度均至設計深度位置，其中向頂板巖層鉆取的各個鉆孔設計深度位置為鉆孔到達頂板巖層下界限層；向底板巖層鉆取的各個鉆孔設計深度位置為鉆孔到達底板巖層上界限層；采用泄壓閥對鉆孔進行高壓封孔，并通過巖心取芯器對各個鉆孔進行保壓取芯，獲得多個巖心；同時利用壓力傳感器監測封孔后鉆孔內的流體壓力大小，當超過安全閾值時自動開啟泄壓閥，將多余的壓力流體排出；

b.采用低場核磁共振技術對一個巖心在初始、完全飽水/飽氣、離心及完全干燥四種狀態時的T₂弛豫分布進行監測，其中對完全飽水、離心兩種狀態下巖心測試能獲得束縛水、自由水分布特征及T₂截止值；對初始、完全干燥兩種狀態下巖心測試能獲得巖心含水率及巖體骨架孔隙分布；然后利用多態聯測法對同一巖心不同狀態的T₂弛豫曲線幅值作差，進而得到巖心內不同尺度孔隙占比及孔隙率特征參數，同時對不同圍壓條件下含氣巖心測試獲得瓦斯氣體不同賦存特征數據；然后重復本步驟能對多個巖心進行測試，取平均值后最終得到多個巖心所處位置的巖體內不同尺度孔隙占比及孔隙率特征參數，及巖體內瓦斯氣體不同賦存特征數據；

c.采用壓汞法對步驟b測試后巖心的碎塊進行高壓測試，通過毛管力曲線獲得巖心孔喉半徑r分布，利用冪函數構建T₂弛豫時間分布與孔喉半徑r分布間的基準關聯模型，具體為：

T₂＝M*r^N

其中，M＝aln(T_2gⁱ)+b，N＝c(T_2gⁱ)^d，a、b、c、d分別為擬合曲線特征系數；T_2gⁱ為不同狀態巖心的核磁T₂譜幾何平均值；T_2,j和A_j分別為弛豫曲線上某一特定弛豫時間值及該T₂弛豫點所對應的幅值；T為不同狀態巖心所測得的最大T₂弛豫值；

進而根據獲得的模型計算得到不同含水狀態巖心內多尺度孔喉分布，然后綜合分析不同含水狀態巖心的核磁孔喉分布直方圖與壓汞孔喉半徑r分布直方圖的相似規律及差異性；同時分析獲得不同圍壓條件下含氣巖心內部游離態和吸附態的瓦斯占比；

d.采用電法儀分別對頂板巖層和底板巖層各個位置獲取的巖心進行電阻率測試，并將獲得各個巖心的電阻率統計匯總，接著通過數值模擬方法反演分別得到頂板巖層和底板巖層的飽和度分布特征，同時將各個位置巖心均在完全干燥和完全飽水兩種狀態下獲取其電阻率，將各個位置巖心的電阻率在完全干燥和完全飽水獲取的電阻率與其初始測定的電阻率進行散點擬合，構建頂底板巖層的電阻率變化率P與飽和度Q之間的理論模型，具體為：

其中，S_i、α_i分別為未知參數和含水/氣飽和度；設巖心是由基質系統和孔裂隙系統兩部分組成，其中孔裂隙系統分成含有孔隙和裂隙兩類，則和分別為孔隙和裂隙大小的量度系數；

最后將步驟b獲得的T₂弛豫分布、步驟c獲得的孔喉半徑r分布及電阻率變化率P三類參數進行關聯性擬合，通過數值推演得到頂板巖層和底板巖層內水/氣源空間分布、流體潛在運移路徑、及巖層內孔隙結構特征；

e.結合已知的地質構造統計信息，利用微震在線監測技術通過在監測鉆孔內布置微震傳感器，監測采動過程中頂板巖層和底板巖層破壞帶發育及能量釋放過程，通過空間三維定位方法對斷裂帶進行可視化表征；并基于深度學習方法采用matlab軟件編程對步驟b至d獲得的各個巖心數據輸入BP神經網絡進行測試和訓練，使BP神經網絡建立步驟b至d各個數據之間相互關系的數據模型，從而在后續未探測區域中僅需采用步驟b至d中任一步驟或幾個步驟，進而獲取該區域單一或幾個獨立數據輸入該數據模型后，即能對未探測區域頂底板巖層的含氫流體的情況及災害孕育程度進行預警提示。

2.根據權利要求1所述的一種煤層頂底板含氫流體災害的監測預警方法，其特征在于，所述巖心為直徑20mm、長度50mm的圓柱體。

3.根據權利要求1所述的一種煤層頂底板含氫流體災害的監測預警方法，其特征在于，所述步驟a中向頂板巖層鉆取五個鉆孔，五個鉆孔處于同一巷道截面上，其中一個鉆孔為中心鉆孔，其與頂板垂直呈90°夾角；其余四個鉆孔對稱設置在中心鉆孔兩側，且每側兩個鉆孔的位置均分中心鉆孔與頂板之間的夾角；底板巖層鉆取的鉆孔數量與布設方式與頂板巖層相同。