一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法技术

本发明专利技术公开了一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，包括以下步骤：一、待研究煤层地质参数的获取；二、构建考虑煤体渗透率动态演化的瓦斯抽采数学模型；三、钻孔参数设计方案的获取；四、构建煤岩体模型并获取钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的回归模型；五、钻孔参数的优化及获取钻孔参数等值线图；六、待研究煤层的现场钻孔抽采。本发明专利技术方法步骤简单，设计合理，基于钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比最优化钻孔参数，实现抽采负压、钻孔直径和钻孔间距的优化，改善瓦斯抽采效果，降低施工成本的前提下保障煤层瓦斯抽采达标，实现煤层瓦斯精准抽采，为现场抽采钻孔布置提供了理论依据和技术指导。技术指导。技术指导。

【技术实现步骤摘要】
一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法


[0001]本专利技术属于煤层瓦斯抽采
，尤其是涉及一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法。

技术介绍

[0002]我国大部分矿区瓦斯含量较高，瓦斯灾害防控压力大，制约矿井安全生产。钻孔抽采煤层瓦斯技术是降低瓦斯含量，预防瓦斯事故，实现煤炭安全开采的根本措施。其中，钻孔抽采煤层瓦斯技术在矿井瓦斯治理方面应用效果显著。针对煤层瓦斯赋存的区域性特点，关键是精准确定钻孔布置参数，实现煤层瓦斯抽采达标，这对防治矿井瓦斯灾害具有重要意义。
[0003]采用钻孔抽采煤层瓦斯时，钻孔参数的合理性直接影响煤层瓦斯抽采效果，这关乎抽采区域能否在设定时间内抽采达标，同时还影响钻孔施工量。现有抽采技术中钻孔参数判定指标主要为有效抽采半径，该指标可用于确定钻孔间距，而对于抽采负压、钻孔直径等抽采工艺参数，目前没有明确的判定方法，其参数选择多依赖于现场抽采经验，导致钻孔参数设计缺乏理论依据，易造成钻孔施工量偏多，施工成本提高，抽采不达标等问题，无法实现煤层瓦斯精准抽采。
[0004]因此，现如今缺少一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，实现抽采负压、钻孔直径、钻孔间距的优化，降低施工成本的前提下保障煤层瓦斯抽采达标，实现煤层瓦斯精准抽采。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其方法步骤简单，设计合理，基于钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比最优化钻孔参数，实现抽采负压、钻孔直径和钻孔间距的优化，改善瓦斯抽采效果，降低施工成本的前提下保障煤层瓦斯抽采达标，实现煤层瓦斯精准抽采，为现场抽采钻孔布置提供了理论依据和技术指导。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0007]步骤一、待研究煤层地质参数的获取：
[0008]步骤101、勘探获得待研究煤层区域地质参数；其中，所述待研究煤层区域地质参数包括煤体密度ρ
c
、弹性模量E、剪切模量G、泊松比v、有效应力系数β、煤体温度T、煤体初始孔隙率煤体的体积模量K
s
、瓦斯摩尔质量M、朗格缪尔体积吸附常数a、朗格缪尔压力吸附常数b、瓦斯动力粘性系数u、瓦斯的扩散系数D、瓦斯的解吸扩散系数τ、标椎状态下瓦斯密度ρ
ga
、摩尔气体常数R1；
[0009]步骤102、获取待研究煤层的垂直地应力F；
[0010]步骤103、对待研究煤层进行瓦斯含量测量，得到待研究煤层的最小瓦斯含量和待
研究煤层的最大瓦斯含量；
[0011]对待研究煤层进行透气性系数测量，得到待研究煤层的最小透气性系数和待研究煤层的最大透气性系数；
[0012]步骤104、设定待研究煤层划分为I个煤层抽采区，并设定第i个煤层抽采区的抽采时间为第i个预设抽采时间；其中，i为正整数，1≤i≤I；
[0013]步骤二、构建考虑煤体渗透率动态演化的瓦斯抽采数学模型：
[0014]步骤201、采用计算机构建含瓦斯煤体渗透率动态演化模型，如下：
[0015]其中，k表示抽采后任意时刻煤体渗透率，k0表示煤体初始渗透率，表示煤体初始孔隙率，ε
v0
表示煤体初始体应变，p0表示煤体初始瓦斯压力，ε
s0
表示煤体初始吸附应变，ε
v
表示抽采后任意时刻煤体的体应变；p表示煤体抽采后任意时刻瓦斯压力，ε
s
表示抽采后任意时刻煤体吸附应变；
[0016]步骤202、采用计算机构建煤体瓦斯扩散渗流控制模型，如下：
[0017][0018]其中，c表示抽采后任意时刻煤体吸附态瓦斯含量，表示对时间t的偏导，表示Nabla算子，D表示瓦斯扩散系数，c
r
表示吸附态瓦斯在煤体抽采后瓦斯压力为p时的含量；
[0019]步骤三、钻孔参数设计方案的获取：
[0020]步骤301、确定钻孔参数设计方案因素，并将钻孔参数设计方案因素作为响应面试验因素；其中，所述响应面试验因素包括瓦斯含量、透气性系数、抽采负压、钻孔直径和钻孔间距；
[0021]步骤302、设定待研究煤层的最小抽采负压和待研究煤层的最大抽采负压、待研究煤层的最小钻孔直径和待研究煤层的最大钻孔直径以及待研究煤层的最小钻孔间距和待研究煤层的最大钻孔间距；
[0022]步骤303、采用计算机利用中心组合设计方法，获取5因素5水平值不同组合下的钻孔参数设计方案；其中，钻孔参数设计方案的总数为M，M为正整数，且M所述钻孔参数设计方案均位于待研究煤层的最小瓦斯含量和待研究煤层的最大瓦斯含量、待研究煤层的最小透气性系数和待研究煤层的最大透气性系数、待研究煤层的最小抽采负压和待研究煤层的最大抽采负压、待研究煤层的最小钻孔直径和待研究煤层的最大钻孔直径以及待研究煤层的最小钻孔间距和待研究煤层的最大钻孔间距范围中；
[0023]步骤四、构建煤岩体模型并获取钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的回归模型：
[0024]步骤401、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立煤岩体模型，并输入步骤101中待研究煤层区域地质参数；其中，所述煤岩体模型为立方体，煤岩体模型的宽度方向沿煤层回采方向，煤岩体模型的长度方向沿进风巷至回风巷之间的直线方向；
[0025]步骤402、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件设置煤岩体模型顶部施加均布载荷，煤岩体模型的底部设置为固定边界，煤岩体模型的四周设置为滑动边界，煤岩体模型中巷道煤壁暴露面设置为自由边界；其中，煤岩体模型顶部施加均布的载荷等于待研究煤层的垂直地应力F；
[0026]步骤403、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件在煤岩体模型中设置两个平行布设的钻孔，并设置两个钻孔间的测线；其中，两个所述钻孔为顺层钻孔，两个所述钻孔之间设置有间隙，所述钻孔的长度小于煤岩体模型的长度，所述钻孔连通进风巷或回风巷的一端设置为封堵段，所述封堵段的长度为8m～15m，所述测线位于钻孔长度方向的中心位置，且所述测线和钻孔直径的中心相齐平；
[0027]步骤404、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对设置钻孔的煤岩体模型采用自由四面体进行非结构化网格划分，得到煤岩体网格模型；
[0028]步骤405、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件，在煤岩体网格模型中输入第m个钻孔参数设计方案，并设置煤岩体网格模型的抽采时间；其中，m为正整数，且1≤m≤M；
[0029]步骤406、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件嵌入步骤201、步骤202中模型，运行煤岩体网格模型，得到不同抽采时间下测线上的压力，并通过不同抽采时间下测线上的压力得到不同抽采时间下第m个钻孔参数设计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、待研究煤层地质参数的获取：步骤101、勘探获得待研究煤层区域地质参数；其中，所述待研究煤层区域地质参数包括煤体密度ρ
c
、弹性模量E、剪切模量G、泊松比v、有效应力系数β、煤体温度T、煤体初始孔隙率煤体的体积模量K
s
、瓦斯摩尔质量M、朗格缪尔体积吸附常数a、朗格缪尔压力吸附常数b、瓦斯动力粘性系数u、瓦斯的扩散系数D、瓦斯的解吸扩散系数τ、标椎状态下瓦斯密度ρ
ga
、摩尔气体常数R1；步骤102、获取待研究煤层的垂直地应力F；步骤103、对待研究煤层进行瓦斯含量测量，得到待研究煤层的最小瓦斯含量和待研究煤层的最大瓦斯含量；对待研究煤层进行透气性系数测量，得到待研究煤层的最小透气性系数和待研究煤层的最大透气性系数；步骤104、设定待研究煤层划分为I个煤层抽采区，并设定第i个煤层抽采区的抽采时间为第i个预设抽采时间；其中，i为正整数，1≤i≤I；步骤二、构建考虑煤体渗透率动态演化的瓦斯抽采数学模型：步骤201、采用计算机构建含瓦斯煤体渗透率动态演化模型，如下：其中，k表示抽采后任意时刻煤体渗透率，k0表示煤体初始渗透率，表示煤体初始孔隙率，ε
v0
表示煤体初始体应变，p0表示煤体初始瓦斯压力，ε
s0
表示煤体初始吸附应变，ε
v
表示抽采后任意时刻煤体的体应变；p表示煤体抽采后任意时刻瓦斯压力，ε
s
表示抽采后任意时刻煤体吸附应变；步骤202、采用计算机构建煤体瓦斯扩散渗流控制模型，如下：其中，c表示抽采后任意时刻煤体吸附态瓦斯含量，表示对时间t的偏导，表示Nabla算子，D表示瓦斯扩散系数，c
r
表示吸附态瓦斯在煤体抽采后瓦斯压力为p时的含量；步骤三、钻孔参数设计方案的获取：步骤301、确定钻孔参数设计方案因素，并将钻孔参数设计方案因素作为响应面试验因素；其中，所述响应面试验因素包括瓦斯含量、透气性系数、抽采负压、钻孔直径和钻孔间距；步骤302、设定待研究煤层的最小抽采负压和待研究煤层的最大抽采负压、待研究煤层的最小钻孔直径和待研究煤层的最大钻孔直径以及待研究煤层的最小钻孔间距和待研究煤层的最大钻孔间距；步骤303、采用计算机利用中心组合设计方法，获取5因素5水平值不同组合下的钻孔参数设计方案；其中，钻孔参数设计方案的总数为M，M为正整数，且M所述钻孔参数设计方案均
位于待研究煤层的最小瓦斯含量和待研究煤层的最大瓦斯含量、待研究煤层的最小透气性系数和待研究煤层的最大透气性系数、待研究煤层的最小抽采负压和待研究煤层的最大抽采负压、待研究煤层的最小钻孔直径和待研究煤层的最大钻孔直径以及待研究煤层的最小钻孔间距和待研究煤层的最大钻孔间距范围中；步骤四、构建煤岩体模型并获取钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的回归模型：步骤401、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立煤岩体模型，并输入步骤101中待研究煤层区域地质参数；其中，所述煤岩体模型为立方体，煤岩体模型的宽度方向沿煤层回采方向，煤岩体模型的长度方向沿进风巷至回风巷之间的直线方向；步骤402、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件设置煤岩体模型顶部施加均布载荷，煤岩体模型的底部设置为固定边界，煤岩体模型的四周设置为滑动边界，煤岩体模型中巷道煤壁暴露面设置为自由边界；其中，煤岩体模型顶部施加均布的载荷等于待研究煤层的垂直地应力F；步骤403、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件在煤岩体模型中设置两个平行布设的钻孔，并设置两个钻孔间的测线；其中，两个所述钻孔为顺层钻孔，两个所述钻孔之间设置有间隙，所述钻孔的长度小于煤岩体模型的长度，所述钻孔连通进风巷或回风巷的一端设置为封堵段，所述封堵段的长度为8m～15m，所述测线位于钻孔长度方向的中心位置，且所述测线和钻孔直径的中心相齐平；步骤404、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对设置钻孔的煤岩体模型采用自由四面体进行非结构化网格划分，得到煤岩体网格模型；步骤405、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件，在煤岩体网格模型中输入第m个钻孔参数设计方案，并设置煤岩体网格模型的抽采时间；其中，m为正整数，且1≤m≤M；步骤406、采用计算机利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件嵌入步骤201、步骤202中模型，运行煤岩体网格模型，得到不同抽采时间下测线上的压力，并通过不同抽采时间下测线上的压力得到不同抽采时间下第m个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力P
max
(m)；步骤407、采用计算机根据公式获得第m个钻孔参数设计方案的达标压力P
b
(m)；其中，表示瓦斯抽采前第m个钻孔参数设计方案对应的第m个瓦斯压力；并采用计算机得到不同抽采时间下第m个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(m)/P
b
(m)；步骤408、采用计算机从不同抽采时间下第m个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(m)/P
b
(m)选择第i个预设抽采时间下第m个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(m,i)/P
b
(m)；其中，i为正整数；步骤409、多次重复步骤405至步骤408，得到第i个预设抽采时间下第M个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(M,i)/P
b
(M)；步骤40A、采用计算机将第i个预设抽采时间下第1个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(1,i)/P
b
(1)，...，第i个预设抽采时间下第m个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(m,i)/P
b
(m)，...，第i个预设抽采时间下第M个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比P
max
(M,i)/P
b
(M)导
入Design
‑
Expert软件中；步骤40B、采用计算机利用Design
‑
Expert软件，对步骤40A中的钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比数据进行多元回归拟合，得到第i个预设抽采时间下钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的五元二次回归模型；其中，第i个预设抽采时间下钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的五元二次回归模型的因变量响应值为钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比，第i个预设抽采时间下钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的五元二次回归模型的自变量包括瓦斯含量、透气性系数、抽采负压、钻孔直径和钻孔间距；步骤五、钻孔参数的优化及获取钻孔参数等值线图：步骤501、采用计算机利用Design
‑
Expert软件，在第i个预设抽采时间下，设定瓦斯含量为待研究煤层的最小瓦斯含量W
s，min
、透气性系数为待研究煤层的最小透气性系数T
q，min
和钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比为1，运行得到第i个预设抽采时间且最小瓦斯含量W
s，min
和最小透气性系数T
q，min
下钻孔参数的优化值；其中，第i个预设抽采时间且最小瓦斯含量W
s，min
和最小透气性系数T
q，min
下钻孔参数的优化值包括第一个优化后的抽采负压、第一个优化后的钻孔直径和第一个优化后的钻孔间距；步骤502、采用计算机利用Design
‑
Expert软件，设定瓦斯含量为W
s，min
+j
×
A
s
、透气性系数为T
q，min
+j
×
A
q
和钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比为1，得到第i个预设抽采时间且瓦斯含量W
s，min
+j
×
A
s
和透气性系数T
q，min
+j
×
A
q
下钻孔参数的优化值；其中，第i个预设抽采时间且瓦斯含量W
s，min
+j
×
A
s
和透气性系数T
q，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海飞，季鹏飞，孔祥国，李树刚，魏宗勇，龙航，白杨，李莉，双海清，肖鹏，赵鹏翔，丁洋，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：