定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法

本发明属于煤矿治理瓦斯抽采，尤其涉及定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法。

背景技术：

1、我国大部分煤矿为井工开采，特别是瓦斯灾害严重。随着开采深度不断延伸，煤层原始瓦斯含量随之增加，瓦斯治理难度加大，“抽—掘—采”失调，采掘接替紧张，严重影响矿井安全生产。

2、针对工作面采空区及采动影响区瓦斯抽采治理需要，国内开展了大量的研究工作：开发了高位瓦斯抽采巷、专用尾巷、倾斜局位巷等专用巷道法抽采瓦斯，虽取得了较好的瓦斯抽采效果，但存在掘进成本高、施工周期长、管理难度大，其技术推广受到一定限制。

3、煤矿井下定向钻探装备与技术已成为解决煤矿问题的主要手段之一，并已成熟地应用于煤矿井下瓦斯抽采治理、煤矿井下防治水、地质异常超前探测工程、地质勘查、卸压定向钻孔等方面。利用定向钻孔延伸距离长、覆盖面广、抽采效率高、轨迹精准可控等优势，提高煤矿工作面瓦斯抽采率，确保矿区采掘工作面安全高效回采。

4、为提高瓦斯抽采效果，需考察钻孔设计参数对瓦斯抽采效果影响，目前主要通过一下两种方法实现，一是现场观测，通过施工不同参数的钻孔，对比瓦斯抽采效果，但由于现场条件限制，无法进行过多试验得到充足的数据结果。二是实验室试验，通过搭建矿区相似物理模型进行试验，然而相似模型无法完全复原矿井下的各种复杂条件，其结果与真实条件结果存在较大误差。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供一种定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，利用数值模拟手段考察钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采的影响，联合定向钻孔数据对现场瓦斯抽采进行实时反演。

2、本发明的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，通过煤矿定向钻孔与comsol multiphysics软件数值模拟联合演示瓦斯抽采技术，通过利用comsol数值模拟软件，为了确定合理的定向钻孔布置参数,根据定向钻孔轨迹参数，导入至软件，然后改变钻孔轨迹、倾角、深度等参数条件对比瓦斯结果，确定最佳瓦斯抽采实施方案，后续钻孔按该方案进行施工。

3、定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，具体包括：

4、步骤一，进行地质勘测，确定煤层主要参数，包括：煤矿地处位置和所处区域构造位置，工作面概况；矿井瓦斯含量、最高瓦斯压力、矿井瓦斯绝对涌出量、工作面瓦斯涌出量；巷道掘进方式、巷道高和宽、联络巷长以及巷道设计长度；

5、步骤二，确定定向钻孔参数，包括：瓦斯来源、钻孔的布设位置和方式、布设间距以及定向钻孔时的钻孔类型；

6、步骤三，根据煤层主要参数及定向钻孔参数，构建煤层数字化物理模型；

7、步骤四，采用comsol数值模拟软件进行瓦斯抽采效果反演，分别模拟有无抽采条件下瓦斯浓度分布规律及裂隙带发育规律，以及不同定向钻孔布置方案下瓦斯浓度及流场分布规律；

8、步骤五，采用数值模拟的瓦斯抽采效果反演的结果来确定采空区裂隙随工作面推进的演化规律，确定顶板裂隙带发育高度，以及顶板定向钻孔的最佳布置层位。

9、进一步的，确定定向钻孔中的参数具体包括：开孔方位、开孔倾角、单孔孔深、转弯角度、上下及左右偏转长度、相邻两钻孔的夹角。

10、进一步的，模拟多种实施方案，对比瓦斯浓度结果，将定向钻孔与数值模拟联合实时反演瓦斯抽采效果。

11、进一步的，构建煤层数字化物理模型时，为了保证模拟结果精度，进行细化的网格划分。

12、进一步的，采用comsol数值模拟软件进行瓦斯抽采效果反演还包括通过改变模拟中钻孔的开孔方位、开孔倾角、单孔孔深、转弯角度、上下及左右偏转长度参数条件，以及同一钻场内相邻两钻孔的夹角；

13、进一步的，采用comsol数值模拟软件进行瓦斯抽采效果反演包括，采用comsolmultiphysics软件中的达西定律模块，运用达西定律模块的控制方程将处于渗流运动中的瓦斯视为理想气体，满足理想气体状态方程；该方程在平衡状态下计算理想气体的压强、体积、物质的量以及温度之间的关系式；输入所需的定向钻孔的参数，对煤层中瓦斯压力、瓦斯抽采范围和钻孔抽采量进行模拟结果分析；

14、传统的瓦斯治理主要采用采空区埋管、高抽巷、高位钻孔等技术,但是单独采用采空区埋管、高位钻孔技术不能很好解决瓦斯超限问题；采用高抽巷技术需要在顶板掘出一条巷道,具有工程量大、经济成本高等问题。

15、相对以往的钻孔方式，本发明的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，定向钻孔使钻孔以理想的角度穿过矿体，提高煤层瓦斯抽取率，为煤层瓦斯高效抽采提供解决途径。利用定向钻孔有延伸距离长、覆盖面广、抽采效率高、轨迹精准可控等优点，提高煤矿工作面瓦斯抽采率，确保矿区采掘工作面安全高效回采，具有绝对的优势和广阔的应用前景。同时，结合了定向钻孔和数值模拟的优势，还原真实地层模型，设置各参数条件，对瓦斯抽采进行仿真模拟，该方法不仅可以还原复杂的地质条件，同时还可具有较高的精度。

16、为了寻求合理的瓦斯抽采参数,采用数值模拟的方法,应用多物理场耦合软件comsol multiphysics建立钻孔瓦斯抽采的流动模型。考察钻孔设计参数的差异对瓦斯抽采半径的影响，采用comsol数值模拟研究瓦斯抽采半径在不同钻孔布置方式和设计参数下的影响规律。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的煤矿定向钻孔与数值模拟互联实时反演瓦斯抽采效果的技术方法，通过充分利用定向钻孔的特性与数值模拟分析，互联化实现煤层瓦斯高效抽采，解决了井下定向钻孔抽采瓦斯浓度低、抽采有效期短的问题。采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法，优化定向钻孔抽采负压，可指导瓦斯抽采工作。

技术特征：

1.定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，其特征在于，具体包括：

2.根据权利要求1所述的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，确定定向钻孔中的参数具体包括：开孔方位、开孔倾角、单孔孔深、转弯角度、上下及左右偏转长度、相邻两钻孔的夹角。

3.根据权利要求1所述的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，构建煤层数字化物理模型时，为了保证模拟结果精度，进行细化的网格划分。

4.根据权利要求1所述的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，采用comsol数值模拟软件进行瓦斯抽采效果反演还包括通过改变模拟中钻孔的开孔方位、开孔倾角、单孔孔深、转弯角度、上下及左右偏转长度参数条件，以及同一钻场内相邻两钻孔的夹角。

5.根据权利要求4所述的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，采用comsol数值模拟软件进行瓦斯抽采效果反演包括，采用comsol multiphysics软件中的达西定律模块，运用达西定律模块的控制方程将处于渗流运动中的瓦斯视为理想气体，满足理想气体状态方程；该方程在平衡状态下计算理想气体的压强、体积、物质的量以及温度之间的关系式；输入所需的定向钻孔的参数，对煤层中瓦斯压力、瓦斯抽采范围和钻孔抽采量进行模拟结果分析。

技术总结本发明的定向钻孔与数值模拟互联反演瓦斯抽采的方法，通过煤矿定向钻孔与COMSOL Multiphysics软件数值模拟联合演示瓦斯抽采技术，通过利用COMSOL数值模拟软件，为了确定合理的定向钻孔布置参数,根据定向钻孔轨迹参数，导入至软件，然后改变钻孔轨迹、倾角、深度等参数条件对比瓦斯结果，确定最佳瓦斯抽采实施方案，后续钻孔按该方案进行施工。技术研发人员：陈建,武建国,张嘉勇,关联合,郭立稳,李英欣,齐海天,郝永龙,付京斌,王金喜,何庆泽,李智深受保护的技术使用者：华北理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27