[01760086]煤层各向异性渗透率模型与顺层长钻孔预抽采瓦斯技术

1. 项目所属科学技术领域 本项目所属的科学领域为：煤层瓦斯抽放利用。 2. 主要内容 本项目综合应用室内实验、理论建模、计算机编程、数值模拟和现场试验等手段,深入研究了考虑各向异性的煤渗透率演化模型,开发了基于各向异性煤渗透率演化模型的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序,提出了一套考虑煤层渗透率各向异性的顺层长钻孔预抽瓦斯优化设计方法,同时研发了与顺层长钻孔施工相配套的关键技术与装置。主要内容如下： （1） 通过引入煤基质内膨胀应变系数和煤的各向异性,以面孔隙率为出发点,经过严格的理论推导,建立了煤的各向异性渗透率演化模型。该模型独立于任何边界条件,可根据具体的边界条件展开成相应的表达式,因此与针对特定边界条件推导的渗透率模型相比,该模型具有更广泛的适用范围。 （2） 在所建立的各向异性煤渗透率模型的基础上,提出了根据渗透率实验数据反演内膨胀应变和内膨胀应变系数的方法,应用这种方法得到了不同边界条件下两者的变化规律。同时确定了在煤层瓦斯预抽过程中内膨胀应变系数的取值范围。 （3） 根据各向异性煤渗透率模型,对煤层瓦斯流动控制方程进行修正,得到考虑各向异性的煤层瓦斯流动控制方程,建立了该方程的三维非均匀网格有限差分数值模型。在此基础上,应用C++语言开发了煤层瓦斯流动数值模拟程序“SGFC”。 （4） 在理论研究的基础上,结合白芨沟煤矿顺层长钻孔瓦斯抽采的成功经验,基于自主开发的SGFC程序,提出了一套顺层长钻孔预抽瓦斯“地质分析-实验测试-钻孔试验-模拟反演-优化设计”一体化设计方法,具体设计步骤为：分析矿井和目标煤层地质资料→渗透率各向异性测试→确定钻孔方位→布置试验钻孔→效果考察和模拟反演→预测抽采流量和预抽期→优化设计抽采参数→大范围施工顺层长钻孔。 （5） 总结了顺层长钻孔定向与施工工艺,研发了与顺层长钻孔施工相配套的关键技术与装置,包括动态跟踪定向施工技术、超前探顶探底工艺、边钻边抽防瓦斯超限装置等。 （6） 动态跟踪定向施工技术既可保证顺层长钻孔按设计轨迹钻进,当遇断层、破碎带等危险区域时,还可实现顶底板有序进入、局部可钻地区回转进入等钻进方式,将卡钻、掉钻的机率降到最低,不留钻进盲区;采用超前探顶探底工艺,可掌握煤层实际的顶底板、煤层厚度等赋存情况,既能使钻孔与煤层顶底板距离保持相对稳定,又能为回采巷道的掘进和长壁工作面的布置提供准确的煤层资料;边钻边抽防瓦斯超限装置,既可实现边钻边抽,又可有效避免打钻过程中钻场瓦斯超限及喷孔现象。 3. 成果特点 项目深入研究了考虑各向异性的煤渗透率演化模型,开发了基于各向异性煤渗透率演化模型的煤层瓦斯三维流动数值模拟程序,提出了一套考虑煤层渗透率各向异性的顺层长钻孔预抽瓦斯优化设计方法,同时研究了与顺层长钻孔施工相配套的关键技术与装置,对充分发挥顺层长距离定向钻孔预抽瓦斯技术的优势,促进煤矿瓦斯治理水平的提高具有重要的理论和现实意义。 4. 推广应用情况 顺层长钻孔预抽采瓦斯技术首先在神华宁煤集团公司白芨沟煤矿2#煤层2521和2621区段应用,随后对应用情况进行总结并提出了顺层长钻孔预抽瓦斯的一体化设计方法及施工工艺,并应用于神华神东集团公司保德煤矿和乌海能源公司五虎山煤矿、平沟煤矿和黄白茨煤矿。通过应用顺层长钻孔预抽瓦斯技术,缩短了矿井的预抽工期,保证了矿井的抽掘采接续和安全生产,节省了底板专用瓦斯抽采岩巷工程量,提高了瓦斯抽采量和利用量,取得了显著的安全、经济和环境效益。