基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法
阅读说明：本技术 基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法 (Directional long-drilling hole distribution method for gas extraction based on dim-light coal layering condition ) 是由 李文 赵坤 黄旭超 徐彬 欧聪 王广宏 汪长明 何明川 李向往 赵华军 陶冬 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及瓦斯抽采领域,具体涉及基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法,包括如下步骤：步骤一：进行煤层分层划分；步骤二：对目标煤层厚度以及目标煤层中的暗淡煤分层的厚度(H)、垂向渗透率(K)、煤岩力学性质(F)进行记录；步骤三：确定目标煤层的瓦斯抽采半径；步骤四：确定暗淡煤分层的厚度、垂向渗透率、煤岩力学性质对瓦斯抽采量的影响权重a,b,c,建立暗淡煤分层瓦斯抽采综合影响因子：Z＝aH+b(1-K)+cF；步骤五：根据目标煤层厚度与抽采半径的关系在综合影响因子最大的暗淡煤分层中布置定向抽采长钻孔。采用本技术方案时,通过将定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中,有利于使瓦斯高效抽采。(The invention relates to the field of gas extraction, in particular to a directional long-drill hole distribution method for gas extraction under the condition of dark and light coal layering, which comprises the following steps: the method comprises the following steps: carrying out coal seam layering division; step two: recording the thickness of a target coal seam, the thickness (H) of a dark coal layer in the target coal seam, the vertical permeability (K) and the mechanical properties (F) of coal petrography; step three: determining the gas extraction radius of a target coal seam; step four: determining the influence weights a, b and c of the thickness, the vertical permeability and the coal-rock mechanical property of the dim and light coal stratification on the gas extraction quantity, and establishing a dim and light coal stratification gas extraction comprehensive influence factor: z ═ aH + b (1-K) + cF; step five: and arranging directional extraction long drill holes in the dim coal layer with the largest comprehensive influence factor according to the relation between the thickness of the target coal layer and the extraction radius. When the technical scheme is adopted, the directional extraction long drill holes are distributed in the dark coal layering, so that the high-efficiency extraction of gas is facilitated.)
技术领域
本发明涉及瓦斯抽采领域，具体涉及基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿最为严重的动力灾害之一。据不完全统计，有记录以来，我国发生煤与瓦斯突出次数达14300余次，2011年～2016年发生较大以上瓦斯事故197起，死亡1667人，占全国煤矿较大以上事故次数和死亡人数的50.3％和58.8％。煤与瓦斯突出灾害的频发直接威胁着煤矿一线工人的生命安全，严重妨碍着煤矿的正常生产以及煤炭工业的持续、健康和稳定发展。
目前针对煤矿瓦斯灾害的防治主要采取开采保护层措施和施工瓦斯抽采钻孔进行提前预抽，以降低煤层瓦斯含量及瓦斯压力，进而降低煤层开采过程中瓦斯突出危险性。
但是目前针对煤层存在暗淡煤分层条件下定向长钻孔瓦斯抽采方法并没有相应的考究，一般瓦斯抽采钻孔设计人员根本没有考虑煤层存在暗淡煤分层条件下，钻孔布孔位置的不同是否会对瓦斯抽采产生影响，基本还是按照煤层不存在暗淡煤分层的条件下将钻孔布置在煤层中间位置，即将钻孔布置在光亮煤分层位置。
其中，垂直地层剖面观察，煤层不存在暗淡煤分层时，煤层从上至下包括煤层顶板岩层、光亮煤分层和煤层底板岩层；煤层存在暗淡煤分层时，煤层从上至下包括煤层顶板岩层、光亮煤分层、暗淡煤分层、光亮煤分层和煤层底板岩层，或者煤层从上至下包括煤层顶板岩层、光亮煤分层、暗淡煤分层、光亮煤分层、暗淡煤分层、光亮煤分层和煤层底板岩层。
众所周知，煤层瓦斯抽采有效性取决于抽采负压、瓦斯压力、瓦斯含量、煤层吸附性及渗透性，一般情况下，通过施工瓦斯抽采钻孔后会在钻孔周围一定范围内形成环状梯度瓦斯泄压带及环状梯度瓦斯浓度带，一方面有利于钻孔周围吸附瓦斯的解吸，增加游离瓦斯含量，另一方面随着压力的降低，钻孔周围煤层的裂隙(宏观裂隙、微观裂隙)得以张开，进而增加煤层的透气性。游离瓦斯的增加为瓦斯抽采提供了充足瓦斯源，透气性的增加为瓦斯抽采提供了有利通道，而环状梯度瓦斯泄压带、环状梯度瓦斯浓度带及抽采负压为瓦斯抽采提供了动力。由此可见，煤层的渗透性至关重要，一定抽采动力下，渗透性好的煤层的游离瓦斯可以得到更有效的抽采。
当煤层存在光亮煤类、暗淡煤分层情况时，由于光亮煤类中镜煤和亮煤含量较高，内生裂隙(垂直于层理的面裂隙及端裂隙)发育，脆度大，易破碎。暗淡煤中镜煤和亮煤含量较低，常以暗煤为主，通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大，不易破碎，一般无内生裂隙，灰分含量通常较大。
煤层存在分层条件下，定向长钻孔布孔在光亮煤分层位置时存在问题分析如下：
1、当煤层构造煤不发育而处于原始结构时，光亮煤的垂向渗透率明显大于暗淡煤，若此时煤层瓦斯定向抽采长钻孔布孔在光亮煤分层位置时，暗淡煤分层无疑相当于瓦斯抽采隔离带，阻碍了暗淡煤分层以外光亮煤分层的瓦斯运移抽采，如此势必造成本煤层瓦斯抽采不均匀，不彻底。
2、由于光亮煤性脆易破碎，将煤层瓦斯定向抽采长钻孔布孔在光亮煤分层中，易发生塌孔等现象进而造成瓦斯抽采钻孔堵塞，导致瓦斯抽采效果不佳。
3、由于光亮煤性脆易破碎，所以在定向长钻孔施工扰动作用下，成孔过程中势必造成钻孔周围较大范围的煤体垮塌变形，进而对原始煤层结构造成较大范围的扰动损伤，降低了煤层强度，随着吸附瓦斯的大量解吸势必增加了钻孔施工过程中煤与瓦斯突出的危险性及掘进回采过程中煤与瓦斯突出的危险性。
4、当定向长钻孔施工完毕后，由于暗淡煤分层通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大，不易破碎，所以在钻孔有限的泄压作用下很难引起暗淡煤分层出现较大垂向位移变形(类似于关键层理论)，进而难以导致暗淡煤分层以外的煤层瓦斯得到充分有效泄压，由于暗淡煤分层以外的煤层瓦斯并未得到有效泄压抽采，所以暗淡煤分层以外的煤层强度并未得到提高。
5、由于光亮煤性脆易破碎，内生裂隙发育，将瓦斯定向抽采长钻孔布孔在光亮煤分层中，钻孔封孔难度大，封孔质量难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在煤层存在分层条件下将瓦斯定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中的方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法，包括如下步骤：
步骤一：对存在暗淡煤分层条件的目标煤层进行煤岩组分分析，根据镜煤及亮煤含量进行煤层分层划分；
步骤二：对目标煤层厚度以及目标煤层中的暗淡煤分层的厚度、垂向渗透率、煤岩力学性质进行记录；
步骤三：矿井正常生产条件下，确定目标煤层的瓦斯抽采半径；
步骤四：根据暗淡煤分层的厚度、垂向渗透率、煤岩力学性质对瓦斯抽采敏感性模拟分析，确定暗淡煤分层的厚度、垂向渗透率、煤岩力学性质对瓦斯抽采量的影响权重a，b，c，建立暗淡煤分层瓦斯抽采综合影响因子：Z＝aH+b(1-K)+cF；其中，Z表示综合影响因子，H表示暗淡煤分层的厚度，K表示暗淡煤分层的垂向渗透率，F表示暗淡煤分层的煤岩力学性质；
步骤五：根据目标煤层厚度与抽采半径的关系在综合影响因子最大的暗淡煤分层中布置定向抽采长钻孔。
本方案的技术效果是：
1、由于暗淡煤通常为致密块状，坚硬，韧性大、密度大，不易破碎，一般无内生裂隙，将本煤层瓦斯定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中相较于光亮煤分层中，钻孔封孔难度小，封孔质量可以得到保证。
2、将瓦斯定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中相较于光亮煤分层中，不易发生瓦斯抽采钻孔塌孔等现象，可以有效地保护瓦斯抽采通道。
3、将瓦斯定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中，在定向长钻孔施工扰动作用下，成孔过程中不易造成钻孔周围较大范围的煤体垮塌变形，进而对原始煤层结构不易造成较大范围的扰动损伤，避免了煤层强度较大范围及程度的降低，降低了钻孔施工过程中及掘进回采过程中煤与瓦斯突出的危险性。
4、根据目标煤层厚度与抽采半径的关系在综合影响因子最大的暗淡煤分层中布置定向抽采长钻孔，在钻孔施工过程中及矿山压力作用下诱导其产生裂缝，可以有效地改变暗淡煤分层岩石力学性质，降低其弹性模量和强度，所以在钻孔有限的泄压作用下可以引起暗淡煤分层剩余部分及暗淡煤分层以外煤层出现较大垂向位移变形，进而可以导致暗淡煤分层以外的煤层瓦斯得到充分有效泄压，同时原有的煤层裂隙得以扩张，进一步增加其渗透率(类似于出现微型裂隙带)，使瓦斯得到有效抽采，增加煤体强度。
5、当煤层构造煤不发育而处于原始结构时，光亮煤的垂向渗透率明显大于暗淡煤，如此将本煤层瓦斯定向抽采长钻孔布孔在暗淡煤分层中，在钻孔施工过程中及矿山压力作用下诱导暗淡煤分层产生裂缝，进而有效地沟通暗淡煤分层以外光亮煤分层瓦斯运移通道，促使本煤层瓦斯得到高效抽采。
进一步的，步骤四中利用RFPA数值模拟软件建立目标煤层瓦斯抽采模型，求取厚度、垂向渗透率、煤岩力学性质对瓦斯抽采量的影响权重a，b，c；其中，
当厚度和煤岩力学性质选取最小值、垂向渗透率选取最大值时的瓦斯抽采量为Q1；
当厚度和垂向渗透率选取最大值、煤岩力学性质选取最小值时的瓦斯抽采量为Q2；
当厚度、垂向渗透率和煤岩力学性质均选取最小值时的瓦斯抽采量为Q3；
当厚度选取最小值、垂向渗透率和煤岩力学性质选取最大值时的瓦斯抽采量为Q4；则：
a＝(Q1-Q2)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]；
b＝(Q1-Q3)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]；
c＝(Q1-Q4)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]。
本方案的技术效果是：根据不同暗淡煤分层的厚度、垂向渗透率和煤岩力学性质数值模拟出瓦斯抽采量，从而可以精确得出影响权重a，b，c的数值。
进一步的，步骤五中，当目标煤层厚度<抽采半径：
若存在一层暗淡煤分层时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
若存在至少两层暗淡煤分层时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
当抽采半径<目标煤层厚度<2倍抽采半径，且存在一层暗淡煤分层：
若暗淡煤分层位于目标煤层中部位置时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
若暗淡煤分层位于目标煤层偏上部位置时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层底板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔；
若暗淡煤分层位于目标煤层偏下部位置时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层顶板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔；
当抽采半径<目标煤层厚度<2倍抽采半径，且至少存在两层暗淡煤分层：
若暗淡煤分层均位于目标煤层偏上部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层底板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔；
若暗淡煤分层均位于目标煤层偏下部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层顶板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔；
若暗淡煤分层在目标煤层上部以及下部均有分布时，各自选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
若暗淡煤分层集中分布于目标煤层中部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔。
本方案的技术效果是：通过本方案的布孔方式，特别适用于目标煤层厚度<2倍抽采半径的情况，在钻孔施工过程中及矿山压力作用下诱导暗淡煤分层产生裂缝，进而有效地沟通暗淡煤分层以外的瓦斯运移通道，促使瓦斯高效抽采。
进一步的，步骤一中进行煤层分层划分的标准为光亮煤分层中镜煤及亮煤含量>60％，暗淡煤分层中镜煤及亮煤含量＜40％。本方案的技术效果是：相较于行业标准规定而言，本方案煤层分层标准的含量值更加宽泛，更适用于实践操作。
进一步的，步骤二中的煤岩力学性质为抗拉强度。本方案的技术效果是：影响煤岩力学性质的指标主要为抗拉强度，通过只测试抗拉强度，有利于提高测试效率。
进一步的，步骤五中当布置两个定向抽采长钻孔时，两个定向抽采长钻孔位于同一竖直面。本方案的技术效果是：相较于两个定向抽采长钻孔错开设置而言，两个定向抽采长钻孔位于同一竖直面在钻孔的过程中有利于应力叠加产生诱导裂缝，从而使瓦斯得到高效抽采。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例：
基于暗淡煤分层条件下瓦斯抽采定向长钻孔布孔方法，包括如下步骤：
步骤一：对存在暗淡煤分层条件的目标煤层(需要进行瓦斯抽采煤层)进行宏观煤岩组分分析，做好煤层分层划分，分层标准如下：
光亮煤
中间煤类
暗淡煤
镜煤及亮煤含量
>60％
60％～40％
＜40％
步骤二：对目标煤层厚度以及目标煤层中的暗淡煤分层的厚度(H)、垂向渗透率(K)、煤岩力学性质进行记录，此处的煤岩力学性质为抗拉强度(F)。
步骤三：矿井正常生产条件下，根据第三方检测机构出具的报告确定目标煤层有效抽采时间下的有效瓦斯抽采半径。
步骤四：根据暗淡煤分层的厚度(H)、垂向渗透率(K)、抗拉强度(F)对瓦斯抽采敏感性模拟分析，确定暗淡煤分层的厚度(H)、垂向渗透率(K)、抗拉强度(F)对瓦斯抽采量的影响权重a，b，c，建立暗淡煤分层瓦斯抽采综合影响因子：Z＝aH+b(1-K)+cF。
相关参数获取方法：
H：分层厚度井下用尺子直接测量得到；
K：垂向渗透率通过取样在实验室渗透率测试得到；
F：煤岩力学性质通过取样在实验室抗拉强度测试得到；
利用RFPA数值模拟软件建立目标煤层瓦斯抽采模型，利用下述模拟方案求取暗淡煤分层的厚度(H)、垂向渗透率(K)、抗拉强度(F)对瓦斯抽采量的影响权重a，b，c。
其中：a＝(Q1-Q2)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]
b＝(Q1-Q3)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]
c＝(Q1-Q4)/[(Q1-Q2)+(Q1-Q3)+(Q1-Q4)]。
步骤五：按照如下方案选取符合条件的暗淡煤分层布置定向抽采长钻孔：
情况一：目标煤层厚度<抽采半径：
1、存在一层暗淡煤分层时，选取唯一的一层暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
2、存在不少于一层暗淡煤分层时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
情况二：抽采半径<目标煤层厚度<2倍抽采半径：
1、只有一层暗淡煤分层：
1)暗淡煤分层位于目标煤层中部位置时，选取唯一的一层暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
2)暗淡煤分层位于目标煤层偏上部位置时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层底板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔，即另一个定向抽采长钻孔布置在目标煤层底板岩层中；
3)暗淡煤分层位于目标煤层偏下部位置时，在暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层顶板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔，即另一个定向抽采长钻孔布置在目标煤层顶板岩层中。
2、超过一层暗淡煤分层：
1)若暗淡煤分层均位于目标煤层偏上部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层底板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔，即另一个定向抽采长钻孔布置在目标煤层底板岩层中；
2)若暗淡煤分层均位于目标煤层偏下部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔，同时在目标煤层顶板岩层靠近目标煤层处也布置一个定向抽采长钻孔，即另一个定向抽采长钻孔布置在目标煤层顶板岩层中；
3)若暗淡煤分层在目标煤层上部以及下部均有分布时，各自选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔；
4)若暗淡煤分层集中分布于目标煤层中部位置时，选取综合影响因子最大的暗淡煤分层布置一个定向抽采长钻孔。
其中，当布置两个定向抽采长钻孔时，两个定向抽采长钻孔位于同一竖直面。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
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