CN115110921B - 一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法 - Google Patents
一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，包括：基本参数测定步骤：测定煤层原始瓦斯压力P1与最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】；钻孔设计施工步骤：所述钻孔包括保压钻孔、压力监测钻孔和抽采钻孔；孔口装置安装与抽采操作步骤：安装孔口装置，关闭所有截止阀，根据煤层原始瓦斯压力P1与最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】的关系操作进行抽采，并在抽采的过程进行保压。本发明可以实现煤层瓦斯的快速高效深度抽采，促使煤层瓦斯快速地实现抽采达标，为煤层安全快速回采提供有力的技术保障，解决了现有技术难以实现高效抽采的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤层瓦斯抽采技术领域，具体涉及一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法。
背景技术
目前，针对本煤层瓦斯抽采钻孔，在设计布置时主要考虑目标煤层厚度、硬度、走向、倾角、结构、顶底板岩性条件、煤层瓦斯目标抽采范围、钻孔排水排渣及巷道布置情况等因素，而之所以考虑这些因素主要是为了有针对性的采取相应的措施及技术方案确保钻孔的成孔率、钻孔能够打到目标位置及目标深度、钻孔的畅通性，但并不能有效实现煤层瓦斯的高效深度抽采。所谓高效深度抽采，主要是指采取合理的钻孔布孔及抽采工艺技术体系，实现本煤层瓦斯抽的快、抽的多。要想实现本煤层瓦斯抽的快、抽的多，主要受限于特定地质条件下煤层孔裂隙结构及煤层流体(瓦斯)压力，其中煤层孔裂隙结构提供瓦斯运移的通道，煤层流体(瓦斯)压力提供瓦斯运移的动力源。
在特定矿区地质构造下，煤层所受应力状态是特定的，当应力作用于煤层时，应力主要由两部分承担，一部分是由煤层基质骨架所承受的煤层骨架压力，另一部分是由煤层孔裂隙内流体所承受的煤层流体压力，对于弱含水煤层，煤层流体压力主要为煤层瓦斯压力。当煤层外在应力环境一定时，煤层骨架压力和煤层流体压力呈现出此消彼长的关系，也即，当煤层流体压力降低时，煤层骨架压力增大，当煤层流体压力增大时，煤层骨架压力降低。在煤层中定向顺层钻孔后，由于钻孔的泄压作用，在钻孔周围一定半径范围内会形成径向压力梯度，钻孔周围一定半径范围内的煤层瓦斯便会在压力梯度的作用下沿着煤层孔裂隙逐渐向钻孔运移，运移到钻孔内的煤层瓦斯便会在孔口抽采负压的作用下被抽出。但是，随着煤层瓦斯的不断抽出，煤层内的煤层瓦斯不断减少，导致煤层瓦斯压力逐渐降低，煤层骨架压力逐渐增大，其结果便是钻孔周围一定半径范围内的煤层孔裂隙在煤层骨架压力的作用下逐渐被压缩闭合，煤层瓦斯运移通道逐渐减少、运移阻力逐渐增大、运移动力逐渐不足、钻孔瓦斯流量逐渐衰减，直到煤层瓦斯压力不足以克服瓦斯运移阻力时，煤层瓦斯便停止运移，导致煤层瓦斯失去可抽采性，最终结果便是定向顺层钻孔在很短的时间内便失去了作用，而煤层瓦斯并没有大量的被抽出，这是目前定向顺层钻孔本煤层瓦斯抽采存在的第一个问题。
煤层在沉积盆地中因沉积作用形成以后，在漫长的地质历史时期，随着数期构造运动经历了复杂的地质构造演化过程，煤层所在矿区现今所呈现的地质构造环境是复杂地质构造演化的最终产物。我国地质构造环境复杂，不同的矿区、不同的含煤盆地拥有明显各异的地质构造演化历史及地质构造特征，最直接的便是不同的矿区、不同的含煤盆地拥有明显各异的构造应力环境。对于特定应力环境下的煤层来说，随着三大主应力(X轴、Y轴、Z轴三个方向的应力)特征的不同，当煤层流体压力一定时，在三大主应力方向上，煤层承受的弹性力(煤层骨架应力)有所不同，导致的结果便是，在特定煤层流体压力下，在三大主应力方向上，煤层孔裂隙具有不同的渗流能力，其中必然存在一个最优渗流方向。然而，目前本煤层瓦斯抽采定向顺层钻孔的设计布置及抽采技术模式并没有考虑到这一点，造成定向顺层钻孔本煤层瓦斯抽采具有一定的盲目性，同时也造成本煤层瓦斯难以高效深度抽采，这是目前定向顺层钻孔本煤层瓦斯抽采存在的第二个问题。
发明内容
本发明提供一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，解决了现有技术难以实现高效抽采的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，包括：
S1、基本参数测定步骤，所述基本参数测定步骤包括：
测定煤层原始瓦斯压力P1；
测定煤层瓦斯最优渗流方向，测定煤层瓦斯最优渗流方向上渗透率与孔裂隙瓦斯压力关系曲线，通过所述关系曲线得出在煤层瓦斯最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】；
S2、钻孔设计施工步骤，所述钻孔包括保压钻孔、压力监测钻孔和抽采钻孔；所述抽采钻孔用于煤层瓦斯抽采，所述压力监测钻孔用于煤层流体压力监测，所述保压钻孔用于提供煤层瓦斯运移动力源；
S3、孔口装置安装与抽采操作步骤，所述孔口装置安装与抽采操作步骤包括：
(1)安装孔口装置，关闭所有截止阀；
(2)当煤层原始瓦斯压力P1高于煤层最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】时，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀、第四截止阀，打开抽采钻孔相应的第一截止阀，通过保压钻孔和抽采钻孔同时对煤层瓦斯进行抽采泄压，抽采过程中通过压力监测钻孔实时监测煤层流体压力，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力等于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀，继续保持抽采钻孔进行瓦斯抽采；
(3)当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力低于P2时，关闭抽采钻孔相应的第一截止阀，打开保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，通过保压钻孔向煤层加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表所显示的煤层瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀进行抽采；
(4)抽采钻孔在抽采过程中，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力低于P2时，重复第(3)步操作；
(5)不断重复上述第(3)步、第(4)步操作，直至抽采钻孔测定的煤层瓦斯浓度小于等于预设瓦斯浓度时，停止第(3)步、第(4)步的重复性操作，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀、第四截止阀，打开抽采钻孔相应的第一截止阀，通过保压钻孔及抽采钻孔同时对煤层流体进行抽采泄压，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力在连续预设天数内压力降小于预设压力时，瓦斯抽采作业结束，封闭钻孔；
(6)当煤层瓦斯压力P1低于煤层最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】时，打开保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，通过保压钻孔向煤层加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表所显示的煤层瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀进行抽采；
(7)重复第(3)步～第(5)步。
本发明的工作原理及优点在于：通过给煤层增压保压，避免钻孔施工以后，钻孔周围煤层瓦斯在自身原有能量下向钻孔发生运移，造成钻孔周围煤层能量不断降低，煤层孔裂隙逐渐被压闭合，导致钻孔瓦斯流量快速衰竭；与此同时，考虑到煤层渗透各向异性，在煤层最优渗透方向上布置增压钻孔、抽采钻孔，降低瓦斯运移阻力，在特定煤层能量条件下，实现煤层瓦斯的快速大量抽采；相较于煤矿井下钻孔预抽本煤层瓦斯技术来说，本方案可以实现煤层瓦斯的快速高效深度抽采，促使煤层瓦斯快速地实现抽采达标，也为煤层安全快速回采提供了有力的技术保障。
本发明可以实现煤层瓦斯的快速高效深度抽采，促使煤层瓦斯快速地实现抽采达标，为煤层安全快速回采提供有力的技术保障，解决了现有技术难以实现高效抽采的技术问题。
进一步，S2中，所述钻孔设计施工步骤，包括：
情况一，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层法向时，次要渗流方向沿煤层倾向时，钻孔沿煤层走向布置，钻孔开孔位置沿煤层倾向剖面，根据煤层厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数；
情况二，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层法向时，次要渗流方向沿煤层走向时，钻孔沿煤层倾向布置，钻孔开孔位置沿煤层走向剖面，根据煤层厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面走向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数；
情况三，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层倾向时，次要渗流方向沿煤层走向时，或者，煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层走向时，次要渗流方向沿煤层倾向时，钻孔沿煤层法向布置，根据瓦斯抽采半径与工作面倾向长度的关系布置钻孔排数，根据瓦斯抽采半径与工作面走向长度的关系布置钻孔列数。
有益效果在于：根据最优渗流方向与次要渗流方向进行布孔，有利于降低瓦斯运移阻力，实现煤层瓦斯的快速大量抽采。
进一步，S2中，对于情况一，煤层厚度与钻孔抽采半径的关系为h≤nR+d，工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系为L倾≤nR+d，其中，h煤层厚度、R为抽采半径、d为钻孔直径、L倾为工作面倾向长度，n＝1、2、3、4、···；对于钻孔的开孔位置，
当n为偶数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元A，在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元B的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合；
当n为奇数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元B，且在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元A的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合；
S2中，对于情况二与情况三，参照情况一。
有益效果在于：通过钻孔布置样式单元A与钻孔布置样式单元B，有利于快速准确地布置保压钻孔、压力监测钻孔和抽采钻孔。
进一步，S3中，在抽采钻孔内设置筛管，在抽采钻孔的孔口设置浓度监测器、第一压力表、第一截止阀及抽采管路。
有益效果在于：设置有筛管保证瓦斯抽采通道畅通，浓度监测器监测孔内的瓦斯浓度，第一压力表监测孔内的瓦斯压力，第一截止阀可以截止或联通孔内瓦斯与瓦斯抽采管路系统，第一抽采管路可以连通钻孔与瓦斯抽采管路系统，便于控制与调节煤层瓦斯的抽采过程。
进一步，S3中，在压力监测钻孔内设置筛管，在压力监测钻孔的孔口设置第二压力表与第二截止阀。
有益效果在于：第二压力表监测孔内的瓦斯压力，第二截止阀可以封闭压力监测钻孔，便于查看监测结果与调节。
进一步，S3中，在保压钻孔内设置筛管，在保压钻孔的孔口设置三个接口，在接口上分别设置第三截止阀、第四截止阀与第五截止阀。
有益效果在于：通过保压钻孔不断向煤层内注入氮气，维持煤层流体压力处于最优渗透区间所对应的最优压力区间，同时，在压力的驱使下注入的氮气可以驱赶煤层瓦斯快速向抽采钻孔运移，一个接口连接注氮管路，一个接口连接第二抽采管路，一个接口连接保压钻孔，三个接口上均设置截止阀，便于调节控制保压过程。
进一步，S3中，在保压钻孔的孔口设置三通接口。
有益效果在于：三通接口容易实现，同时能够尽量简化结构。
进一步，S1中，测定煤层瓦斯最优渗流方向包括：测定煤层所处三大主应力的大小及方向，在煤层不同位置沿三大主应力方向分别施工瓦斯抽采考察钻孔，测定三大主应力方向所对应的瓦斯抽采衰减系数，确定出煤层瓦斯沿三大主应力方向渗流能力的大小，得到煤层瓦斯最优渗流方向。
有益效果在于：当煤层流体压力一定时，在三大主应力方向上煤层承受的煤层骨架应力有所不同，导致煤层孔裂隙具有不同的渗流能力，这样可以准确得到煤层瓦斯最优渗流方向。
附图说明
图1为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的n＝1时沿煤层倾向剖面钻孔开孔位置及布孔工艺图。
图2为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的n＝2时沿煤层倾向剖面钻孔开孔位置及布孔工艺图。
图3为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的钻孔布置样式单元A。
图4为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的钻孔布置样式单元B。
图5为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的抽采钻孔连接模块结构示意图。
图6为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的压力监测钻孔连接模块结构示意图。
图7为本发明一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法实施例的保压钻孔连接模块结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
说明书附图中的标记包括：抽采钻孔连接模块1、第一套管11、第一截止阀12、第一压力表13、浓度监测器14、第一抽采管路15、压力监测钻孔连接模块2、第二套管21、第二截止阀22、第二压力表23、保压钻孔连接模块3、第三套管31、第三截止阀32、第四截止阀33、第五截止阀34、第二抽采管路35、注氮管路36、煤层4。
实施例1
实施例基本如附图1所示，包括：
S1、基本参数测定步骤，所述基本参数测定步骤包括：
测定煤层4原始瓦斯压力P1；
测定煤层4瓦斯最优渗流方向，测定煤层4瓦斯最优渗流方向上渗透率与孔裂隙瓦斯压力关系曲线，通过所述关系曲线得出在煤层4瓦斯最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层4瓦斯压力区间【P2，P3】。
S2、钻孔设计施工步骤，所述钻孔包括保压钻孔、压力监测钻孔和抽采钻孔；所述抽采钻孔用于煤层4瓦斯抽采，所述压力监测钻孔用于煤层4流体压力监测，所述保压钻孔用于提供煤层4瓦斯运移动力源。
在本实施例中，所述钻孔设计施工步骤包括以下三种情况：
情况一，当煤层4瓦斯最优渗流方向沿煤层4法向时，次要渗流方向沿煤层4倾向时，钻孔沿煤层4走向布置，钻孔开孔位置沿煤层4倾向剖面，根据煤层4厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数。具体地来说，煤层4厚度与钻孔抽采半径的关系为h≤nR+d，工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系为L倾≤nR+d，其中，h煤层4厚度、R为抽采半径、d为钻孔直径、L倾为工作面倾向长度，n＝1、2、3、4、···；对于钻孔的开孔位置，当n为偶数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元A，在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元B的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合；当n为奇数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元B，且在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元A的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合。
情况二，当煤层4瓦斯最优渗流方向沿煤层4法向时，次要渗流方向沿煤层4走向时，钻孔沿煤层4倾向布置，钻孔开孔位置沿煤层4走向剖面，根据煤层4厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面走向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数，具体可参照情况一。
情况三，当煤层4瓦斯最优渗流方向沿煤层4倾向时，次要渗流方向沿煤层4走向时，或者，煤层4瓦斯最优渗流方向沿煤层4走向时，次要渗流方向沿煤层4倾向时，钻孔沿煤层4法向布置，根据瓦斯抽采半径与工作面倾向长度的关系布置钻孔排数，根据瓦斯抽采半径与工作面走向长度的关系布置钻孔列数，具体可参照情况一。
以n＝4，L倾≤4R+d为特定条件，简单分析煤层4厚度与钻孔排数的关系：
当n＝1时，煤层4厚度h≤R+d，沿煤层4倾向剖面钻孔开孔位置及布置工艺示意图如附图1所示。
当n＝2时，煤层4厚度h≤2R+d，沿煤层4倾向剖面钻孔开孔位置如附图2所示，这与n＝1时相似，其中，n＝2时钻孔开孔位置及布置工艺示意图可由n＝1时变化而来，只需在n＝1的基础上，增加一个钻孔布置样式单元A(如附图3所示)，在增加的过程中，需要保证钻孔布置样式单元A的最下边一排孔与n＝1时的最上边一排孔保持重合。
当n＝3时，钻孔开孔位置及布置工艺示意图可由n＝2时变化而来，只需在n＝2的基础上增加一个钻孔布置样式单元B(如附图4所示)，在增加的过程中，需要保证钻孔布置样式单元B的最下边一排孔与n＝2时的最上边一排孔保持重合。
依此类推，当n为偶数时，钻孔开孔位置及布置工艺示意图只需在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元A，在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元B的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合便可；当n为奇数时，钻孔开孔位置及布置工艺示意图只需在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元B，在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元A的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合便可。
S3、孔口装置安装与抽采操作步骤，所述孔口装置安装与抽采操作步骤包括：
(1)安装孔口装置，关闭所有截止阀。在本实施例中，主要包括以下三点：
A、抽采钻孔连接模块1包括第一套管11，所述第一套管11连接有第一抽采管路15，所述第一套管11设有第一截止阀12与第一压力表13；也即，在抽采钻孔内设置筛管，在抽采钻孔的孔口设置浓度监测器14、第一压力表13、第一截止阀12及第一抽采管路15，如附图5所示，设置有筛管保证瓦斯抽采通道畅通，浓度监测器14监测孔内的瓦斯浓度，第一压力表13监测孔内的瓦斯压力，第一截止阀12可以截止或联通孔内瓦斯与瓦斯抽采管路系统，第一抽采管路15可以连通抽采钻孔与瓦斯抽采管路系统，便于控制与调节煤层4瓦斯的抽采过程。
B、压力监测钻孔连接模块2包括第二套管21，所述第二套管21上设有第二截止阀22与第二压力表23；也即，在压力监测钻孔内设置筛管，在压力监测钻孔的孔口设置第二压力表23与第二截止阀22，如附图6所示，第二压力表23监测孔内的瓦斯压力，第二截止阀22可以封闭压力监测钻孔，便于查看监测结果与调节。
C、保压钻孔连接模块3包括第三套管31，所述第三套管31设有第一接口、第二接口与第三接口，所述第一接口用于连接保压钻孔，所述第二接口连接有第二抽采管路35，所述第三接口连接有注氮管路36，所述第一接口、第二接口与第三接口处分别设有第三截止阀32、第四截止阀33与第五截止阀34；也即，在保压钻孔内设置筛管，在保压钻孔的孔口设置三个接口，在接口分别设置第三截止阀32、第四截止阀33与第五截止阀34，如附图7所示，在保压钻孔的孔口设置三通接口，通过保压钻孔不断向煤层4内注入氮气，维持煤层4流体压力处于最优渗透区间所对应的最优压力区间，同时，在压力的驱使下注入的氮气可以驱赶煤层4瓦斯快速向抽采钻孔运移，一个接口连接注氮管路36，一个接口连接第二抽采管路35，一个接口连接保压钻孔，三个接口上均设置截止阀，便于调节控制保压过程。
在煤层4上抽采钻孔、压力监测钻孔和保压钻孔施工完毕之后，将第一套管11、第二套管21、第三套管31分别连接到、压力监测钻孔和保压钻孔中，并关闭第一截止阀12、第二截止阀22、第三截止阀32、第四截止阀33与第五截止阀34。
(2)当煤层4原始瓦斯压力P1高于煤层4最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层4瓦斯压力区间【P2，P3】时，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀32、第四截止阀33，打开抽采钻孔相应的第一截止阀12，通过保压钻孔和抽采钻孔同时对煤层4瓦斯进行抽采泄压，抽采过程中通过压力监测钻孔实时监测煤层4流体压力，当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力等于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀32，继续保持抽采钻孔进行瓦斯抽采；
(3)当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力低于P2时，关闭抽采钻孔相应的第一截止阀12，打开保压钻孔相应的第三截止阀32、第五截止阀34，通过保压钻孔向煤层4加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀32、第五截止阀34，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表13所显示的煤层4瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀12进行抽采；
(4)抽采钻孔在抽采过程中，当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力低于P2时，重复第(3)步操作；
(5)不断重复上述第(3)步、第(4)步操作，直至抽采钻孔测定的煤层4瓦斯浓度小于等于预设瓦斯浓度时，比如说预设瓦斯浓度为10％，停止第(3)步、第(4)步的重复性操作，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀32、第四截止阀33，打开抽采钻孔相应的第一截止阀12，通过保压钻孔及抽采钻孔同时对煤层4流体进行抽采泄压，当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力在连续预设天数内压力降小于预设压力时，比如预设天数为15天、预设压力为0.05MPa，且煤层4流体压力小于0.74MPa时，瓦斯抽采作业结束，封闭钻孔；
(6)当煤层4瓦斯压力P1低于煤层4最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层4瓦斯压力区间【P2，P3】时，打开保压钻孔相应的第三截止阀32、第五截止阀34，通过保压钻孔向煤层4加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表23所显示的煤层4流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀32、第五截止阀34，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表13所显示的煤层4瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀12进行抽采；
(7)重复第(3)步～第(5)步。
在本实施例中，通过给煤层4增压保压，避免钻孔施工以后，钻孔周围煤层4瓦斯在自身原有能量下向钻孔发生运移，造成钻孔周围煤层4能量不断降低，煤层4孔裂隙逐渐被压闭合，导致钻孔瓦斯流量快速衰竭；与此同时，考虑到煤层4渗透各向异性，在煤层4最优渗透方向上布置增压钻孔、抽采钻孔，降低瓦斯运移阻力，在特定煤层4能量条件下，实现煤层4瓦斯的快速大量抽采；相较于煤矿井下钻孔预抽煤层4瓦斯技术来说，本方案可以实现煤层4瓦斯的快速高效深度抽采，促使煤层4瓦斯快速地实现抽采达标。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，S1中，测定煤层4瓦斯最优渗流方向包括：测定煤层4所处三大主应力的大小及方向，在煤层4不同位置，沿三大主应力方向分别施工瓦斯抽采考察钻孔，测定三大主应力方向所对应的瓦斯抽采衰减系数，确定出煤层4瓦斯沿三大主应力方向渗流能力的大小，从而得到煤层4瓦斯最优渗流方向，由于煤层4流体压力一定时三大主应力方向上煤层4承受的煤层4骨架应力有所不同，导致煤层4孔裂隙具有不同的渗流能力，这样可以准确得到煤层4瓦斯最优渗流方向。
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，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。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。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.一种用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，包括：
S1、基本参数测定步骤，所述基本参数测定步骤包括：
测定煤层原始瓦斯压力P1；
测定煤层瓦斯最优渗流方向，测定煤层瓦斯最优渗流方向上渗透率与孔裂隙瓦斯压力关系曲线，通过所述关系曲线得出在煤层瓦斯最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】；
S2、钻孔设计施工步骤，所述钻孔包括保压钻孔、压力监测钻孔和抽采钻孔；所述抽采钻孔用于煤层瓦斯抽采，所述压力监测钻孔用于煤层流体压力监测，所述保压钻孔用于提供煤层瓦斯运移动力源；
S3、孔口装置安装与抽采操作步骤，所述孔口装置安装与抽采操作步骤包括：
(1)安装孔口装置，关闭所有截止阀；
(2)当煤层原始瓦斯压力P1高于煤层最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】时，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀、第四截止阀，打开抽采钻孔相应的第一截止阀，通过保压钻孔和抽采钻孔同时对煤层瓦斯进行抽采泄压，抽采过程中通过压力监测钻孔实时监测煤层流体压力，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力等于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀，继续保持抽采钻孔进行瓦斯抽采；
(3)当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力低于P2时，关闭抽采钻孔相应的第一截止阀，打开保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，通过保压钻孔向煤层加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表所显示的煤层瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀进行抽采；
(4)抽采钻孔在抽采过程中，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力低于P2时，重复第(3)步操作；
(5)不断重复上述第(3)步、第(4)步操作，直至抽采钻孔测定的煤层瓦斯浓度小于等于预设瓦斯浓度时，停止第(3)步、第(4)步的重复性操作，同时打开保压钻孔相应的第三截止阀、第四截止阀，打开抽采钻孔相应的第一截止阀，通过保压钻孔及抽采钻孔同时对煤层流体进行抽采泄压，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力在连续预设天数内压力降小于预设压力时，瓦斯抽采作业结束，封闭钻孔；
(6)当煤层瓦斯压力P1低于煤层最优渗流方向上最佳渗透率区间所对应的最佳煤层瓦斯压力区间【P2，P3】时，打开保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，通过保压钻孔向煤层加压注入氮气，当压力监测钻孔相应的第二压力表所显示的煤层流体压力大于P3时，关闭保压钻孔相应的第三截止阀、第五截止阀，停止注入氮气，当瓦斯抽采钻孔相应的第一压力表所显示的煤层瓦斯压力大于等于P2时，打开抽采钻孔相应的第一截止阀进行抽采；
(7)重复第(3)步～第(5)步。
2.如权利要求1所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S2中，所述钻孔设计施工步骤，包括：
情况一，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层法向时，次要渗流方向沿煤层倾向时，钻孔沿煤层走向布置，钻孔开孔位置沿煤层倾向剖面，根据煤层厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数；
情况二，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层法向时，次要渗流方向沿煤层走向时，钻孔沿煤层倾向布置，钻孔开孔位置沿煤层走向剖面，根据煤层厚度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔排数，根据工作面走向长度与钻孔抽采半径的关系布置钻孔列数；
情况三，当煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层倾向时，次要渗流方向沿煤层走向时，或者，煤层瓦斯最优渗流方向沿煤层走向时，次要渗流方向沿煤层倾向时，钻孔沿煤层法向布置，根据瓦斯抽采半径与工作面倾向长度的关系布置钻孔排数，根据瓦斯抽采半径与工作面走向长度的关系布置钻孔列数。
3.如权利要求2所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S2中，对于情况一，煤层厚度与钻孔抽采半径的关系为h≤nR+d，工作面倾向长度与钻孔抽采半径的关系为L倾≤nR+d，其中，h煤层厚度、R为抽采半径、d为钻孔直径、L倾为工作面倾向长度，n＝1、2、3、4、···；对于钻孔的开孔位置，
当n为偶数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元A，在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元B的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合；
当n为奇数时，在n-1的基础上增加一个钻孔布置样式单元B，且在增加的过程中，保证钻孔布置样式单元A的最下边一排孔与n-1时的最上边一排孔保持重合；
S2中，对于情况二与情况三，参照情况一。
4.如权利要求3所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S3中，在抽采钻孔内设置筛管，在抽采钻孔的孔口设置浓度监测器、第一压力表、第一截止阀及第一抽采管路。
5.如权利要求4所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，在压力监测钻孔内设置筛管，在压力监测钻孔的孔口设置第二压力表与第二截止阀。
6.如权利要求5所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S3中，在保压钻孔内设置筛管，在保压钻孔的孔口设置三个接口，在接口上分别设置第三截止阀、第四截止阀与第五截止阀。
7.如权利要求6所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S3中，在保压钻孔的孔口设置三通接口。
8.如权利要求7所述的用于渗透各向异性本煤层瓦斯保压驱替抽采方法，其特征在于，S1中，测定煤层瓦斯最优渗流方向包括：测定煤层所处三大主应力的大小及方向，在煤层不同位置沿三大主应力方向分别施工瓦斯抽采考察钻孔，测定三大主应力方向所对应的瓦斯抽采衰减系数，确定出煤层瓦斯沿三大主应力方向渗流能力的大小，得到煤层瓦斯最优渗流方向。
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