一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法

1.本发明属于煤层瓦斯抽采技术领域，尤其是涉及一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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：
7.步骤一、待研究煤层地质参数的获取：
8.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ρc、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ks、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；
9.步骤102、获取待研究煤层的垂直地应力f；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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：
14.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：
15.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，εv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，εs表示抽采后任意时刻煤体吸附应变；
16.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，cr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个钻孔参数设计方案对应的钻孔间最大瓦斯压力p
max
(m)；
[0030]
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pb(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；
[0031]
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)/pb(m)；
[0032]
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)/pb(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)/pb(m)；其中，i为正整数；
[0033]
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)/pb(m)；
[0034]
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)/pb(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)/pb(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)/pb(m)导入design-expert软件中；
[0035]
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；
[0036]
步骤五、钻孔参数的优化及获取钻孔参数等值线图：
[0037]
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；
[0038]
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
×as
、透气性系数为t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下钻孔参数的优化值包括第j 1个优化后的抽采负压、第j 1个优化后的钻孔直径和第j 1个优化后的钻孔间距；其中，j为正整数，且j≥1，as表示瓦斯含量增加值，aq为透气性系数增加值；
[0039]
步骤503、多次重复步骤502，直至第i个预设抽采时间且得到瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下钻孔参数的优化值包括第j 1个优化后的抽采负压、第j 1个优化后的钻孔直径和第j 1个优化后的钻孔间距；其中，j为正整数，且1≤j≤j,且w
s，min
j
×as
不小于待研究煤层的最大瓦斯含量，t
q，min
j
×aq
不小于待研究煤层的最大透气性系数；
[0040]
步骤504、采用计算机导入步骤501至步骤503的数据，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图；
[0041]
步骤六、待研究煤层的现场钻孔抽采：
[0042]
步骤601、针对第i个煤层抽采区进行瓦斯含量的测量，得到第i个煤层抽采区的最大瓦斯含量和最大透气性系数；
[0043]
步骤602、采用计算机在第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图，分别取x轴为第i个煤层抽采区的最大瓦斯含量，y轴为第i个煤层抽采区的最大透气性系数时，得到距离x轴和y轴交点最近的z轴的值；其中，距离x轴和y轴交点最近的z轴的值包括距离x轴和y轴交点最近的z轴的抽采负压、钻孔直径和钻孔间距；
[0044]
步骤603、将步骤602中距离x轴和y轴交点最近的z轴的值包括距离x轴和y轴交点最近的z轴的抽采负压、钻孔直径和钻孔间距记作第i个煤层抽采区的抽采参数优化值；
[0045]
步骤604、根据第i个煤层抽采区的抽采参数优化值进行第i个煤层抽采区的现场钻孔抽采。
[0046]
上述的一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于：步骤102中获取待研究煤层的垂直地应力f，具体过程如下：
[0047]
步骤1021、获取待研究煤层区域上覆岩层平均容重γ；其中，上覆岩层平均容重γ为24.5kn/m3；
[0048]
步骤1022、在待研究煤层顶部设置a个测点，并获取a个测点的埋深，并将a个测点
的埋深进行平均值处理，得到待研究煤层的平均埋深其中，a为大于2的正整数；
[0049]
步骤1023、采用计算机根据公式得到待研究煤层的垂直地应力f。
[0050]
上述的一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于：步骤405中采用计算机利用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，具体过程如下：
[0051]
步骤4051、采用计算机将第m个钻孔参数设计方案记作第m个瓦斯含量ws(m)、第m个透气性系数tq(m)、第m个抽采负压pc(m)、第m个钻孔直径dz(m)和第m个钻孔间距lz(m)；
[0052]
步骤4052、采用计算机根据公式k(m)＝2
×
tq(m)
×u×
λ
×
pn，得到第m个透气性系数tq(m)对应的第m个渗透率k(m)；其中，pn为标准状况下大气压力，且pn等于0.1013mpa；λ为转换系数，且λ等于1.142
×
10-11
；
[0053]
步骤4053、采用计算机根据公式得到第m个瓦斯含量ws(m)对应的第m个瓦斯压力
[0054]
步骤4053、采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，输入瓦斯抽采前第m个瓦斯含量ws(m)、第m个渗透率k(m)、第m个初始瓦斯压力和第m个抽采负压pc(m)，并设置煤岩体模型中两个钻孔的参数满足第m个钻孔直径dz(m)和第m个钻孔间距lz(m)，完成第m个钻孔参数设计方案的输入。
[0055]
上述的一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于：步骤406中采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，嵌入步骤201、步骤202中模型，具体过程如下：
[0056]
采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，将步骤201中模型嵌入模型开发器中的全局变量，将步骤202中模型分别嵌入模型开发器中pde模块和达西定律模块。
[0057]
上述的一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，其特征在于：步骤504中采用计算机导入步骤501至步骤503的数据，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图，具体过程如下：
[0058]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的抽采负压，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的抽采负压，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的抽采负压导入suffer软件中，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图；其中，抽采负压等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为抽采负压；
[0059]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的钻孔直径，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔直径，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔直径导入suffer软件中，得到第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图；其中，钻孔直径等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为钻孔直径；
[0060]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的钻孔间距，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔间距，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔间距导入suffer软件中，得到第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图；其中，钻孔间距等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为钻孔间距。
[0061]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0062]
1、本发明建立了考虑煤体渗透率动态演化、瓦斯扩散渗流等影响的含瓦斯煤体抽采模型，基于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，研究地质因素(瓦斯含量、透气性系数)、工程因素(抽采负压、钻孔直径、钻孔间距)因素对钻孔抽采煤层瓦斯的影响。
[0063]
2、本发明针对以往确定钻孔间距大多依据有效抽采半径，无法判别钻孔间有无抽采盲区或是否存在抽采提前达标现象，忽略了多钻孔联合抽采时的叠加效应，本发明利用comsol multiphysics数值模拟软件对煤岩体模型进行分析并利用钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比的钻孔参数指标以精准判断钻孔间煤层瓦斯抽采达标情况，与有效抽采半径相比钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比可在保证钻孔间距最大化前提下，确保相邻钻孔间煤层瓦斯抽采达标，有效解决了钻孔间煤层瓦斯过度抽采和留有抽采空白带问题，钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比更适合做钻孔参数的优化。
[0064]
3、本发明煤层瓦斯赋存普遍具有分区特点，“以点代面”式钻孔无法实现瓦斯精准抽采，本发明综合考虑地质因素的空间分布规律及工程因素随抽采时间的变化规律，确定煤层抽采区最优化钻孔参数，实现了煤层精准抽采。
[0065]
4、本发明方法步骤简单，设计合理，首先是待研究煤层地质参数的获取，其次是构建考虑煤体渗透率动态演化的瓦斯抽采数学模型，接着是钻孔参数设计方案的获取，然后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，并完成钻孔参数的优化及获取钻孔参数等值线图，最后进行待研究煤层的现场钻孔抽采，利用优化后的抽采负压、钻孔直径和钻孔间距改善瓦斯抽采效果，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。
[0066]
综上所述，本发明方法步骤简单，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。
[0067]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0068]
图1为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
[0069]
如图1所示的一种钻孔抽采煤层瓦斯钻孔优化方法，该方法包括以下步骤：
[0070]
步骤一、待研究煤层地质参数的获取：
[0071]
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ρc、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ks、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；
[0072]
步骤102、获取待研究煤层的垂直地应力f；
[0073]
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；
[0074]
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；
[0075]
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；
[0076]
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：
[0077]
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：
[0078]
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，εv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，εs表示抽采后任意时刻煤体吸附应变；
[0079]
步骤202、采用计算机构建煤体瓦斯扩散渗流控制模型，如下：
[0080][0081]
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，cr表示吸附态瓦斯在煤体抽采后瓦斯压力为p时的含量；
[0082]
步骤三、钻孔参数设计方案的获取：
[0083]
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；
[0084]
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；
[0085]
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；
[0086]
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：
[0087]
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；
[0088]
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；
[0089]
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；
[0090]
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；
[0091]
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；
[0092]
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)；
[0093]
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pb(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；
[0094]
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)/pb(m)；
[0095]
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)/pb(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)/pb(m)；其中，i为正整数；
[0096]
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)/pb(m)；
[0097]
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)/pb(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)/pb(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)/pb(m)导入design-expert软件中；
[0098]
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；
[0099]
步骤五、钻孔参数的优化及获取钻孔参数等值线图：
[0100]
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；
[0101]
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
×as
、透气性系数为t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下钻孔参数的优化值包括第j 1个优化后的抽采负压、第j 1个优化后的钻孔直径和第j 1个优化后的钻孔间距；其中，j为正整数，且j≥1，as表示瓦斯含量增加值，aq为透气性系数增加值；
[0102]
步骤503、多次重复步骤502，直至第i个预设抽采时间且得到瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
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
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下钻孔参数的优化值包括第j 1个优化后的抽采负压、第j 1个优化后的钻孔直径和第j 1个优化后的钻孔间距；其中，j为正整数，且1≤j≤j,且w
s，min
j
×as
不小于待研究煤层的最大瓦斯含量，t
q，min
j
×aq
不小于待研究煤层的最大透气性系数；
[0103]
步骤504、采用计算机导入步骤501至步骤503的数据，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图；
[0104]
步骤六、待研究煤层的现场钻孔抽采：
[0105]
步骤601、针对第i个煤层抽采区进行瓦斯含量的测量，得到第i个煤层抽采区的最大瓦斯含量和最大透气性系数；
[0106]
步骤602、采用计算机在第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图，分别取x轴为第i个煤层抽采区的最大瓦斯含量，y轴为第i个煤层抽采区的最大透气性系数时，得到距离x轴和y轴交点最近的z轴的值；其中，距离x轴和y轴交点最近的z轴的值包括距离x轴和y轴交点最近的z轴的抽采负压、钻孔直径和钻孔间距；
[0107]
步骤603、将步骤602中距离x轴和y轴交点最近的z轴的值包括距离x轴和y轴交点最近的z轴的抽采负压、钻孔直径和钻孔间距记作第i个煤层抽采区的抽采参数优化值；
[0108]
步骤604、根据第i个煤层抽采区的抽采参数优化值进行第i个煤层抽采区的现场
钻孔抽采。
[0109]
本实施例中，步骤102中获取待研究煤层的垂直地应力f，具体过程如下：
[0110]
步骤1021、获取待研究煤层区域上覆岩层平均容重γ；其中，上覆岩层平均容重γ为24.5kn/m3；
[0111]
步骤1022、在待研究煤层顶部设置a个测点，并获取a个测点的埋深，并将a个测点的埋深进行平均值处理，得到待研究煤层的平均埋深其中，a为大于2的正整数；
[0112]
步骤1023、采用计算机根据公式得到待研究煤层的垂直地应力f。
[0113]
本实施例中，步骤405中采用计算机利用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，具体过程如下：
[0114]
步骤4051、采用计算机将第m个钻孔参数设计方案记作第m个瓦斯含量ws(m)、第m个透气性系数tq(m)、第m个抽采负压pc(m)、第m个钻孔直径dz(m)和第m个钻孔间距lz(m)；
[0115]
步骤4052、采用计算机根据公式k(m)＝2
×
tq(m)
×u×
λ
×
pn，得到第m个透气性系数tq(m)对应的第m个渗透率k(m)；其中，pn为标准状况下大气压力，且pn等于0.1013mpa；λ为转换系数，且λ等于1.142
×
10-11
；
[0116]
步骤4053、采用计算机根据公式得到第m个瓦斯含量ws(m)对应的第m个瓦斯压力
[0117]
步骤4053、采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，输入瓦斯抽采前第m个瓦斯含量ws(m)、第m个渗透率k(m)、第m个初始瓦斯压力和第m个抽采负压pc(m)，并设置煤岩体模型中两个钻孔的参数满足第m个钻孔直径dz(m)和第m个钻孔间距lz(m)，完成第m个钻孔参数设计方案的输入。
[0118]
本实施例中，步骤406中采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，嵌入步骤201、步骤202中模型，具体过程如下：
[0119]
采用计算机利用comsol multiphysics数值模拟软件，将步骤201中模型嵌入模型开发器中的全局变量，将步骤202中模型分别嵌入模型开发器中pde模块和达西定律模块。
[0120]
本实施例中，步骤504中采用计算机导入步骤501至步骤503的数据，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图、第i个预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图和第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图，具体过程如下：
[0121]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的抽采负压，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的抽采负压，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的抽采负压导入suffer软件中，得到第i个预设抽采时间下抽采负压等值线分布图；其中，抽采负压等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为抽采负压；
[0122]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的钻孔直径，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔直径，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔直径导入suffer软件中，得到第i个
预设抽采时间下钻孔直径等值线分布图；其中，钻孔直径等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为钻孔直径；
[0123]
采用计算机将第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
下的第一个优化后的钻孔间距，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔间距，...，第i个预设抽采时间且瓦斯含量w
s，min
j
×as
和透气性系数t
q，min
j
×aq
下的第j 1个优化后的钻孔间距导入suffer软件中，得到第i个预设抽采时间下钻孔间距等值线分布图；其中，钻孔间距等值线分布图的x轴为瓦斯含量，y轴为透气性系数，z轴为钻孔间距。
[0124]
本实施例中，需要说明的是，步骤406中不同抽采时间下测线上的压力可通过模型中p获取。
[0125]
本实施例中，煤体初始体应变ε
v0
，煤体初始瓦斯压力p0，煤体初始吸附应变ε
s0
可以预先根据待研究煤层区域地质参数获取。
[0126]
本实施例中，煤体温度t的单位为k。
[0127]
本实施例中，需要说明的是，初始是指抽采前状态。
[0128]
本实施例中，瓦斯动力粘性系数u为1.08
×
10-5
pa
·
s。
[0129]
本实施例中，中心组合设计方法即central composite design方法。
[0130]
本实施例中，m＝50。
[0131]
本实施例中，摩尔气体常数r1为8.3143j/(mol
·
k)；
[0132]
本实施例中，煤岩体模型的抽采时间为0～400d。
[0133]
本实施例中，瓦斯含量增加值as＝0.5，透气性系数增加值aq＝0.5，实际使用时，还可以根据实际需要进行调整减少。
[0134]
本实施例中，将待研究煤层沿工作面回采方向等分为5个煤层抽采区，则i＝5。
[0135]
本实施例中，按照本发明方法得到的抽采参数优化值分别进行5个煤层抽采区的现场钻孔抽采，且5个煤层抽采区的预设抽采时间均为360天，实现了煤层瓦斯的精准抽采。
[0136]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。