[发明专利]一种煤层顶底板含氢流体灾害的监测预警方法

说明书

本发明公开了一种煤层顶底板含氢流体灾害的监测预警方法，先获得顶底板岩层多个岩心，然后综合使用低场核磁共振技术、高压压汞法和电法仪对该位置的多个岩心进行测试，从微观层面上揭示煤层顶底板岩层的孔隙结构分布及水源空间分布特征；通过微震在线监测技术获得顶底板岩层破坏带发育及能量释放过程；采用深度学习方法将上述测试手段的各个岩心数据输入BP神经网络进行训练，使BP神经网络建立各个测试手段数据之间关系的数据模型，即构建流‑固‑力耦合模型，从而在后续未探测区域中仅需采用上述测试手段其中之一，进而获取该区域单一或几个独立数据输入该数据模型后，即能对未探测区域顶底板岩层的含氢流体的情况及灾害孕育程度进行预警提示。

技术领域

本发明涉及一种煤层顶底板含氢流体灾害的监测预警方法，尤其适用于顶底板岩层突水监测范围窄、智能化预警能力差的煤层开采和巷道支护等工况。

背景技术

随着开采深度、开采强度、开采速度及开采规模的增加和扩大，煤层顶底部裂隙发育的岩层受到高承压水或临近煤层瓦斯的威胁越来越大。矿井突水或瓦斯突出灾害机理涉及采矿工程、工程地质、岩体力学、渗流力学等多个交叉学科，其中，影响煤层顶底板含氢流体灾害的主要影响因素包含岩层物性参数(孔渗性、润湿性、饱和度、层理结构等)、地应力、及孔隙压力大小等。地应力和孔隙压力是表征煤层顶底板含氢流体层赋存特征的先决因素，而岩层物性参数随着工作面的不断推进可能会发生一定的变化，对顶底板岩层的孔渗性产生重要影响。其中对于顶底板导水裂隙带高度的测试手段主要有经验公式法、实验模拟法和实际探测法，而对于煤层顶底板裂隙带内的瓦斯气体含量估测手段较为缺乏。

其中经验公式法主要是针对理想条件顶底板岩层内部裂隙带的形成贯通模型，计算结果可能与实际情况存在较大的计算误差；多分层岩层的不同性质(如润湿性、饱和度)影响着水分赋存状态及运移特性，实验模拟法未考虑到顶底板岩层的非均质性和地应力对水赋存及动态运移的影响，研究结果不具备代表性；实际探测法主要通过物探手段对富含水区域进行探测，其操作流程及数据处理较为复杂，且探测结果容易受断层结构、多相流体共存及岩层非透明性等因素的限制，缺乏对实验结果的验证。因此，针对上述存在问题，如何提供一种方法，使其不仅能够提高煤层顶底板灾害潜在危险性的探测准确性，而且可充分提高煤炭开采效率和对含氢流体的排采效果，是本行业的研究方向之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤层顶底板含氢流体灾害的监测预警方法，不仅能够提高煤层顶底板含氢流体灾害潜在危险性的探测准确性，而且可充分提高煤炭开采效率及对含氢流体的排采效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤层顶底板含氢流体灾害的监测预警方法，具体步骤为：

a.待所需进行监测预警的煤层工作面开始回采时，超前工作面100m从巷道内向顶板岩层和底板岩层均钻取多个不同角度的钻孔，且每个钻孔的深度均至设计深度位置，其中向顶板岩层钻取的各个钻孔设计深度位置为钻孔到达顶板岩层下界限层；向底板岩层钻取的各个钻孔设计深度位置为钻孔到达底板岩层上界限层；采用泄压阀对钻孔进行高压封孔，并通过岩心取芯器对各个钻孔进行保压取芯，获得多个岩心；同时利用压力传感器监测封孔后钻孔内的流体压力大小，当超过安全阈值时自动开启泄压阀，将多余的压力流体排出；

b.采用低场核磁共振技术对一个岩心在初始、完全饱水/饱气、离心及完全干燥四种状态时的T₂弛豫分布进行监测，其中对完全饱水、离心两种状态下岩心测试能获得束缚水、自由水分布特征及T₂截止值；对初始、完全干燥两种状态下岩心测试能获得岩心含水率及岩体骨架孔隙分布；然后利用多态联测法对同一岩心不同状态的T₂弛豫曲线幅值作差，进而得到岩心内不同尺度孔隙占比及孔隙率特征参数，同时对不同围压条件下含气岩心测试获得瓦斯气体不同赋存特征数据；然后重复本步骤能对多个岩心进行测试，取平均值后最终得到多个岩心所处位置的岩体内不同尺度孔隙占比及孔隙率特征参数，及岩体内瓦斯气体不同赋存特征数据；