喬飛云

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司, 山西 呂梁市 033000)

0 引 言

在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中,煤炭占有很大比例,雖然煤炭消費(fèi)持續(xù)降低,但是“十三五”末,煤炭還是主要能源,約占62%,隨著煤炭的大量回采,淺埋深煤層已趨于殆盡,煤礦企業(yè)不得不向深部延伸。深部開采煤層瓦斯高[1-4],壓力大,易發(fā)生瓦斯事故,目前采取的方法主要是對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采。瓦斯抽采最重要的一項(xiàng)是確定瓦斯抽采半徑,而確定抽采半徑最好的方法是數(shù)值模擬[5],本文以山西某礦為實(shí)驗(yàn)礦井,采用COMSOL數(shù)值模擬軟件模擬不同抽采條件各參數(shù)對(duì)抽采半徑的影響。

1 模型建立及參數(shù)

根據(jù)山西某礦S1206工作面的特征,建立模型,模型大小60 m×8 m,模型頂部有自身重力,大小9.85 MPa,底部固定,兩側(cè)和頂部自由,模型如圖1所示。主要參數(shù)包括：水分7.99%,灰分3.01%,泊松比0.28,彈性模量 2980 MPa,吸附常數(shù) 0.598 MPa－1,甲烷粘性系數(shù)1.12×10－5Pa·s,滲透率4.9×10－16m2,固結(jié)系數(shù) 0.796,密度 1.45 g/cm3,klikenberg系數(shù)0.301。

圖1 數(shù)值模擬

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 時(shí)間與抽采半徑關(guān)系

模擬了130 d的瓦斯壓力變化,得出了不同抽采時(shí)間的瓦斯抽采半徑,抽采10 d時(shí),抽采半徑為0.201 m,30 d時(shí),抽采半徑為0.321 m,50 d時(shí),抽采半徑為0.513 m,70 d時(shí),抽采半徑為0.822 m,90 d時(shí),抽采半徑為1.336 m,110 d時(shí),抽采半徑為2.154 m,130 d時(shí),抽采半徑為3.627 m,得出其關(guān)系函數(shù),r＝0.0219 t1.1254(R＝0.9701),由關(guān)系函數(shù)可知,抽采半徑,隨著抽采時(shí)間的延長而逐漸增加,時(shí)間是影響抽采半徑大小的主要因素。

2.2 滲透率與抽采半徑關(guān)系

在一定的壓差下,煤巖的滲透率越大,則煤巖允許氣體通過的能力越強(qiáng),滲透率直接關(guān)系著瓦斯在煤載體內(nèi)流動(dòng)阻力的大小,也就影響著瓦斯抽采的難易[6]。為了考察滲改變透率在進(jìn)行瓦斯抽采時(shí),其效果的好壞,模擬了相同的瓦斯賦存條件下滲透率變化引起的有效半徑變化情況,對(duì)抽采半徑和煤層滲透率進(jìn)行擬合得出如圖2所示的結(jié)果。

由圖2可知,煤層的滲透率越大,抽采半徑越大,當(dāng)增大到某值時(shí),可以不進(jìn)行抽采,瓦斯可自由逸散,說明煤層滲透率是影響瓦斯抽采半徑的主要因素。

圖2 抽采半徑與滲透率關(guān)系曲線

2.3 抽采負(fù)壓與抽采半徑關(guān)系

對(duì)抽采半徑和抽采負(fù)壓進(jìn)行擬合(抽采80 d),初始瓦斯壓力1.71 MPa,得出如圖3所示的結(jié)果。

圖3 抽采半徑與抽采負(fù)壓關(guān)系曲線

由圖3可知,抽采半徑隨著負(fù)壓的增大而增大,通過擬合特征可知,抽采負(fù)壓對(duì)于半徑的影響較小,在進(jìn)行瓦斯抽采效果時(shí),可以不予考慮。

2.4 地應(yīng)力與抽采半徑關(guān)系

地應(yīng)力不同會(huì)引起煤層的滲透率和透氣性系數(shù)的變化,從而影響瓦斯氣體的流動(dòng),對(duì)不同地應(yīng)力下的抽采半徑進(jìn)行了分析,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為7.98 MPa時(shí),抽采半徑為1.311 m,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為10.98 MPa時(shí),抽采半徑為1.201 m,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為13.98 MPa時(shí),抽采半徑為1.098 m,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為16.98 MPa,時(shí)抽采半徑為1.039 m,當(dāng)?shù)貞?yīng)力為19.98 MPa時(shí),抽采半徑為0.898 m,當(dāng)?shù)貞?yīng)力每增加3 MPa時(shí),半徑的減少幅度較小,說明地應(yīng)力對(duì)抽采半徑影響較小,不是主要影響因素。

2.5 鉆孔直徑與抽采半徑關(guān)系

模擬了不同鉆孔直徑對(duì)抽采半徑的影響,其模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,隨著鉆孔直徑的增大,抽采半徑逐漸增大,在40 d內(nèi),鉆孔直徑影響不大,中后期,抽采半徑變化明顯,說明在抽采中后期,孔徑對(duì)抽采效果影響較大。

圖4 抽采負(fù)壓與抽采半徑關(guān)系

3 結(jié) 論

采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對(duì)山西某礦煤層瓦斯抽采半徑影響因素進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論：

(1)得出了時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系函數(shù),反映了時(shí)間是影響抽采半徑的主要因素;

(2)煤層的滲透率越大,抽采半徑越大,當(dāng)增大到某值時(shí),可以不進(jìn)行抽采,瓦斯可自由逸散,說明煤層滲透率是影響瓦斯抽采半徑的主要因素;

(3)抽采半徑隨著負(fù)壓的增大而增大,但影響較小,在進(jìn)行瓦斯抽采效果時(shí),對(duì)于抽采半徑可以不予考慮;

(4)當(dāng)?shù)貞?yīng)力每增加3 MPa時(shí),抽采半徑的減少幅度較小,地應(yīng)力對(duì)抽采半徑影響較小,不是主要影響因素;

(5)隨著鉆孔直徑的增大,抽采半徑逐漸增大,前期,鉆孔直徑影響不大,中后期,鉆孔直徑對(duì)抽采效果影響較大。