樊建明

瓦斯抽采半徑影響因素數(shù)值模擬分析

樊建明

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 呂梁市 033000)

瓦斯事故嚴(yán)重威脅煤礦高產(chǎn)高效發(fā)展，瓦斯抽采對于煤礦安全具有重要意義，有效抽采半徑對于瓦斯鉆孔布置具有至關(guān)重要的作用，以山西某煤礦為實驗礦井，基于廣義偏微分方程以及瓦斯賦存和流動理論，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對瓦斯抽采時間、鉆孔直徑、抽采負(fù)壓對于鉆孔有效抽采半徑進行分析研究，研究結(jié)果表明，抽采時間對于有效抽采半徑影響最大；瓦斯壓力隨著時間的增長呈現(xiàn)減少-穩(wěn)定的變化趨勢；鉆孔半徑和抽采負(fù)壓對于有效半徑影響較小，其最優(yōu)結(jié)果為82 mm和10 kPa。

煤礦安全;抽采半徑;瓦斯抽采;數(shù)值模擬

0 引 言

我國是煤炭大國，隨著煤炭資源的大量回采，淺埋深煤層趨于殆盡，煤礦企業(yè)不得不向深部發(fā)展。深部開采面臨“三高一低”的困擾，瓦斯抽采是高瓦斯礦井必須的工作。但瓦斯鉆孔抽采半徑的確定是瓦斯抽采的重要問題[1-4]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對于瓦斯抽采半徑進行了大量的研究。張權(quán)[5]等采用數(shù)值模擬軟件對某礦抽采半徑影響因素進行了分析，得出相關(guān)影響因素關(guān)系；徐明智等采用Flent模擬了瓦斯抽采半徑與影響因素之間的關(guān)系，分析了鉆孔直徑、滲透率、抽采負(fù)壓的關(guān)系，并總結(jié)了抽采影響關(guān)系；張鈞祥[6]等采用數(shù)值模擬軟件對擴散-滲流機理的瓦斯抽采進行了研究，模擬了不同抽采時間下的瓦斯壓力、有效半徑變化特征，驗證了模擬結(jié)果與實際吻合；李桂波[7]等采用水力壓裂技術(shù)對再造裂隙特征進行了分析，并以陽泉礦區(qū)某礦進行了應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，水力割縫技術(shù)技術(shù)瓦斯抽采技術(shù)具有非常好的效果；楊前意[8]等采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬了五輪山煤礦順層瓦斯抽采半徑分析結(jié)果，研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬能夠很好的準(zhǔn)確的模擬瓦斯抽采半徑；馬鵬翔[9]等采用數(shù)值模擬對煤礦瓦斯抽采進行了研究，分析了鉆孔抽采時的瓦斯云意規(guī)律，驗證了煤層氣鉆孔抽采作用機理，為加快煤層氣鉆孔抽采新工藝研發(fā)速度,提高煤層氣鉆孔抽采效率提供參考；屈海軍[10]以鶴煤十礦為試驗礦井，基于瓦斯平面流動理論，推導(dǎo)了抽采半徑公式，為后續(xù)瓦斯抽采瓦斯鉆孔的布置提供了科學(xué)依據(jù)。

以上學(xué)者對瓦斯抽采半徑進行了影響因素的研究，缺少廣義偏微分方程的研究，本文采用數(shù)值模擬軟件基于偏微分方程對瓦斯抽采半徑進行了分析研究。

1 基于偏微分模型

1.1 瓦斯含量

煤層開采后，覆巖發(fā)生破壞，形成大量的裂隙，吸附狀態(tài)瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)瓦斯，大量的瓦斯沿著裂縫流動到直接頂巖石裂縫中，此處瓦斯含量 較高。

隨著工作面的不斷回采，采空區(qū)會滯留大量的煤炭，煤炭不斷解析出瓦斯，導(dǎo)致工作面一定距離內(nèi)瓦斯含量較高。

采用COMSOL的二次開發(fā)軟件進行鉆孔瓦斯抽采的三維數(shù)值模擬，采用的偏微分開發(fā)方程為：

式中，為煤巖孔隙率；為時間，s；為瓦斯壓力，MPa；K為煤巖滲透率；為瓦斯煤巖的體積應(yīng)變。

瓦斯抽采鉆孔多采用孔隙率和瓦斯壓力進行綜合計算。而瓦斯抽采的主要是抽采游離狀態(tài)下的瓦斯，因此，其計算公式為：

式中，為游離狀態(tài)下瓦斯含量，m3；為相關(guān)系數(shù)，一般取1。

而對于瓦斯吸附狀態(tài)下的含量可用煤層中的水含量，可燃物百分比來進行研究，其吸附瓦斯含量計算公式為：

式中，為吸附常數(shù)，m3/t；為吸附常數(shù)，MPa?1。

綜合以上公式得出煤層瓦斯含量為：

1.2 瓦斯流速

煤層開采后，形成了大量的裂隙，游離狀態(tài)下的瓦斯必然在裂隙中流動，其流動規(guī)律符合達西定律，則瓦斯流動速度為：

式中，為瓦斯黏度，Pa/s?1；p為瓦斯壓力梯度。

1.3 瓦斯參數(shù)

模型采用平面模型進行模擬。模型先進行開采，使得開采后的應(yīng)力接近實際地應(yīng)力情況。以山西某礦為實驗礦井，采用其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，煤層密度為1.34 g/cm3；孔隙率0.058；甲烷粘性系數(shù)1.02×10?5Pa?s；瓦斯原始壓力為1.8 MPa；瓦斯初始滲透率1.06×10?5Pa?s；甲烷密度為0.689 g/cm3。

2 模擬研究與分析

數(shù)值模擬邊界條件如圖1所示。數(shù)值模擬結(jié)果壓力分布圖如圖2所示[6, 8, 11]。

圖1 數(shù)值模擬邊界條件

2.1 抽采時間

由圖2以及抽采數(shù)據(jù)可知，隨著抽采天數(shù)的增加瓦斯含量呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化。以瓦斯抽采壓力0.52 MPa作為臨界瓦斯抽采數(shù)值，在其范圍內(nèi)可以實現(xiàn)瓦斯抽采，得出不同時間的瓦斯抽采半徑，當(dāng)抽采天數(shù)為30 d時，其瓦斯抽采半徑為1.49 m，當(dāng)抽采時間為60 d時，其瓦斯抽采半徑為1.87 m。從其分布圖可知瓦斯壓力隨著時間變化而變化，瓦斯壓力隨著時間的增長而降低，變化趨勢為減少?穩(wěn)定。表明瓦斯抽采可以降低瓦斯壓力，起到抽采 目的。

圖2 數(shù)值模擬鉆孔瓦斯分布特征

2.2 鉆孔半徑

鉆孔半徑對于瓦斯抽采效果具有一定的影響，采用不同的瓦斯抽采直徑，對瓦斯抽采進行分析。模擬56，82，111，123 mm，4種瓦斯鉆孔直徑進行瓦斯抽采分析。以瓦斯抽采壓力0.52 MPa作為臨界瓦斯抽采數(shù)值。在一定時間內(nèi)其抽采數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同鉆孔直徑下瓦斯抽采半徑

由表1可知，隨著時間的增長，鉆孔抽采半徑不斷變大，但是相差較小，由此可知，瓦斯抽采直徑對于瓦斯抽采半徑影響較小，根據(jù)鉆孔經(jīng)濟以及鉆孔施工難度，優(yōu)選82 mm直徑的鉆孔。

2.3 抽采負(fù)壓

采用不同的抽采負(fù)壓分析其對抽采半徑的影響，選擇抽采負(fù)壓分別為10，20，30 kPa，鉆孔直徑為82 mm進行分析。得出不同抽采負(fù)壓下的有效抽采半徑數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，隨著時間的抽采，不同抽采負(fù)壓下瓦斯抽采半徑變化不大，抽采負(fù)壓對于抽采鉆孔半徑影響較小，若從有效性進行分析，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)條件下應(yīng)選擇10 kPa的孔口作為抽采負(fù)壓。

3 結(jié) 論

基于廣義偏微分方程以及瓦斯賦存和流動理論，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對瓦斯抽采時間、鉆孔直徑、抽采負(fù)壓對于鉆孔有效抽采半徑進行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）抽采時間對于有效抽采半徑影響最大。

（2）瓦斯壓力隨著時間的增長呈現(xiàn)減少?穩(wěn)定的變化趨勢。

（3）鉆孔半徑和抽采負(fù)壓對于有效半徑影響較小，其最優(yōu)結(jié)果為82 mm和10 kPa。

[1] 王曉蕾,秦啟榮,熊祖強,等.層次注漿工藝在松軟巷道破碎圍巖加固中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2017,13(1):206-212.

[2] 熊祖強,王曉蕾.承壓水上工作面破壞及裂隙演化相似模擬試驗[J].地下空間與工程學(xué)報,2014,10(5):1114-1120.

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[4] 熊祖強,王曉蕾.復(fù)合頂板綜放面覆巖破壞及裂隙演化相似模擬試驗[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(10):22-28.

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[6] 徐明智,李希建.煤層瓦斯抽放半徑及其影響因素的數(shù)值模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012,38(12):28-30.

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[8] 李桂波,馮增朝,王彥琪,等.基于擴散-滲流機理瓦斯抽采三維模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2015,11(5):1362-1366.

[9] 楊前意,石必明,張雷林.五輪山順層鉆孔抽采半徑的數(shù)值研究[J].煤炭技術(shù),2018(8):215-217.

[10] 張鵬翔,馬 曙,周炳秋.貴州煤層氣鉆孔抽采數(shù)值分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2016(8):25-27

[11] 王忠忠,王曉麗,韓恩光.唐安煤礦有效抽采半徑測定研究[J].中國煤炭,2018,44(10):158-162.

(2018-11-27)

樊建明(1975—),男,山西呂梁人,主要從事煤礦開采技術(shù)工作,Email:495960648@qq.com。