中圖分類號(hào)：P424.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0072-04

Abstract：Againstthebackgroundoftheincreasinglywidespreadapplicationof inteligentgasdrainagesystems，thispaper proposesanumericalsimulationanalysismethodbasedonaninteligentdatamanagementandcontrolplatformdrivenbymultifeldandmultiphasecoupledcores.Throughthismethod，theboreholeextractionprocessissimulatedandtheformation deformationandthechangelawsofairpressureinthecoalseamduringdirectionaldrilingareanalyzed.Theresearchresults show that： Simulating borehole extraction under the conditions of P₀ =8.71 MPa and T =303K，itwasfound that the formation air pressurechangedsignificantlydynamically.Thereservoirairpressuredroppedbyabout5O%within1Ominutesandthen stabilized;afterboreholeextraction，gasmigrationstabilizedandflowedtothelowpresureareaintheborehole.Theradiusof influenceofthepressureexpandswithtime，andthesurroundingairpressuredecreases，andtheincreaseininitialpressure significantlyincreasestheinfluencerangeandvolumeofgasdrainage.Thegasdesorptionandmigrationrateaccelerateunder highpressure，increasingthepressure gradientandflowspeed;Temperatureafectstherateofchangeofairpressrenearthe borehole.Atlowtemperatures，thegasviscosityislarge，resultinginslowchange，andathightemperatures，thegasviscosityis small and changes rapidly.

Keywords：gasdrainage;multi-fieldandmulti-phasecoupling;numericalsimulation;formationdeformation;pressrechange

隨著科技的發(fā)展，在煤礦瓦斯治理和抽采領(lǐng)域，瓦斯智能抽采系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，其全面的數(shù)據(jù)處理服務(wù)為井下瓦斯抽采過程中的決策提供了強(qiáng)有力的支持，是我國(guó)煤礦智能化進(jìn)程中礦井災(zāi)害防控智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是礦并高效精準(zhǔn)抽采瓦斯的現(xiàn)實(shí)需求[1-3]。鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)，作為瓦斯智能抽采系統(tǒng)的核心組成部分，通過實(shí)時(shí)傳輸鉆孔參數(shù)和軌跡4、傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息，對(duì)于監(jiān)控鉆孔施工過程、精確評(píng)估鉆孔質(zhì)量及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)瓦斯抽采效率發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

基于鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)的基礎(chǔ)，針對(duì)井下瓦斯抽采中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)一鉆孔路徑的精確布設(shè)、抽采效率的科學(xué)預(yù)測(cè)及其優(yōu)化等需求，本文提出一種基于管控平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的瓦斯抽采數(shù)值模擬分析方法。該方法的計(jì)算內(nèi)核基于多場(chǎng)多相耦合機(jī)理，面向深地高溫高壓滲流環(huán)境下瓦斯抽采過程中涉及的地層變形、固液交互、氣體運(yùn)移等特征。該方法能夠描述瓦斯氣體在應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)作用下的抽采運(yùn)移能力，為瓦斯抽采過程的模擬提供了更為精確的物理模型。通過整合智能鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)提供的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，該方法能夠?qū)Τ椴尚始俺煽追€(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)測(cè)，從而為煤礦瓦斯治理和氣體抽采提供了一套科學(xué)、高效的分析工具。

1數(shù)值模擬試驗(yàn)

在巖土工程中，數(shù)值模擬方法已成為解決復(fù)雜工程問題的有效工具之一。特別是對(duì)于具有非連續(xù)、非均質(zhì)、非線性特性的巖土體，數(shù)值模擬方法能夠提供深入的分析和解決方案。在瓦斯抽采領(lǐng)域，數(shù)值模擬分析方法尤為重要，因?yàn)樗軌蚰M和預(yù)測(cè)瓦斯在地層中的運(yùn)移行為，這對(duì)于預(yù)防瓦斯災(zāi)害和提高抽采效率具有重要意義。本文采用數(shù)值模擬分析方法，基于智能化數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)所采集的地層數(shù)據(jù)建立數(shù)值計(jì)算模型，可以實(shí)時(shí)分析定向鉆孔過程中地層的變形及煤層內(nèi)氣壓的變化規(guī)律。在模擬過程中，考慮了氣固耦合過程及溫度對(duì)動(dòng)力黏滯系數(shù)的影響。

1.1 模型建立

基于智能化數(shù)據(jù)管控平臺(tái)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的切面處建立模型分析。數(shù)值模型的建立基于一個(gè)高分辨率的計(jì)算網(wǎng)格，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元，共包含1115個(gè)單元和9175個(gè)節(jié)點(diǎn)，以確保模擬結(jié)果的精確性和可靠性。井口被設(shè)計(jì)在模型的正中心區(qū)域，煤層厚度設(shè)定為 3m ，井口半徑為 0.1m 。模擬區(qū)域既作為滲透層也作為儲(chǔ)氣層，煤儲(chǔ)層周圍設(shè)置了初始儲(chǔ)層壓力P₀ ，而井壁處的壓力設(shè)定為大氣壓強(qiáng)?？紤]到上下覆層不具有滲透性但存在初始儲(chǔ)層壓力，模型利用對(duì)稱性特征，采用平面應(yīng)變模型對(duì)整個(gè)區(qū)域截面進(jìn)行分析。

1.2計(jì)算參數(shù)的確定

以某一個(gè)切面的數(shù)值分析為例。模型的計(jì)算參數(shù)見表1，包括模型厚度、井筒半徑、煤層彈性模量、煤層泊松比、煤層孔隙率、煤層絕對(duì)滲透系數(shù)、瓦斯初始?jí)毫?、瓦斯密度、溫度及?biāo)準(zhǔn)大氣壓等。在煤礦瓦斯抽采的數(shù)值模擬中，關(guān)鍵參數(shù)的精確設(shè)定對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。幾何參數(shù)如模型厚度和井筒半徑影響計(jì)算網(wǎng)格和模擬范圍；力學(xué)參數(shù)，包括彈性模量和泊松比，影響煤層變形；孔隙率和滲透系數(shù)決定瓦斯存儲(chǔ)和運(yùn)移；而瓦斯初始?jí)毫兔芏扔绊憵鈮鹤兓厔?shì)；溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓分別影響瓦斯的物理化學(xué)特性和環(huán)境壓力模擬。這些參數(shù)的精確設(shè)定對(duì)于模型的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1氣壓分布及變化特征分析

通過對(duì) P₀=8.71MPa 和 T=303K 條件下的鉆孔抽采過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)地層中的氣壓分布及變化特征具有明顯的動(dòng)態(tài)變化。圖1展示了瓦斯抽采過程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn) （0.10min） 儲(chǔ)層氣壓的變化特征。從圖1中可以明顯看出，由于鉆孔的存在，氣體在儲(chǔ)層中逐漸向孔內(nèi)運(yùn)移，導(dǎo)致儲(chǔ)層中的氣壓值隨時(shí)間推移逐漸下降。特別地，在成孔后大約 10min ，儲(chǔ)層整體的氣壓值降低了約一半，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移狀態(tài)，此時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)仍然存在大量氣體可供抽采。

2.2 氣體流場(chǎng)特征分析

圖2描述了在上述情況（ P₀=8.71MPa 和 T=303K 下3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn) （5，10，20min ）煤氣層內(nèi)的氣體流場(chǎng)特征。從圖2中可以看出，成孔后瓦斯的運(yùn)移相對(duì)穩(wěn)定，并呈現(xiàn)向鉆孔內(nèi)部低壓區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象對(duì)于理解瓦斯的抽采動(dòng)態(tài)和優(yōu)化抽采策略具有重要意義。

2.3 鉆孔切線處瓦斯壓力分布演化

鉆孔切線處瓦斯壓力的分布演化對(duì)于精確模擬和分析至關(guān)重要。這一過程不僅直接關(guān)系到瓦斯抽采效率的優(yōu)化，而且對(duì)抽采安全性的評(píng)估具有決定性影響。瓦斯壓力分布的演化是一個(gè)涉及多個(gè)物理化學(xué)過程的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，包括瓦斯在煤層中的吸附、解吸、擴(kuò)散和流動(dòng)等。在鉆孔抽采過程中，瓦斯壓力分布受到多種因素的影響，這些因素包括但不限于初始瓦斯壓力、煤層滲透性、抽采速率及地應(yīng)力等。鉆孔切線處作為瓦斯釋放的前沿區(qū)域，其壓力變化是瓦斯抽采動(dòng)態(tài)特性的直接反映。

在上述工況下，以鉆孔為中心繪制鉆孔切線處瓦斯壓在抽采過程中多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的分布演化圖。數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)可根據(jù)采集數(shù)據(jù)結(jié)合模擬分析輸出該演化圖，用于分析和預(yù)測(cè)抽采半徑及抽采量情況。隨著抽采時(shí)間的推進(jìn)，氣壓影響半徑逐漸擴(kuò)大至分析邊界。以鉆孔為中心的周圍氣壓值逐漸降低，并隨后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這一演化對(duì)于分析和預(yù)測(cè)抽采半徑及抽采量情況具有重要的參考價(jià)值，為瓦斯抽采的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。

2.4 不同初始?xì)鈮汗r對(duì)比

初始?xì)鈮菏怯绊懗椴尚屎桶踩缘年P(guān)鍵參數(shù)之一。圖3描述了在不同初始?xì)鈮簵l件下鉆孔 30min 后儲(chǔ)層的氣壓分布情況，揭示了初始?xì)鈮簩?duì)抽采過程的顯著影響。初始?xì)鈮菏侵冈诔椴汕皟?chǔ)層中瓦斯的壓力水平，它直接影響瓦斯的存儲(chǔ)狀態(tài)和抽采過程中的釋放速率。模擬結(jié)果表明，隨著初始?xì)鈮旱脑黾?，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。在高初始?xì)鈮涵h(huán)境下，瓦斯的解吸和運(yùn)移速率增加，這導(dǎo)致鉆孔周圍的氣壓梯度更加陡峭，進(jìn)而增加了瓦斯的流動(dòng)速度。這種動(dòng)態(tài)變化對(duì)于抽采策略的制定至關(guān)重要，因?yàn)樗馕吨诟叱跏細(xì)鈮簵l件下，可以采取更積極的抽采措施，以實(shí)現(xiàn)更快的瓦斯釋放和更高的抽采效率。

進(jìn)一步分析抽采效率與初始?xì)鈮旱年P(guān)系。抽采效率是指在單位時(shí)間內(nèi)從煤層中提取瓦斯的量。圖3中的數(shù)據(jù)表明，隨著初始?xì)鈮旱脑黾?，周圍影響區(qū)的氣壓值均降低約一半，表明高初始?xì)鈮涵h(huán)境下的抽采速率顯著高于低初始?xì)鈮涵h(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化抽采策略具有重要的指導(dǎo)意義，因?yàn)樗崾疚覀冊(cè)诟叱跏細(xì)鈮簵l件下，可以通過調(diào)整抽采參數(shù)（如鉆孔深度、間距和抽采速率）來提高抽采效率。

在煤礦瓦斯抽采領(lǐng)域，初始?xì)鈮簵l件對(duì)鉆孔切線處的氣壓分布演化具有顯著影響。在高初始?xì)鈮涵h(huán)境下，相同的抽采時(shí)間間隔內(nèi)，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。這一現(xiàn)象表明，高初始?xì)鈮簵l件下的瓦斯流動(dòng)更為迅速，導(dǎo)致氣壓影響范圍擴(kuò)大，抽采速率增加。這對(duì)于優(yōu)化抽采策略和提高抽采效率具有重要的指導(dǎo)意義。

基于圖3分析結(jié)果，可以提出以下優(yōu)化抽采策略的建議：在高初始?xì)鈮簵l件下，應(yīng)考慮增加鉆孔數(shù)量或減小鉆孔間距，以充分利用高氣壓帶來的高抽采速率；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)瓦斯抽采系統(tǒng)的處理能力，以應(yīng)對(duì)高抽采速率帶來的瓦斯流量增加。在低初始?xì)鈮簵l件下，則需要考慮采取溫和的抽采措施，以避免過度抽采導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

2.5不同溫度環(huán)境下的抽采情況分析

在煤礦瓦斯治理和氣體抽采過程中，溫度是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，它直接影響瓦斯的物理化學(xué)性質(zhì)和抽采動(dòng)態(tài)。溫度作為影響瓦斯吸附和解吸行為的關(guān)鍵因素，其變化會(huì)改變瓦斯在煤層中的吸附平衡和解吸速率。在較低溫度下，瓦斯分子運(yùn)動(dòng)減緩，導(dǎo)致吸附作用增強(qiáng)；而在較高溫度下，分子運(yùn)動(dòng)加劇，解吸作用增強(qiáng)。此外，溫度的升高會(huì)增加瓦斯的黏度，影響其在煤層孔隙中的流動(dòng)性。因此，動(dòng)力黏滯系數(shù)作為描述流體黏滯性的重要參數(shù)，在不同溫度條件下表現(xiàn)出顯著差異，對(duì)瓦斯抽采過程具有重要影響。

該模型同時(shí)具備處理不同溫度環(huán)境下煤氣層抽采情況分析的能力。2種溫度條件下（ 20.60°C 鉆孔切線氣壓分布不同。2種溫度條件對(duì)應(yīng)了不同的動(dòng)力黏滯系數(shù)。 20% 時(shí)動(dòng)力黏滯系數(shù)取 1.08×10^-5Pa?s，60^°C 時(shí)動(dòng)力黏滯系數(shù)取 1.21×10^-5Pa?s， 。這些參數(shù)的設(shè)定基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)調(diào)研，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

在 20^qC 和 60^°C 兩種溫度條件下鉆孔切線氣壓分布的演化情況，溫度條件對(duì)鉆孔附近的氣壓變化速率存在一定的影響。在較低溫度下，由于瓦斯黏度較大，氣壓變化速率相對(duì)較慢；而在較高溫度下，瓦斯黏度較小，氣壓變化速率加快。這種差異反映了溫度對(duì)瓦斯流動(dòng)性的影響，進(jìn)而影響了瓦斯抽采的動(dòng)態(tài)過程。

盡管溫度對(duì)氣壓變化速率有影響，但模擬結(jié)果表明，對(duì)于抽采的邊界范圍及抽采量數(shù)據(jù)的影響較小。這可能是因?yàn)樵诒狙芯康臈l件下，孔隙率較低，瓦斯的流動(dòng)性受到限制，從而減弱了溫度對(duì)抽采邊界和抽采量的影響。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化抽采策略具有重要意義，因?yàn)樗砻髟诓煌臏囟葪l件下，抽采策略可能需要針對(duì)氣壓變化速率進(jìn)行微調(diào)，但對(duì)整體抽采效率的影響有限。

3結(jié)論

本文提出一種由多場(chǎng)多相耦合內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的基于智能化數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)的數(shù)值模擬分析方法，該方法通過結(jié)合智能鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)所提供的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，不僅能夠提供瓦斯抽采過程的詳細(xì)模擬，還能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，為煤礦瓦斯治理和氣體抽采提供了一種全新的、高效的解決方案。本文采用該方法開展了瓦斯抽采數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，相關(guān)研究結(jié)論如下。

1）在 P₀=8.71MPa 和 T=303K 條件下模擬鉆孔抽采過程，結(jié)果顯示地層氣壓分布呈現(xiàn)顯著的動(dòng)態(tài)變化。鉆孔的存在促使氣體向孔內(nèi)運(yùn)移，導(dǎo)致儲(chǔ)層氣壓隨時(shí)間遞減。大約 10min 后，儲(chǔ)層氣壓值下降約 50% ，隨后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)移狀態(tài)。

2）通過對(duì)鉆孔抽采過程進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，成孔后瓦斯的運(yùn)移相對(duì)穩(wěn)定，并呈現(xiàn)向鉆孔內(nèi)部低壓區(qū)流動(dòng)的趨勢(shì)。隨著抽采時(shí)間的推進(jìn)，氣壓影響半徑逐漸擴(kuò)大至分析邊界。以鉆孔為中心的周圍氣壓值逐漸降低，并隨后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

3）隨著初始?xì)鈮旱脑黾?，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。在高初始?xì)鈮涵h(huán)境下，瓦斯的解吸和運(yùn)移速率增加，這導(dǎo)致鉆孔周圍的氣壓梯度更加陡峭，進(jìn)而增加了瓦斯的流動(dòng)速度。

4）溫度條件對(duì)鉆孔附近的氣壓變化速率存在一定的影響。在較低溫度下，由于瓦斯黏度較大，氣壓變化速率相對(duì)較慢；而在較高溫度下，瓦斯黏度較小，氣壓變化速率加快。

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