順層單鉆孔抽采瓦斯的數(shù)值模擬分析

孫志剛

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)，山西 交城 030500）

利用計(jì)算機(jī)對(duì)鉆孔瓦斯抽采下的瓦斯?jié)B流進(jìn)行數(shù)值模擬的，可以方便快捷地得出與實(shí)際物理過程相接近的模擬結(jié)果，對(duì)工程中實(shí)際鉆孔抽采瓦斯具有普遍的理論指導(dǎo)意義[1-3]。

本文建立了315工作面順層單鉆孔瓦斯抽采的非定常固氣耦合模型，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件COMSOL對(duì)順層單鉆孔抽采瓦斯的工況進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場有關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建模型的正確性和所用軟件的有效性[4-5]。

1 非定常耦合模型建立

1.1 315工作面概況

315綜放工作面布置于15#煤層3采區(qū)，工作面巷道布置方式為單U+高抽巷模式，煤厚5.5m，采面長度205m，可采長度1050m。根據(jù)本礦對(duì)315工作面軌順和315皮順做的瓦斯含量測定數(shù)據(jù)來看，315工作面瓦斯含量為3.5～5.0m3/t之間，殘存瓦斯含量為2.0m3/t，瓦斯壓力為0.186～0.285MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù) 0.54～0.6，透氣性系數(shù) 0.01m2/MPa2·d。工作面北為313采空區(qū)，南為未開拓煤田，西為15#南軌道、南皮帶、南回風(fēng)大巷，東為新區(qū)井田邊界。工作面回采范圍內(nèi)不受大的斷層等地質(zhì)條件影響，有1個(gè)小斷層，F(xiàn)11正斷層（落差8m、傾角70°）。頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。15#煤層上方43m處為12#煤層，上方85m為9#煤層。煤層底板標(biāo)高1005～1048m；埋藏深度337～437m。

1.2 工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀

抽采工程類型包括掘進(jìn)高抽巷和鉆孔施工工程；抽采工程量為完成高抽巷掘進(jìn)1087m，315高抽巷密閉后接Φ610mm螺旋焊縫鋼管對(duì)裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽采。315工作面軌道順槽內(nèi)鉆孔開工時(shí)間為2015年8月3日，竣工時(shí)間為2016年3月4日。共施工鉆孔172個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺20571m，其中本煤層鉆孔59個(gè)，進(jìn)尺11690m，裂隙帶鉆孔104個(gè)，進(jìn)尺8320m。根據(jù)鉆孔施工記錄，無噴孔、頂鉆、卡鉆等現(xiàn)象。噸煤鉆孔量0.01m。因315工作面可解析瓦斯含量在1.5～3m3/t，本身瓦斯含量已達(dá)到抽采達(dá)標(biāo)煤量，故不需要預(yù)抽期。

（1）315工作面回風(fēng)順槽鉆孔參數(shù)

在切眼往外400m巷道范圍內(nèi)布置62個(gè)本煤層孔，孔間距6m，進(jìn)尺12320m，進(jìn)行本煤層孔采前預(yù)抽；整個(gè)回風(fēng)順槽布置106個(gè)頂板孔，孔間距10m，進(jìn)尺8480m，降低回采期間上隅角區(qū)上部裂隙帶高濃度瓦斯；切眼向高抽巷位置5個(gè)瓦斯釋放孔，孔間距10m，進(jìn)尺308m，聯(lián)通切眼和高抽巷，初采期間，老頂未垮落，裂隙未形成，高抽巷通過釋放孔將未垮落采空區(qū)瓦斯抽走；軌順巷道里幫距切眼30m到70m范圍內(nèi)施工9個(gè)冒落帶鉆孔，孔間距5m，進(jìn)尺561m，解決初采期間老頂來壓涌出的瓦斯和高抽巷未起作用期間的瓦斯抽放問題。

鉆孔施工完畢后及時(shí)封孔并網(wǎng)到315軌道順槽高、低負(fù)壓抽采管路上盡量增加預(yù)抽時(shí)間。下表1為鉆孔參數(shù)表。

表1 回風(fēng)順槽鉆孔參數(shù)

（2）高抽巷抽采

315高抽巷掘進(jìn)到位后，從12#公共高抽巷接設(shè)Φ610的瓦斯主管，管路接至315高抽巷以里40m,抽放口5m左右架設(shè)木垛保護(hù)。管路接好后，外口砌筑密閉墻，閉前留設(shè)抽采管路，在回采前管路并入大系統(tǒng)由地面永久瓦斯泵站抽采。

圖1 315軌順抽采鉆孔平面示意圖

圖2 頂板鉆孔示意圖

1.3 順層單鉆孔瓦斯抽采固氣耦合模型

實(shí)際的鉆孔瓦斯抽采過程是在三維空間中進(jìn)行的，而建立三維模型的尺度太大，計(jì)算的時(shí)間和空間復(fù)雜度相當(dāng)高，考慮到315工作面的順層鉆孔深度尺度遠(yuǎn)大于煤層厚度，可以將所研究的煤層瓦斯抽采模型簡化為二維模型。因此依據(jù)315工作面具體條件和基本假設(shè)，建立順層單鉆孔瓦斯抽采的二維平面模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。其中，煤體固體變形為平面應(yīng)變模型，瓦斯?jié)B流也為一般的平面模型。

根據(jù)315工作面上覆巖層厚度和密度可計(jì)算出模型的頂端邊界上承受有12MPa的壓力，同時(shí)煤層自身及其頂板的重力也一并考慮。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 鉆孔卸壓區(qū)和應(yīng)力分布

從圖3所示的鉆孔卸壓區(qū)可以看出，在鉆孔的左右兩側(cè)形成小范圍的應(yīng)力集中區(qū)，而在鉆孔上下兩側(cè)形成0.3m的應(yīng)力降低區(qū)，由此可以看出由于大直徑鉆孔的出現(xiàn)，使得鉆孔周圍煤體的應(yīng)力集中在了鉆孔左右兩側(cè)，從而使得鉆孔上部和下部的煤體應(yīng)力降低，起到了卸壓作用。鉆孔上部和下部煤層壓力由原先的12MPa降低為4MPa。由于315工作面埋深為480m，上覆壓力較大，鉆孔打鉆后形成的塑性區(qū)較小，大約為0.1m，鉆孔打鉆后形成的卸壓范圍較小。

圖3 鉆孔卸壓區(qū)

2.2 單鉆孔自然瓦斯流量及其衰減系數(shù)

根據(jù)《中興煤業(yè)15號(hào)煤層瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告》中315工作面現(xiàn)場實(shí)測得出初始百米鉆孔瓦斯流量為0.2460～0.449m3/min，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.2443～0.265d-1。取鉆孔直徑為115mm，孔壁邊界壓力設(shè)為環(huán)境大氣壓力。通過數(shù)值模擬，得到了300min內(nèi)百米鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 百米鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間衰減曲線

鉆孔瓦斯流量Q由孔壁涌出速度V沿其周長L積分，再乘以鉆孔長度L1得到：

根據(jù)圖4的擬合曲線，百米鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間變化符合雙指數(shù)衰減關(guān)系：

圖4所示的變化趨勢(shì)與實(shí)際較一致，鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間衰減先快后慢，大約在50min后趨于穩(wěn)定。模擬得到的初始百米鉆孔瓦斯流量在第3min時(shí)為0.421m3/min與現(xiàn)場實(shí)測值0.2460～0.449m3/min相符。這是由于現(xiàn)場測定受到各種因素的影響，難以做到快速測定，使得測定結(jié)果偏小。

為了獲得每天的鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，取模擬時(shí)間步長為1d，得到模擬結(jié)果見圖5。通過數(shù)據(jù)擬合，可以分析出鉆孔自然瓦斯流量隨時(shí)間衰減呈雙指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

圖5 百米鉆孔自然瓦斯流量隨時(shí)間衰減曲線

其相關(guān)系數(shù)為R2=0.993，由式（3）可知，模擬得到兩個(gè)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)分別為0.2458d-1和0.004021d-1，其中第一衰減系數(shù)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與實(shí)際值0.2443～0.265d-1相當(dāng)接近。表明鉆孔流固耦合模型是符合實(shí)際的。

2.3 單鉆孔瓦斯抽采流量及其衰減系數(shù)

根據(jù)所建模型和表3所設(shè)參數(shù)，鉆孔直徑取現(xiàn)場實(shí)際值115mm，抽采負(fù)壓取現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)13kPa，模擬時(shí)間取60d。采用COMSOLMultiphysics軟件，煤層瓦斯運(yùn)移模型選擇達(dá)西滲流方程，單鉆孔瓦斯抽采模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 鉆孔瓦斯抽采流量隨時(shí)間衰減規(guī)律

通過數(shù)據(jù)擬合，可得百米鉆孔瓦斯抽采流量隨時(shí)間衰減符合如下的雙負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

式（4）的擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.995，其中優(yōu)勢(shì)指數(shù)衰減系數(shù)為0.2886d-1，略大于自然瓦斯流量衰減系數(shù)，表明鉆孔施加了抽采負(fù)壓后，加速了瓦斯流量的衰減。這與現(xiàn)場實(shí)際規(guī)律是相符合的。

3 結(jié)語

本文根據(jù)315煤層運(yùn)輸巷實(shí)際情況，利用Comsol-Multiphysics軟件建立相關(guān)的流固耦合模型。通過數(shù)值模擬，得出順層單鉆孔形成的卸壓帶、鉆孔瓦斯流量以及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)三個(gè)方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：

（1）煤體單鉆孔在12MPa上覆地層壓力作用下形成的卸壓區(qū)較小，約為0.3m，與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相一致。

（2）鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間衰減先快后慢，大約在50min后趨于穩(wěn)定。模擬得到的初始百米鉆孔瓦斯流量在第3min時(shí)為0.421m3/min與現(xiàn)場實(shí)測值0.2460～0.449m3/min相符。

（3）通過模擬60d鉆孔瓦斯抽采，將得出的瓦斯抽采流量經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出了鉆孔瓦斯流量速度隨時(shí)間先快后慢，與現(xiàn)場實(shí)際規(guī)律相符合。優(yōu)勢(shì)指數(shù)衰減系數(shù)為0.2458d-1，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)0.2443～0.265d-1基本符合。