瓦斯抽采半徑影響因素數值模擬分析

樊建明

瓦斯抽采半徑影響因素數值模擬分析

樊建明

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 呂梁市 033000)

瓦斯事故嚴重威脅煤礦高產高效發(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數值模擬軟件對瓦斯抽采時間、鉆孔直徑、抽采負壓對于鉆孔有效抽采半徑進行分析研究，研究結果表明，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減少-穩(wěn)定的變化趨勢；鉆孔半徑和抽采負壓對于有效半徑影響較小，其最優(yōu)結果為82 mm和10 kPa。

煤礦安全;抽采半徑;瓦斯抽采;數值模擬

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]。

國內外眾多學者對于瓦斯抽采半徑進行了大量的研究。張權[5]等采用數值模擬軟件對某礦抽采半徑影響因素進行了分析，得出相關影響因素關系；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系，分析了鉆孔直徑、滲透率、抽采負壓的關系，并總結了抽采影響關系；張鈞祥[6]等采用數值模擬軟件對擴散-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，驗證了模擬結果與實際吻合；李桂波[7]等采用水力壓裂技術對再造裂隙特征進行了分析，并以陽泉礦區(qū)某礦進行了應用。實驗結果表明，水力割縫技術技術瓦斯抽采技術具有非常好的效果；楊前意[8]等采用數值模擬技術模擬了五輪山煤礦順層瓦斯抽采半徑分析結果，研究結果表明，數值模擬能夠很好的準確的模擬瓦斯抽采半徑；馬鵬翔[9]等采用數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依據。

以上學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，導致工作面一定距離內瓦斯含量較高。

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；為相關系數，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，m3/t；為吸附常數，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

模型采用平面模型進行模擬。模型先進行開采，使得開采后的應力接近實際地應力情況。以山西某礦為實驗礦井，采用其相關的力學參數，煤層密度為1.34 g/cm3；孔隙率0.058；甲烷粘性系數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

數值模擬邊界條件如圖1所示。數值模擬結果壓力分布圖如圖2所示[6, 8, 11]。

圖1 數值模擬邊界條件

2.1 抽采時間

由圖2以及抽采數據可知，隨著抽采天數的增加瓦斯含量呈現一定規(guī)律的變化。以瓦斯抽采壓力0.52 MPa作為臨界瓦斯抽采數值，在其范圍內可以實現瓦斯抽采，得出不同時間的瓦斯抽采半徑，當抽采天數為30 d時，其瓦斯抽采半徑為1.49 m，當抽采時間為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值。在一定時間內其抽采數據如表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，根據鉆孔經濟以及鉆孔施工難度，優(yōu)選82 mm直徑的鉆孔。

2.3 抽采負壓

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

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

3 結 論

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

（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減少?穩(wěn)定的變化趨勢。

（3）鉆孔半徑和抽采負壓對于有效半徑影響較小，其最優(yōu)結果為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用[J].地下空間與工程學報,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].地下空間與工程學報,2014,10(5):1114-1120.

[3] 王曉蕾.深部巷道破碎圍巖注漿加固效果綜合評價[J].地下空間與工程學報,2019,15(3):675-702.

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

[5] 張 權,王晨輝,王登科,等.基于COMSOL的鉆孔有效抽采半徑影響因素探究[J].煤炭技術,2017,36(12):173-175.

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

[7] 張鈞祥,李 波,韋純福,等.基于擴散-滲流機理瓦斯抽采三維模擬研究[J].地下空間與工程學報,2018,14(1):109-116.

[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值研究[J].煤炭技術,2018(8):215-217.

[10] 張鵬翔,馬 曙,周炳秋.貴州煤層氣鉆孔抽采數值分析[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工作,Email:495960648@qq.com。