瓦斯抽采半径影响因素数值模拟分析

2019-08-20樊建明

采矿技术 2019年4期

樊建明

瓦斯抽采半径影响因素数值模拟分析

樊建明

(山西离柳焦煤集团有限公司，山西吕梁市 033000)

瓦斯事故严重威胁煤矿高产高效发展，瓦斯抽采对于煤矿安全具有重要意义，有效抽采半径对于瓦斯钻孔布置具有至关重要的作用，以山西某煤矿为实验矿井，基于广义偏微分方程以及瓦斯赋存和流动理论，采用COMSOL数值模拟软件对瓦斯抽采时间、钻孔直径、抽采负压对于钻孔有效抽采半径进行分析研究，研究结果表明，抽采时间对于有效抽采半径影响最大；瓦斯压力随着时间的增长呈现减少-稳定的变化趋势；钻孔半径和抽采负压对于有效半径影响较小，其最优结果为82 mm和10 kPa。

煤矿安全;抽采半径;瓦斯抽采;数值模拟

0 引言

我国是煤炭大国，随着煤炭资源的大量回采，浅埋深煤层趋于殆尽，煤矿企业不得不向深部发展。深部开采面临“三高一低”的困扰，瓦斯抽采是高瓦斯矿井必须的工作。但瓦斯钻孔抽采半径的确定是瓦斯抽采的重要问题[1-4]。

国内外众多学者对于瓦斯抽采半径进行了大量的研究。张权[5]等采用数值模拟软件对某矿抽采半径影响因素进行了分析，得出相关影响因素关系；徐明智等采用Flent模拟了瓦斯抽采半径与影响因素之间的关系，分析了钻孔直径、渗透率、抽采负压的关系，并总结了抽采影响关系；张钧祥[6]等采用数值模拟软件对扩散-渗流机理的瓦斯抽采进行了研究，模拟了不同抽采时间下的瓦斯压力、有效半径变化特征，验证了模拟结果与实际吻合；李桂波[7]等采用水力压裂技术对再造裂隙特征进行了分析，并以阳泉矿区某矿进行了应用。实验结果表明，水力割缝技术技术瓦斯抽采技术具有非常好的效果；杨前意[8]等采用数值模拟技术模拟了五轮山煤矿顺层瓦斯抽采半径分析结果，研究结果表明，数值模拟能够很好的准确的模拟瓦斯抽采半径；马鹏翔[9]等采用数值模拟对煤矿瓦斯抽采进行了研究，分析了钻孔抽采时的瓦斯云意规律，验证了煤层气钻孔抽采作用机理，为加快煤层气钻孔抽采新工艺研发速度,提高煤层气钻孔抽采效率提供参考；屈海军[10]以鹤煤十矿为试验矿井，基于瓦斯平面流动理论，推导了抽采半径公式，为后续瓦斯抽采瓦斯钻孔的布置提供了科学依据。

以上学者对瓦斯抽采半径进行了影响因素的研究，缺少广义偏微分方程的研究，本文采用数值模拟软件基于偏微分方程对瓦斯抽采半径进行了分析研究。

1 基于偏微分模型

1.1 瓦斯含量

煤层开采后，覆岩发生破坏，形成大量的裂隙，吸附状态瓦斯变为游离状态瓦斯，大量的瓦斯沿着裂缝流动到直接顶岩石裂缝中，此处瓦斯含量较高。

随着工作面的不断回采，采空区会滞留大量的煤炭，煤炭不断解析出瓦斯，导致工作面一定距离内瓦斯含量较高。

采用COMSOL的二次开发软件进行钻孔瓦斯抽采的三维数值模拟，采用的偏微分开发方程为：

式中，为煤岩孔隙率；为时间，s；为瓦斯压力，MPa；K为煤岩渗透率；为瓦斯煤岩的体积应变。

瓦斯抽采钻孔多采用孔隙率和瓦斯压力进行综合计算。而瓦斯抽采的主要是抽采游离状态下的瓦斯，因此，其计算公式为：

式中，为游离状态下瓦斯含量，m³；为相关系数，一般取1。

而对于瓦斯吸附状态下的含量可用煤层中的水含量，可燃物百分比来进行研究，其吸附瓦斯含量计算公式为：

式中，为吸附常数，m³/t；为吸附常数，MPa−1。

综合以上公式得出煤层瓦斯含量为：

1.2 瓦斯流速

煤层开采后，形成了大量的裂隙，游离状态下的瓦斯必然在裂隙中流动，其流动规律符合达西定律，则瓦斯流动速度为：

式中，为瓦斯黏度，Pa/s−1；p为瓦斯压力梯度。

1.3 瓦斯参数

模型采用平面模型进行模拟。模型先进行开采，使得开采后的应力接近实际地应力情况。以山西某矿为实验矿井，采用其相关的力学参数，煤层密度为1.34 g/cm3；孔隙率0.058；甲烷粘性系数1.02×10−5Pas；瓦斯原始压力为1.8 MPa；瓦斯初始渗透率1.06×10−5Pas；甲烷密度为0.689 g/cm3。

2 模拟研究与分析

数值模拟边界条件如图1所示。数值模拟结果压力分布图如图2所示[6, 8, 11]。

图1 数值模拟边界条件

2.1 抽采时间

由图2以及抽采数据可知，随着抽采天数的增加瓦斯含量呈现一定规律的变化。以瓦斯抽采压力0.52 MPa作为临界瓦斯抽采数值，在其范围内可以实现瓦斯抽采，得出不同时间的瓦斯抽采半径，当抽采天数为30 d时，其瓦斯抽采半径为1.49 m，当抽采时间为60 d时，其瓦斯抽采半径为1.87 m。从其分布图可知瓦斯压力随着时间变化而变化，瓦斯压力随着时间的增长而降低，变化趋势为减少−稳定。表明瓦斯抽采可以降低瓦斯压力，起到抽采目的。