“三软”煤层瓦斯顺层钻孔抽采研究

王立　撒占友

摘 要：高应力区“三软”煤层具有极高的瓦斯突出的危险性，为降低“三软”煤层开采时瓦斯突出的危险性，降低瓦斯事故灾害。本文通过建立二维顺层钻孔瓦斯抽采模型，采用数值模拟的方法模不同瓦斯抽采方式下煤层瓦斯的分布规律。结果表明，随着钻孔数量的增加，瓦斯抽采效果越好，但“三软”煤层接近煤壁位置的瓦斯较难抽出。

关键词：瓦斯事故;顺层抽采;数值模拟;钻孔布置

1 緒论

根据目前国内外的研究，煤体内瓦斯压力大，煤岩及周边围岩透气性差，开采技术相对落后，是造成瓦斯事故的主要原因。[1]在我国，绝大多数的矿井属于煤与瓦斯突出矿井，其中，高应力区“三软”突出煤层群煤与瓦斯突出的危险性尤为突出，一旦发生煤与瓦斯突出事故，将会造成巨大的损失。采取有效的措施降低煤体内瓦斯压力，可有效保证煤矿的安全生产。[2]

2 模型构建

2.1 数学模型构建

2.1.1 基本假设

根据李磊[3]、黄光利[4]等人的研究，本文所构建的顺层开采模型要符合如下几点假设：

（1）煤体为弹性介质;（2）瓦斯为理想状态气体，且在煤层中均匀分布;（3）瓦斯的流动是等温的过程，且满足Darcy定律（即：q=-κμSymbolQC@p 式中，q 为瓦斯渗流速度，m/s;κ为煤体渗透率，m2;μ为瓦斯动力粘度，Pa·s;SymbolQC@p 为瓦斯压力梯度，Pa/m。）

2.1.2 瓦斯渗流控制方程

本文瓦斯渗流方程为：

Φ+ρcpaVLpp+pL2pt-SymbolQC@κμpSymbolQC@p=0

其中：Φ为孔隙度;ρc为媒体密度，单位kg/m3;pa为标准大气压，单位KPa;VL为朗格缪尔体积常数，无量纲;p为瓦斯压力，单位KPa;pL为朗格缪尔压力常数，无量纲;κ为煤体渗透率，单位m2。

2.2 物理模型构建

2.2.1 模型尺寸

本文所建模型尺寸长×宽=40×6m，其中单孔顺层抽采模型图如图1所示。

2.2.2 基本物理参数及初始条件

本文所建模型，在模型左右边界及模型上边界设定X方向的位移约束，并在模型上边界设定6MPa的均布载荷，在模型下边界设定Y方向的位移约束，煤层内初始瓦斯压力设为6MPa，钻孔初始压力为瓦斯抽采负压。

3 模拟结果

本文分别模拟了各种抽采方式1-5天的瓦斯抽采效果，其中，各抽采方式下2天、4天的模拟结果如图2到图4所示。

图中可以看出，煤层顺层瓦斯抽采中，随着钻孔数量的增加，煤层瓦斯抽采效果逐渐提升，煤层中瓦斯压力最低点随瓦斯抽采的变化如图5所示。

4 结论

（1）在“三软”煤层瓦斯顺层抽采过程中，煤层中瓦斯的含量会随时间推移呈指数下降。

（2）随着钻孔数量的增多，瓦斯抽采效果有明显提升，三孔瓦斯抽采速率近似为单孔瓦斯抽采速率的2倍，为双孔瓦斯抽采的1.5倍。

（3）在顺层抽采瓦斯过程中，瓦斯存在“贴壁效应”，越接近煤层边界，瓦斯越难抽出。

参考文献：

[1]彭信山.急倾斜近距离下保护层开采岩层移动及卸压瓦斯抽采研究[D].河南理工大学，2015.

[2]刘征.急倾斜煤层上保护层开采保护范围物理相似模拟实验研究[D].重庆大学，2017.

[3]李磊.“三软”煤层上保护层开采下伏煤岩瓦斯气固耦合模型及应用[D].青岛理工大学，2017.

[4]黄光利.砚石台煤矿急倾斜俯伪斜上保护层开采保护范围研究[D].重庆大学，2014.