漳村煤矿不同条件下的瓦斯抽采效果模拟分析

岳学功

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

矿井瓦斯抽采作为煤矿瓦斯治理的根本方法，在瓦斯治理工作体系中占十分重要的地位，而影响瓦斯抽采效果的因素有很多，比如煤体的渗透率、钻孔的直径、孔间距、抽采负压、瓦斯压力、封孔的位置、封孔的长度、封孔的材料、封孔的工艺等。国内许多矿井在设计瓦斯抽采钻孔的参数时，通常仅依靠日常经验来确定，然而由于煤层本身复杂的地质条件和矿井开采深度的增加，以经验确定的瓦斯抽采钻孔的参数不可能总是合理的，还存在很多问题亟待解决。而通过现场实测的方式来获得瓦斯抽采参数对抽采效果的影响一般工程量较大，并且不一定能够达到预期的效果，因此，根据试验矿井的实际参数，利用数值模拟的方式开展不同瓦斯抽采参数对抽采效果的研究就成了一个很好的选择，对有效提高煤层瓦斯抽采效率以及对指导煤矿瓦斯防治工作都具有十分重要的现实意义。

因此，本文主要针对试验矿井的具体情况，利用Comsol Multiphysics软件，研究其他条件不变时，漳村煤矿试验区域内不同瓦斯压力、抽采负压和煤体渗透率条件下的钻孔瓦斯抽采效果的模拟分析[1]。

1 试验地点概况

漳村矿2802运巷位于28采区南部，其东侧为28采区大巷，南侧为漳村-常村井田边界，西侧为漳村-余吾井田边界，相邻常村、余吾井田不存在采空区，2802运巷北侧为未采区。2802运巷地面东北侧为邕子村，北侧为暴庄、安沟村，其余基本为农田、植被。2802运巷掘进区域地面标高约为+950～+1 020 m。井下位置：2802运巷位于28采区南部，其东侧为28采区大巷，南侧为漳村-常村井田边界，西侧为漳村-余吾井田边界，相邻常村、余吾井田不存在采空区，2802运巷北侧为未采区。

2802工作面开采煤层属二叠系下统山西组下部的3号煤层，煤层赋存稳定，煤厚变异较小，煤层结构较简单。层内主要含1层夹矸，夹矸连续稳定，厚度变化不大；煤层厚度5.53～6.69 m，平均厚度6.03 m，煤层结构：4.54(0.31)1.18，顶底板煤岩柱状图见图1。

图1 顶底板煤岩柱状图

2 漳村矿瓦斯封孔模拟分析

2.1 钻孔抽采瓦斯压力变化规律

笔者根据漳村矿生产实际情况，通过建立有限元数值模型分析漳村煤矿顺层钻孔瓦斯预抽技术的抽采效果，根据现场收集的部分参数如下。

1) 各煤岩层厚度、各层参数包括密度、杨氏模量、泊松比、内聚力、抗压抗拉强度等，及煤层地质构造特征。漳村煤矿3号煤层，普氏系数f=1.5～2，容重为1.35 t/m3，结构简单，煤层厚度为6.34～7.28 m，平均厚度为6.8 m，密度1.4 kg/m3。煤层总体呈单斜构造，倾角6°32′～10°，平均倾角8°31′。

2) 煤体孔隙率、渗透率、吸附解吸参数及微观结构参数：孔隙率3.9%～4.76%，透气率系数0.049 3～0.054 2。

3) 瓦斯赋存情况：瓦斯含量、压力。瓦斯含量：7.8 m3/t，压力为0.2 MPa，不突出。

4) 巷道施工参数：巷道形状、长宽高，巷道支护情况。巷道为矩形、尺寸5.4 m×3.8 m、巷道为锚网支护。

5) 钻孔布置方案：顺层钻孔间距2.5 m，一组4个钻孔，钻孔长度为150 m，孔径113 mm，负压20 kPa，封孔方式两堵一注/全长囊袋，水泥封孔，封孔段为8～12 m，单孔浓度为15%左右，流量平均单孔纯流量为0.01 m3/min。

2.2 建立模型的控制方程

建立瓦斯运移控制方程，煤层中裂隙系统将煤体切割分离为基质单元体，煤基质内吸附瓦斯作为气体源经过解吸、基质扩散到裂隙系统中，然后以渗流的形式在裂隙系统内运动，即双重孔隙介质瓦斯运移模型。运用此模型时将煤层中的瓦斯运移简化为了串联的过程，且仅考虑了裂隙渗透率的动态变化，认为基质渗透率恒定为常数。

本文采用了有限元法求解方法，由基于偏微分方程模拟求解的COMSOL Multiphysics对控制方程组进行求解。本文利用了该软件的Solid模块(嵌入应力场方程)和PDE偏微分方程求解模块(嵌入基质瓦斯扩散场方程与裂隙瓦斯渗流场方程)分别对瓦斯抽采时的煤岩应力应变以及煤层瓦斯运移控制方程进行求解，通过模型参数之间的相互传递来实现煤与瓦斯的气固耦合。

使用COMSOL Multiphysics软件建立了漳村矿3号煤层本煤层钻孔瓦斯抽采模型，该模型的长宽分别为260 m和150 m，煤体瓦斯含量为7.8 m3/t，钻孔直径为113 mm，抽采负压为20 kPa。开展相关模拟分析，结果见图2。

图2 本煤层钻孔瓦斯抽采模型

2.3 钻孔抽采瓦斯负压对瓦斯浓度变化的影响

为了研究抽采负压对瓦斯抽采浓度的影响，此部分我们选取13 kPa、23 kPa、33 kPa、43 kPa与之进行对比分析。结果表明，当抽采负压增大时，钻孔周围瓦斯压力降低幅度亦变大，抽采速度提高，见图3。但是由于模拟煤体本身的低透气性，负压增大所带来的抽采速度提高是有限的。同时较大的负压值反而会加剧钻孔密封段的漏风程度(这从封孔段周围瓦斯压力的下降情况就可以看出，较大的负压值会增加钻孔周围裂隙漏风的可能性)，降低瓦斯抽采浓度及抽采效果。

图3 不同负压情况下的瓦斯压力变化(400 d后)

2.4 不同煤体渗透率对瓦斯浓度变化的影响

渗透率是决定煤体瓦斯流动能力的主要参数。此部分模拟分析了3种不同渗透率(0.385 mD、3.85 mD和 38.5 mD)煤体的瓦斯抽采效果。依据Darcy定律，煤体渗透率越大，瓦斯流动性越强，抽采效率越高[2]。如图 4所示，当渗透率为0.385 mD时，抽采80 d后，钻孔周围仅出现很小的压力降低区域，抽采760 d后，压降区域仍未明显增大。当渗透率为3.85 mD时，钻孔周围压降范围及程度均增大。对于38.5 mD的渗透率，瓦斯抽采效率最高，抽采760 d后，已基本实现理想状态下的完全抽采。渗透率为0.385 mD和3.85 mD煤体的抽采达标时间分别在80 d和760 d左右。而当渗透率为0.385 mD时，经过760 d的抽采，抽采效果有限。所以对于渗透性很低的煤体，需要采取水力割缝、松动爆破等卸压增透措施，以提高抽采速度、缩短抽采时间。

图4 不同渗透率煤体的钻孔周围压力变化

3 结 语

本文利用COMSOL数值模拟软件[3]，对漳村矿3号煤层建立了本煤层钻孔瓦斯抽采模型，模拟了抽采瓦斯压力的变化，可知在抽采初期，钻孔抽采影响范围较小，多维持在原始压力值附近，但随着抽采的进行，钻孔影响范围逐渐变大，瓦斯压力值不断降低，而且抽采前期瓦斯压力的降低幅度较后期大，钻孔中部的抽采效果比两端好。对于目前采用的抽采参数，抽采600 d后，钻孔周围约2.5 m范围内，达到了瓦斯抽采目标。