基于煤巖—瓦斯固氣耦合的鉆孔瓦斯抽采半徑數值模擬及應用

摘 要：為了確定合適的瓦斯抽采參數，本文采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合模擬軟件建立了煤巖-瓦斯固氣耦合數值分析模型，對瓦斯抽采鉆孔周圍的瓦斯含量變化規律進行了模擬。模擬結果與山西麥捷煤業有限公司15號煤層150205工作面傾向鉆孔瓦斯抽采現場實測數據進行比較，結果趨勢基本一致，進一步驗證了該模型的可行性，為推廣該模型更大范圍的應用于現場提供了可靠的實踐支持。

關鍵詞：鉆孔、瓦斯抽采、數值模擬

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A

目前，在煤炭開采深度不斷增加的過程中，瓦斯的安全問題也越來越嚴重，瓦斯含量、瓦斯涌出量突然增大和瓦斯突出成為最為棘手的問題。公認的最有效的治理和利用瓦斯的方法和途徑是鉆孔抽采瓦斯技術。

在抽放工程的施工過程中，特別是抽放鉆孔的施工過程中，抽放鉆孔的布置方式、孔間距、抽放時間等參數往往根據實踐經驗進行設計，存在較大的隨意性和盲目性，造成抽采效果不理想和人力物力的浪費等現象，如何在保證安全的前提下，準確測定抽放參數，合理布置抽放工程，將抽放工程的投入和取得的經濟效益有效結合是一個急需研究的問題。

一、數值計算軟件簡介

COMSOL Multiphysics固氣耦合模擬軟件，是一個基于偏微分方程對科學和工程問題進行建模和仿真計算的大型高級數值仿真軟件，由瑞典的COMSOL公司開發，廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”，適用于模擬科學和工程領域的各種物理過程。

二、模型建立

1、幾何模型設定

幾何模型以麥捷煤業15號煤層瓦斯抽采工程為原型，同時為了保證運算速度以及模擬文件大小不超出模擬計算機實際內存范圍，本報告將幾何模型進行如下設定：

（1）15號煤層為近水平煤層，忽略煤層傾角的影響，將幾何模型設定為水平模型；

（2）15號煤層平均厚度為3.5m。

（3）煤體范圍遠大于研究范圍，為了將無限流場模型轉化為有限流場模型，同時考慮到邊界效應，將模型設置為長為30m高為3.5m的矩形；

（4）鉆孔直徑為113mm；

（5）鉆孔破壞半徑為0.48m；

（6）封孔長度為10m。

2、模型的主要參數

3、抽放指標

依據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》和《煤礦安全規程》的要求，考慮一定的安全系數，確定麥捷煤業150205工作面15號煤層瓦斯有效抽放半徑的指標為：抽采一定時間后，鉆孔周圍一定范圍內的煤層瓦斯含量降至4m3/t以下。

4、建立數值模型

考慮到計算機運算的特點、鉆孔瓦斯抽放半徑和順層鉆孔的施工條件、鉆孔的分布對稱性，若進行二維數值模型建立的，首先必須對物理環境進行合理的簡化：

（1）假設煤層是各向同性并且連續的，而且是水平分布，對于煤體中存在的斷層和裂隙發育暫不考慮；

（2）只將截取的部分鉆孔進行模擬。

模擬區域取工作面前方受采動影響較小區域，煤層瓦斯分布均勻，鉆孔取在煤層中部，模擬鉆孔間距為2m條件下的瓦斯抽放效果。模擬計算過程按平面問題求解，模型尺寸取30m×3.5m（長×寬），模擬過程取4個鉆孔，瓦斯滲透只需考慮在煤層中的滲透，處理邊界條件如下：

1）頂部巖層看作為隔絕體無滲透，左右邊界均為自由界面；

2）鉆孔的抽放負壓為20KPa。

三、數值模擬結果分析

1、數值模擬分析

本文以順層鉆孔間距為2m為例進行分析。

順層鉆孔間距為2m，在抽采20天和40天的條件下， 15號煤層鉆孔周圍瓦斯含量分布云圖如圖4-1和圖4-2所示。

從圖中可以看出，鉆孔周圍瓦斯含量分布曲線近似漏斗狀，越靠近鉆孔，瓦斯含量越低，越遠離鉆孔，瓦斯含量越高。鉆孔周圍瓦斯含量隨抽采時間的增大而有明顯降低。

鉆孔間距為2m時，鉆孔控制范圍的瓦斯含量，在抽采20天后，水平方向上降至4.5m3/t以下，垂直方向上降至4.6m3/t以下；抽采40天后，水平方向上降至4m3/t以下，垂直方向上降至4m3/t以下；

2、模擬結果

研究結論如下：

抽采40天，順層鉆孔有效抽采半徑為1.0m，鉆孔間距2.0m。

4 150205工作面瓦斯綜合治理現場試驗研究

150205工作面采用采前預抽的方式，在150205軌道順槽巷道內施工本煤層鉆孔進行瓦斯抽采。在2013年11月完成全部鉆孔的施工。鉆孔間距2m，孔徑113mm，孔深130m，共布置鉆孔522個。

抽采40天后，150205工作面實測瓦斯含量如表5-1

經分析，150205工作面實測的瓦斯含量基本與模擬結果一致，進一步驗證了該模型的可行性。

四、結論

本文根據煤巖體變形與瓦斯滲流的基本理論，建立了煤巖-瓦斯固氣耦合的數學模型，利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件模擬了麥捷煤業15號煤層150205工作面瓦斯抽采參數。結果表明，抽采40天，順層鉆孔有效抽采半徑為1.0m，鉆孔間距2.0m。

根據上述理論分析與數值模擬結果，在麥捷煤業150205工作面進行了現場試驗研究，抽采后工作面實測瓦斯含量結果表明，數值模擬結果基本正確，符合實踐要求，該模型具有推廣可行性。

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