基于管控平臺監測數據的瓦斯抽采數值模擬分析研究

中圖分類號：P424.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0072-04

Abstract：Againstthebackgroundoftheincreasinglywidespreadapplicationof inteligentgasdrainagesystems，thispaper proposesanumericalsimulationanalysismethodbasedonaninteligentdatamanagementandcontrolplatformdrivenbymultifeldandmultiphasecoupledcores.Throughthismethod，theboreholeextractionprocessissimulatedandtheformation deformationandthechangelawsofairpressureinthecoalseamduringdirectionaldrilingareanalyzed.Theresearchresults show that： Simulating borehole extraction under the conditions of P₀ =8.71 MPa and T =303K，itwasfound that the formation air pressurechangedsignificantlydynamically.Thereservoirairpressuredroppedbyabout5O%within1Ominutesandthen stabilized;afterboreholeextraction，gasmigrationstabilizedandflowedtothelowpresureareaintheborehole.Theradiusof influenceofthepressureexpandswithtime，andthesurroundingairpressuredecreases，andtheincreaseininitialpressure significantlyincreasestheinfluencerangeandvolumeofgasdrainage.Thegasdesorptionandmigrationrateaccelerateunder highpressure，increasingthepressure gradientandflowspeed;Temperatureafectstherateofchangeofairpressrenearthe borehole.Atlowtemperatures，thegasviscosityislarge，resultinginslowchange，andathightemperatures，thegasviscosityis small and changes rapidly.

Keywords：gasdrainage;multi-fieldandmulti-phasecoupling;numericalsimulation;formationdeformation;pressrechange

隨著科技的發展，在煤礦瓦斯治理和抽采領域，瓦斯智能抽采系統的應用日益廣泛，其全面的數據處理服務為井下瓦斯抽采過程中的決策提供了強有力的支持，是我國煤礦智能化進程中礦井災害防控智能化發展的必然趨勢，也是礦并高效精準抽采瓦斯的現實需求[1-3]。鉆進施工數據管控云平臺，作為瓦斯智能抽采系統的核心組成部分，通過實時傳輸鉆孔參數和軌跡4、傳感器監測數據等關鍵信息，對于監控鉆孔施工過程、精確評估鉆孔質量及準確預測瓦斯抽采效率發揮了至關重要的作用。

基于鉆進施工數據管控云平臺的基礎，針對井下瓦斯抽采中的關鍵環節一鉆孔路徑的精確布設、抽采效率的科學預測及其優化等需求，本文提出一種基于管控平臺監測數據的瓦斯抽采數值模擬分析方法。該方法的計算內核基于多場多相耦合機理，面向深地高溫高壓滲流環境下瓦斯抽采過程中涉及的地層變形、固液交互、氣體運移等特征。該方法能夠描述瓦斯氣體在應力場、滲流場、溫度場作用下的抽采運移能力，為瓦斯抽采過程的模擬提供了更為精確的物理模型。通過整合智能鉆進施工數據管控云平臺提供的實時現場參數，該方法能夠對抽采效率及成孔穩定性進行實時分析和預測，從而為煤礦瓦斯治理和氣體抽采提供了一套科學、高效的分析工具。

1數值模擬試驗

在巖土工程中，數值模擬方法已成為解決復雜工程問題的有效工具之一。特別是對于具有非連續、非均質、非線性特性的巖土體，數值模擬方法能夠提供深入的分析和解決方案。在瓦斯抽采領域，數值模擬分析方法尤為重要，因為它能夠模擬和預測瓦斯在地層中的運移行為，這對于預防瓦斯災害和提高抽采效率具有重要意義。本文采用數值模擬分析方法，基于智能化數據管控云平臺所采集的地層數據建立數值計算模型，可以實時分析定向鉆孔過程中地層的變形及煤層內氣壓的變化規律。在模擬過程中，考慮了氣固耦合過程及溫度對動力黏滯系數的影響。

1.1 模型建立

基于智能化數據管控平臺所監測的數據，在每個數據采集點的切面處建立模型分析。數值模型的建立基于一個高分辨率的計算網格，采用15節點三角形單元，共包含1115個單元和9175個節點，以確保模擬結果的精確性和可靠性。井口被設計在模型的正中心區域，煤層厚度設定為 3m ，井口半徑為 0.1m 。模擬區域既作為滲透層也作為儲氣層，煤儲層周圍設置了初始儲層壓力P₀ ，而井壁處的壓力設定為大氣壓強。考慮到上下覆層不具有滲透性但存在初始儲層壓力，模型利用對稱性特征，采用平面應變模型對整個區域截面進行分析。

1.2計算參數的確定

以某一個切面的數值分析為例。模型的計算參數見表1，包括模型厚度、井筒半徑、煤層彈性模量、煤層泊松比、煤層孔隙率、煤層絕對滲透系數、瓦斯初始壓力、瓦斯密度、溫度及標準大氣壓等。在煤礦瓦斯抽采的數值模擬中，關鍵參數的精確設定對模擬結果的準確性至關重要。幾何參數如模型厚度和井筒半徑影響計算網格和模擬范圍；力學參數，包括彈性模量和泊松比，影響煤層變形；孔隙率和滲透系數決定瓦斯存儲和運移；而瓦斯初始壓力和密度影響氣壓變化趨勢；溫度和標準大氣壓分別影響瓦斯的物理化學特性和環境壓力模擬。這些參數的精確設定對于模型的準確性和可靠性至關重要。

2 試驗結果

2.1氣壓分布及變化特征分析

通過對 P₀=8.71MPa 和 T=303K 條件下的鉆孔抽采過程進行模擬，發現地層中的氣壓分布及變化特征具有明顯的動態變化。圖1展示了瓦斯抽采過程中不同時間節點 （0.10min） 儲層氣壓的變化特征。從圖1中可以明顯看出，由于鉆孔的存在，氣體在儲層中逐漸向孔內運移，導致儲層中的氣壓值隨時間推移逐漸下降。特別地，在成孔后大約 10min ，儲層整體的氣壓值降低了約一半，進入一個相對穩定的運移狀態，此時儲層內仍然存在大量氣體可供抽采。

2.2 氣體流場特征分析

圖2描述了在上述情況（ P₀=8.71MPa 和 T=303K 下3個時間節點 （5，10，20min ）煤氣層內的氣體流場特征。從圖2中可以看出，成孔后瓦斯的運移相對穩定，并呈現向鉆孔內部低壓區流動的趨勢。這一現象對于理解瓦斯的抽采動態和優化抽采策略具有重要意義。

2.3 鉆孔切線處瓦斯壓力分布演化

鉆孔切線處瓦斯壓力的分布演化對于精確模擬和分析至關重要。這一過程不僅直接關系到瓦斯抽采效率的優化，而且對抽采安全性的評估具有決定性影響。瓦斯壓力分布的演化是一個涉及多個物理化學過程的復雜動態系統，包括瓦斯在煤層中的吸附、解吸、擴散和流動等。在鉆孔抽采過程中，瓦斯壓力分布受到多種因素的影響，這些因素包括但不限于初始瓦斯壓力、煤層滲透性、抽采速率及地應力等。鉆孔切線處作為瓦斯釋放的前沿區域，其壓力變化是瓦斯抽采動態特性的直接反映。

在上述工況下，以鉆孔為中心繪制鉆孔切線處瓦斯壓在抽采過程中多個時間節點的分布演化圖。數據管控云平臺可根據采集數據結合模擬分析輸出該演化圖，用于分析和預測抽采半徑及抽采量情況。隨著抽采時間的推進，氣壓影響半徑逐漸擴大至分析邊界。以鉆孔為中心的周圍氣壓值逐漸降低，并隨后趨于一個穩定值。這一演化對于分析和預測抽采半徑及抽采量情況具有重要的參考價值，為瓦斯抽采的優化提供了科學依據。

2.4 不同初始氣壓工況對比

初始氣壓是影響抽采效率和安全性的關鍵參數之一。圖3描述了在不同初始氣壓條件下鉆孔 30min 后儲層的氣壓分布情況，揭示了初始氣壓對抽采過程的顯著影響。初始氣壓是指在抽采前儲層中瓦斯的壓力水平，它直接影響瓦斯的存儲狀態和抽采過程中的釋放速率。模擬結果表明，隨著初始氣壓的增加，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。在高初始氣壓環境下，瓦斯的解吸和運移速率增加，這導致鉆孔周圍的氣壓梯度更加陡峭，進而增加了瓦斯的流動速度。這種動態變化對于抽采策略的制定至關重要，因為它意味著在高初始氣壓條件下，可以采取更積極的抽采措施，以實現更快的瓦斯釋放和更高的抽采效率。

進一步分析抽采效率與初始氣壓的關系。抽采效率是指在單位時間內從煤層中提取瓦斯的量。圖3中的數據表明，隨著初始氣壓的增加，周圍影響區的氣壓值均降低約一半，表明高初始氣壓環境下的抽采速率顯著高于低初始氣壓環境。這一發現對于優化抽采策略具有重要的指導意義，因為它提示我們在高初始氣壓條件下，可以通過調整抽采參數（如鉆孔深度、間距和抽采速率）來提高抽采效率。

在煤礦瓦斯抽采領域，初始氣壓條件對鉆孔切線處的氣壓分布演化具有顯著影響。在高初始氣壓環境下，相同的抽采時間間隔內，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。這一現象表明，高初始氣壓條件下的瓦斯流動更為迅速，導致氣壓影響范圍擴大，抽采速率增加。這對于優化抽采策略和提高抽采效率具有重要的指導意義。

基于圖3分析結果，可以提出以下優化抽采策略的建議：在高初始氣壓條件下，應考慮增加鉆孔數量或減小鉆孔間距，以充分利用高氣壓帶來的高抽采速率；同時，應加強瓦斯抽采系統的處理能力，以應對高抽采速率帶來的瓦斯流量增加。在低初始氣壓條件下，則需要考慮采取溫和的抽采措施，以避免過度抽采導致資源浪費。

2.5不同溫度環境下的抽采情況分析

在煤礦瓦斯治理和氣體抽采過程中，溫度是一個關鍵的環境參數，它直接影響瓦斯的物理化學性質和抽采動態。溫度作為影響瓦斯吸附和解吸行為的關鍵因素，其變化會改變瓦斯在煤層中的吸附平衡和解吸速率。在較低溫度下，瓦斯分子運動減緩，導致吸附作用增強；而在較高溫度下，分子運動加劇，解吸作用增強。此外，溫度的升高會增加瓦斯的黏度，影響其在煤層孔隙中的流動性。因此，動力黏滯系數作為描述流體黏滯性的重要參數，在不同溫度條件下表現出顯著差異，對瓦斯抽采過程具有重要影響。

該模型同時具備處理不同溫度環境下煤氣層抽采情況分析的能力。2種溫度條件下（ 20.60°C 鉆孔切線氣壓分布不同。2種溫度條件對應了不同的動力黏滯系數。 20% 時動力黏滯系數取 1.08×10^-5Pa?s，60^°C 時動力黏滯系數取 1.21×10^-5Pa?s， 。這些參數的設定基于試驗數據和文獻調研，以確保模型的準確性和可靠性。

在 20^qC 和 60^°C 兩種溫度條件下鉆孔切線氣壓分布的演化情況，溫度條件對鉆孔附近的氣壓變化速率存在一定的影響。在較低溫度下，由于瓦斯黏度較大，氣壓變化速率相對較慢；而在較高溫度下，瓦斯黏度較小，氣壓變化速率加快。這種差異反映了溫度對瓦斯流動性的影響，進而影響了瓦斯抽采的動態過程。

盡管溫度對氣壓變化速率有影響，但模擬結果表明，對于抽采的邊界范圍及抽采量數據的影響較小。這可能是因為在本研究的條件下，孔隙率較低，瓦斯的流動性受到限制，從而減弱了溫度對抽采邊界和抽采量的影響。這一發現對于優化抽采策略具有重要意義，因為它表明在不同的溫度條件下，抽采策略可能需要針對氣壓變化速率進行微調，但對整體抽采效率的影響有限。

3結論

本文提出一種由多場多相耦合內核驅動的基于智能化數據管控云平臺的數值模擬分析方法，該方法通過結合智能鉆進施工數據管控云平臺所提供的現場參數，不僅能夠提供瓦斯抽采過程的詳細模擬，還能夠根據實時數據進行動態調整和優化，為煤礦瓦斯治理和氣體抽采提供了一種全新的、高效的解決方案。本文采用該方法開展了瓦斯抽采數值模擬試驗研究，相關研究結論如下。

1）在 P₀=8.71MPa 和 T=303K 條件下模擬鉆孔抽采過程，結果顯示地層氣壓分布呈現顯著的動態變化。鉆孔的存在促使氣體向孔內運移，導致儲層氣壓隨時間遞減。大約 10min 后，儲層氣壓值下降約 50% ，隨后進入相對穩定的運移狀態。

2）通過對鉆孔抽采過程進行模擬分析發現，成孔后瓦斯的運移相對穩定，并呈現向鉆孔內部低壓區流動的趨勢。隨著抽采時間的推進，氣壓影響半徑逐漸擴大至分析邊界。以鉆孔為中心的周圍氣壓值逐漸降低，并隨后趨于一個穩定值。

3）隨著初始氣壓的增加，氣體抽采的影響范圍及抽采量存在顯著的提升。在高初始氣壓環境下，瓦斯的解吸和運移速率增加，這導致鉆孔周圍的氣壓梯度更加陡峭，進而增加了瓦斯的流動速度。

4）溫度條件對鉆孔附近的氣壓變化速率存在一定的影響。在較低溫度下，由于瓦斯黏度較大，氣壓變化速率相對較慢；而在較高溫度下，瓦斯黏度較小，氣壓變化速率加快。

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