近距離煤層群強化瓦斯抽采效果研究

中圖分類號：0659；TD7 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0163-04

Research and practice of comprehensive gas control technology for closely spaced coal seam groups

WU Bin （China Coal Group，Xinji Energy Co.，Ltd.，Huainan 232OO1，Anhui China）

Abstract：Inclose range coal seam mining，technical botlenecks such as lowcoal seam permeabilityand slow effectivenessare caused by negative pressure gas extraction. Taking Xinjiyi Mine as the background，this paper explores the effect of injecting N2-O ¹² mixed gas to drive and enhance gas extraction. Among them，by constructing a THM（thermal fluid solid）coupling model and then using COMSOL software to simulate the effects of gas injection pressure，initial coal seam temperature，and permeabilityon the extraction eficiency.The results showed that the increase in injection pressure significantly accelerated the decrease in CH l₄ pressure and increased cumulative production;Although the initial temperature riseofcoal seams can reduce gas pressre，it will inhibit cumulative production;Anincrease in theinitial permeabilityofcoal seams cansignificantly improve the efficiencyof gas extraction.Throughthis study，itcan provide engineering application reference value for gas control in close range coal seam groups.

Key words： closely spaced coal seam group;comprehensive gas control;gas drainage efect;numerical simulation

煤炭作為我國主體能源，其安全高效開采對國家能源安全具有戰(zhàn)略意義。近距離煤層群（層間距通常小于10倍采高）在我國主要產(chǎn)煤區(qū)分布廣泛，其開采過程中面臨極其復雜的瓦斯災(zāi)害威脅1。由于煤層間距小、層間應(yīng)力擾動疊加、瓦斯賦存條件復雜且運移通道相互交織，采用傳統(tǒng)本煤層鉆孔負壓抽采技術(shù)存在三大突出難題：其一，低滲透煤層（滲透率常低于0.1mD 瓦斯解吸-擴散-滲流效率低下，預(yù)抽達標周期長達數(shù)月甚至數(shù)年；其二，采動影響下鄰近層瓦斯大量涌入開采空間，工作面絕對瓦斯涌出量可達20～50m³/min ，極易引發(fā)瓦斯超限；其三，單一抽采方式難以實現(xiàn)被保護層的區(qū)域性消突[2-4]。這些難題嚴重制約著近距離煤層群的安全開采強度與資源回收率。為突破上述技術(shù)瓶頸，煤層注氣強化抽采技術(shù)應(yīng)運而生。其核心機理在于通過注人外來氣體改變煤體物理化學環(huán)境：一方面提高煤孔隙壓力，降低 CH₄ 有效分壓，打破吸附平衡態(tài)5；另一方面通過競爭吸附作用置換煤基質(zhì)微孔隙中的吸附態(tài)CH4分子[7-9]。目前工程實踐主要采用 CO₂，N₂ 及其混合氣體作為驅(qū)替介質(zhì)[10-11]

基于此，本文以新集一礦2308（9）采區(qū)為工程載體，聚焦注 N₂-O₂ 混合氣體驅(qū)替強化抽采技術(shù)的實施效果。通過構(gòu)建THM多場耦合數(shù)學模型，系統(tǒng)研究注氣參數(shù)（壓力）煤層物性參數(shù)（初始溫度、滲透率）對瓦斯抽采動態(tài)過程的影響機制。研究采用COMSOL軟件平臺實現(xiàn)復雜物理過程的數(shù)值仿真，定量揭示瓦斯壓力場演化規(guī)律、累計抽采量變化特征及滲透率動態(tài)響應(yīng)，為技術(shù)優(yōu)化與現(xiàn)場應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1工程概況

新集一礦2308（9）采區(qū)9、8、7-2、7-1、6-1煤層為近距離煤層群，煤層間距概況如圖1所示。其中7-2、7-1、6-1煤層為突出煤層，9、8煤在F10斷層以北，6線及10線之間， -580m 標高以上為非突出煤層。客觀上具備聯(lián)合保護層開采的條件。

2308（9）采區(qū)煤層群開采的保護層開采方案為首采9煤層，設(shè)計首采面為230903，根據(jù)設(shè)計切眼的地質(zhì)剖面圖，該工作面的煤層傾角為 17^° ，開采高度 2.3m 。

首采9號煤層工作面的瓦斯涌出量主要來自于本煤層及鄰近的8、7-2、7-1煤層，6-1煤層的瓦斯不會涌入開采工作面，預(yù)測工作面的相對瓦斯涌出量為4.32m³/t ，絕對瓦斯涌出量為 12.00m³/min

首先開采9煤層，故需要同時對被保護煤層8煤層進行瓦斯抽采，當開采8煤層保護6-1煤層時，需對6-1煤層進行瓦斯抽采。針對被保護層的瓦斯治理，最終確定的抽采技術(shù)方案為：在首采230903工作面外段實施底板巷定向穿層梳狀鉆孔預(yù)抽區(qū)域瓦斯方案，在工作面里段實施底板瓦斯抽排巷穿層鉆孔預(yù)抽被保護層區(qū)域瓦斯方案。鉆孔施工則采用被保護層區(qū)域預(yù)抽方案。

2THM耦合模型構(gòu)建

2.1 THM耦合模型理論框架

注入 N₂-O₂ 混合氣體驅(qū)替煤層瓦斯主要涉及熱力學（T）、流體力學（H）、地質(zhì)力學（M）的強耦合[1]。本文建立的THM全耦合模型包含基質(zhì)系統(tǒng)氣體擴散-吸附控制方程、裂縫系統(tǒng)氣-水兩相滲流方程、煤層溫度場控制方程以及煤體變形與動態(tài)滲透率方程。

基質(zhì)系統(tǒng)是吸附態(tài)瓦斯的主要儲集空間，考慮CH₄，N₂，O₂ 三種組分競爭吸附及擴散[13]，基質(zhì)系統(tǒng)氣體擴散-吸附控制方程為：

式中： C_i 為氣體成分 i 的濃度； D_m 為基質(zhì)孔隙率；D_e，i 為有效擴散系數(shù)。

裂縫網(wǎng)絡(luò)是氣體運移的主要通道，遵循修正的達西定律[14]，裂縫系統(tǒng)氣-水兩相滲流方程：

式中： a 為氣相 Π（g） 或水相 （_w）;S_a 為相飽和度； k_ra 為相對滲透率； k 為絕對滲透率。

考慮熱傳導、對流換熱及氧化反應(yīng)放熱[15]，煤層溫度場控制方程：

（3）

式中： T 為溫度， （ρC_p）_eq 為等效熱容； Q_ox 為氧化反應(yīng)放熱源項。

煤體變形與動態(tài)滲透率方程：

式中： k₀ 為初始滲透率； β 為裂隙壓縮系數(shù)； Δε_ads 等為吸附應(yīng)變增量，與氣體組分濃度相關(guān)。

2.2 THM耦合模型驗證

THM耦合模型基于230903工作面實測地質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建，計算域為 200m×200m×20m （長 × 寬 . 高）。為驗證模型的可靠性，選取單鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進行對比。模擬設(shè)置：注氣壓力3 ΔMPa，N₂：O₂ 體積比95：5，初始溫度 300K ，初始滲透率 5.48×10^-16m²

模擬結(jié)果表明：模擬的瓦斯生產(chǎn)速率曲線如圖2所示。

呈現(xiàn)典型的“快速衰減-緩慢遞減”兩階段特征，與實測數(shù)據(jù)吻合度達 89.7% （ R²=0.897 ，最大相對誤差 lt;8.5% ，驗證了模型在描述氣體運移與產(chǎn)出動態(tài)方面的準確性。

3注氣抽采數(shù)值模擬與結(jié)果分析

基于驗證后的THM模型，本研究利用COMSOL開展多情景數(shù)值模擬，重點分析注氣壓力、初始溫度、初始滲透率對抽采效果的定量影響。

3.1注氣壓力對瓦斯抽采的影響

設(shè)置注氣壓力梯度：0（純抽采） ，3，4，5MPa 不同注氣壓力下煤層平均瓦斯壓力隨時間演化規(guī)律如圖3所示。

同時增強氣體在微孔中的Knudsen擴散系數(shù)。高溫雖加速壓力下降，但累計產(chǎn)量呈現(xiàn)反向趨勢。 326.5K 時累計產(chǎn)量僅 4592051.00m³ ，較 286.5K（7859179m³） （24大幅降低 41.6% 。其主因在于高溫加劇了煤基質(zhì)熱膨脹，導致滲透率衰減（降幅達 25%～30% ），抑制了瓦斯宏觀滲流。在含 O₂ 條件下，高溫 gt;320K 顯著強化低溫氧化反應(yīng)（ 增加 30%～50% ），局部生成 CO₂ 可彌補部分滲透率損失。

3.3煤層初始滲透率對瓦斯抽采的影響

設(shè)置煤層初始滲透率梯度： 2.48×10^-16m².5.48× 10^-16m².8.48×10^-16n n2。初始滲透率對 CH₄ 的影響作用如圖5所示。

由圖3可知，注氣壓力與瓦斯壓力下降速率呈顯著正相關(guān)。在 5MPa 注氣條件下，瓦斯壓力在30d內(nèi)由 1.8MPa 降至 0.62MPa ，下降速率達 0.0393MPa/d 較無注氣工況 （0.0249MPa/d 提升 58.0% 。高注氣壓差強化了氣體驅(qū)替動力，促使 N₂-O₂ 混合氣體在裂縫網(wǎng)絡(luò)中快速推進，加速置換基質(zhì)微孔隙中的瓦斯。5MPa 注氣時，180d累計瓦斯產(chǎn)量達 6043885.00m³ 較無注氣 3042281m³ 提升 98.7% 。高壓注氣雖加速瓦斯解吸，但加劇了基質(zhì)收縮非均勻性，導致有效應(yīng)力重分布和局部裂隙閉合，滲透率整體下降 15% 220% 。

3.2煤層初始溫度對瓦斯抽采的影響

設(shè)置初始溫度梯度： 286.5K（13.35‰ ） 306.5K （33.35^qC ） 326.5K（53.35‰ 。溫度對瓦斯壓力演化的影響如圖4所示。

由圖4可知，溫度升高顯著加速瓦斯解吸動力學過程。326.5K時，平均瓦斯壓力在60d降至 0.44MPa 僅為 286.5K 工況 0.84MPa， 的 52.4% 。高溫提升氣體分子動能，削弱瓦斯分子與煤基質(zhì)間吸附鍵合力，

由圖5可知，滲透率是控制氣體運移能力的核心參數(shù)。 8.48×10^-16m² 時，瓦斯壓力在90d即降至0.23MPa ，僅為最低滲透率條件（ 1.50MPa） 的 15.3% ，壓力下降速率提升6.5倍。高滲透率 （8.48×10^-16m²） 條件下累計產(chǎn)量達 6913790.00m³ ，是低滲透率 2.48× 10^-16m²） 的2.34倍，具有顯著的產(chǎn)量倍增效應(yīng)。當 kgt; 5.0×10^-16m² 時，注氣驅(qū)替效率出現(xiàn)躍升，累計產(chǎn)量增幅達非線性增長階段。

4結(jié)語

本研究針對近距離煤層群瓦斯高效抽采的技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)研究了注 N₂-O₂ 混合氣體驅(qū)替強化抽采技術(shù)。通過建立THM多物理場全耦合數(shù)學模型，結(jié)合COMSOL高精度數(shù)值模擬，深入揭示了注氣壓力、煤層初始溫度及初始滲透率對瓦斯抽采動態(tài)過程的作用機制，獲得以下核心結(jié)論：

（1）注氣壓力的正向驅(qū)動效應(yīng)：提高注氣壓力可顯著強化氣體驅(qū)替動力。在 5MPa 注氣條件下， N₂-O₂ 混合氣體能夠有效克服低滲透煤層的滲流阻力，快速降低煤層瓦斯分壓。模擬結(jié)果表明： 5MPa 注氣使 CH₄ 壓力下降速率提升 58.0% ，累計抽采量達到6043885m³ ，較無注氣工況增產(chǎn) 98.7% ，最大生產(chǎn)速率提升 147% 。這證明高壓注氣是實現(xiàn)低滲煤層瓦斯高效抽采的關(guān)鍵可控因素；

（2）初始溫度的“雙刃劍\"效應(yīng)：煤層初始溫度升高雖可顯著促進瓦斯解吸動力學過程（ 326.5K 時瓦斯壓力衰減速率較 286.5K 提升 68% ，但其引發(fā)的煤基質(zhì)熱膨脹會加劇滲透率損傷（降幅達 28.7% ，最終導致累計抽采量降低 41.6% 。這一悖論現(xiàn)象揭示了單純依靠增溫促進解吸的策略存在局限性。但在 N₂-O₂ 體系中，適度升溫 （300～310K） 可激活低溫氧化反應(yīng)，生成 CO₂ 協(xié)同驅(qū)替，部分抵消滲透率損失，未來需優(yōu)化溫控策略；

（③滲透率的基礎(chǔ)性控制作用：初始滲透率是決定抽采效率的基石參數(shù)。當滲透率從 2.48×10^-16m² 提升至 8.48×10^-16m² 時，瓦斯累計產(chǎn)量增長 133.7% ，達到 6913790.00m³ ，最大生產(chǎn)速率提升 675% 。尤其當滲透率超過 5.0×10^-16m² 的臨界閾值后，注氣驅(qū)替效率呈現(xiàn)非線性躍升。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了煤層增透預(yù)處理（如水力壓裂、深孔爆破）對提升注氣效果的戰(zhàn)略意義。

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