近距離煤層群強化瓦斯抽采效果研究
2025-11-08 00:00:00吳彬
粘接 2025年10期
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）在我國主要產煤區分布廣泛，其開采過程中面臨極其復雜的瓦斯災害威脅1。由于煤層間距小、層間應力擾動疊加、瓦斯賦存條件復雜且運移通道相互交織，采用傳統本煤層鉆孔負壓抽采技術存在三大突出難題：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，預抽達標周期長達數月甚至數年；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 ，極易引發瓦斯超限；其三，單一抽采方式難以實現被保護層的區域性消突[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。為突破上述技術瓶頸，煤層注氣強化抽采技術應運而生。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5；另一方面通過競爭吸附作用置換煤基質微孔隙中的吸附態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替介質[10-11]
基于此，本文以新集一礦2308（9）采區為工程載體，聚焦注 N2-O2 混合氣體驅替強化抽采技術的實施效果。通過構建THM多場耦合數學模型，系統研究注氣參數（壓力）煤層物性參數（初始溫度、滲透率）對瓦斯抽采動態過程的影響機制。研究采用COMSOL軟件平臺實現復雜物理過程的數值仿真，定量揭示瓦斯壓力場演化規律、累計抽采量變化特征及滲透率動態響應，為技術優化與現場應用提供科學依據。
1工程概況
新集一礦2308（9）采區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。客觀上具備聯合保護層開采的條件。
2308（9）采區煤層群開采的保護層開采方案為首采9煤層，設計首采面為230903，根據設計切眼的地質剖面圖，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抽區域瓦斯方案，在工作面里段實施底板瓦斯抽排巷穿層鉆孔預抽被保護層區域瓦斯方案。鉆孔施工則采用被保護層區域預抽方案。
2THM耦合模型構建
2.1 THM耦合模型理論框架
注入 N2-O2 混合氣體驅替煤層瓦斯主要涉及熱力學（T）、流體力學（H）、地質力學（M）的強耦合[1]。本文建立的THM全耦合模型包含基質系統氣體擴散-吸附控制方程、裂縫系統氣-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滲透率方程。
基質系統是吸附態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]，基質系統氣體擴散-吸附控制方程為：
式中： Ci 為氣體成分 i 的濃度； Dm 為基質孔隙率；De，i 為有效擴散系數。
裂縫網絡是氣體運移的主要通道，遵循修正的達西定律[14]，裂縫系統氣-水兩相滲流方程：
式中： a 為氣相 Π（g） 或水相 （w）;Sa 為相飽和度； kra 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放熱[15]，煤層溫度場控制方程：
（3）
式中： T 為溫度， （ρCp）eq 為等效熱容； Qox 為氧化反應放熱源項。
煤體變形與動態滲透率方程：
式中： k0 為初始滲透率； β 為裂隙壓縮系數； Δεads 等為吸附應變增量，與氣體組分濃度相關。
2.2 THM耦合模型驗證
THM耦合模型基于230903工作面實測地質數據構建，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據進行對比。模擬設置：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
模擬結果表明：模擬的瓦斯生產速率曲線如圖2所示。
呈現典型的“快速衰減-緩慢遞減”兩階段特征，與實測數據吻合度達 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出動態方面的準確性。
3注氣抽采數值模擬與結果分析
基于驗證后的THM模型，本研究利用COMSOL開展多情景數值模擬，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律如圖3所示。
同時增強氣體在微孔中的Knudsen擴散系數。高溫雖加速壓力下降，但累計產量呈現反向趨勢。 326.5K 時累計產量僅 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（ 
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。在 5MPa 注氣條件下，瓦斯壓力在30d內由 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替動力，促使 N2-O2 混合氣體在裂縫網絡中快速推進，加速置換基質微孔隙中的瓦斯。5MPa 注氣時，180d累計瓦斯產量達 6043885.00m3 較無注氣 3042281m3 提升 98.7% 。高壓注氣雖加速瓦斯解吸，但加劇了基質收縮非均勻性，導致有效應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
設置初始溫度梯度： 286.5K（13.35‰ ） 306.5K （33.35qC ） 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。 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） 條件下累計產量達 6913790.00m3 ，是低滲透率 2.48× 10-16m2） 的2.34倍，具有顯著的產量倍增效應。當 kgt; 5.0×10-16m2 時，注氣驅替效率出現躍升，累計產量增幅達非線性增長階段。
4結語
本研究針對近距離煤層群瓦斯高效抽采的技術瓶頸，系統研究了注 N2-O2 混合氣體驅替強化抽采技術。通過建立THM多物理場全耦合數學模型，結合COMSOL高精度數值模擬，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過程的作用機制，獲得以下核心結論：
（1）注氣壓力的正向驅動效應：提高注氣壓力可顯著強化氣體驅替動力。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 98.7% ，最大生產速率提升 147% 。這證明高壓注氣是實現低滲煤層瓦斯高效抽采的關鍵可控因素；
（2）初始溫度的“雙刃劍\"效應：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% ，但其引發的煤基質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，生成 CO2 協同驅替，部分抵消滲透率損失，未來需優化溫控策略；
（③滲透率的基礎性控制作用：初始滲透率是決定抽采效率的基石參數。當滲透率從 2.48×10-16m2 提升至 8.48×10-16m2 時，瓦斯累計產量增長 133.7% ，達到 6913790.00m3 ，最大生產速率提升 675% 。尤其當滲透率超過 5.0×10-16m2 的臨界閾值后，注氣驅替效率呈現非線性躍升。這一發現強調了煤層增透預處理（如水力壓裂、深孔爆破）對提升注氣效果的戰略意義。
【參考文獻】
[1]蔡靖哲，周動，王剛，等.含瓦斯煤體水氣分布及滲流規律數值模擬[J].煤礦安全，2025，56（4）：43-49.
[2]張帥.低滲透煤層水力造穴卸壓增透瓦斯抽采技術研究[J].陜西煤炭，2025，44（4）：14-18.
[3]趙宇.煤礦井下瓦斯高效抽采技術應用研究[J].鑿巖機械氣動工具，2025，51（3）：113-115.
[4]孫劉詠，田佳闊，張冉，等.基于多場耦合模擬的煤層瓦斯抽采鉆孔布孔研究[J].煤炭科技，2025，46（1）：58-64.
[5]李柏，劉鵬，胡彪，等.煤層注 CO2"驅替抽采瓦斯的數值模擬及敏感性分析[J].礦業研究與開發，2024，44（12）：169-176.
[6]徐小馬，燕湘湘，黃姝羽.不同注氣成分置驅瓦斯效果數值模擬研究[J].工礦自動化，2024，50（4）：112-120.
[7]蘇金華，任金武，趙永超，等.近距離煤層群卸壓瓦斯聯合抽采技術研究及應用[J].煤炭技術，2024，43（6）：183-188.
[8]胡月強，周耀.復雜地質條件下井下巷道瓦斯運移規律研究[J].粘接，2023，50（8）：146-148.
[9]張民波，閆瑾，鐘子逸，等.基于煤體各向異性的瓦斯熱流固耦合抽采特性研究[J].礦業研究與開發，2023，43（6）：134-140.
[10]柳梧澤，嚴國超，董金發，等.注空氣促抽低滲煤層瓦斯的模擬研究[J].煤炭技術，2023，42（6）：146-150.
[11]董國偉，任小亮，梁烜銘，等.復合關鍵層綜放開采瓦斯運移與抽采耦合規律研究[J].煤炭工程，2023，55（2）：116-122.
[12]賈進章，張天闊，王東明，等.注二氧化碳促抽煤層瓦斯數值模擬及現場試驗[J].安全與環境工程，2023，30（1）：78-86.
[13］李臣武.近距離煤層群不可采煤層瓦斯參數測定及應用[J].山西焦煤科技，2022，46（9）：9-12.
[14]秦可.不同鉆孔間距對瓦斯抽采的影響研究[J].粘接，2022，49（5）：80-84.
[15]張鵬沖.含水煤層熱流固耦合模型建立及數值模擬研究[J].能源與環保，2021，43（5）：29-33.
