煤層鉆孔瓦斯抽采半徑數值模擬

摘 要：為了尋求合理的鉆孔抽采半徑，采用數值模擬方法，應用Comsol Multiphysics軟件對所建立的鉆孔瓦斯抽采幾何模型進行數值解算。由數值解算結果可知：隨著抽采時間的延長，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力逐漸減小；對鉆孔周圍煤體瓦斯流動的時效性進行了研究，確定了不同抽采時間段的有效半徑，為合理確定抽采鉆孔數量和提高抽采量提供依據。

關鍵詞：抽采鉆孔；數值模擬；滲透率；瓦斯壓力

1 模型的建立

假設鉆孔周圍煤體瓦斯流動符合Darcy Law，視瓦斯為理想氣體，按照等溫過程來處理瓦斯氣體流動過程，煤層頂底板為不透氣巖層，瓦斯僅在煤層中流動，基于理想氣體狀態方程和Darcy Law建立鉆孔周圍煤體瓦斯運動的動力力學模型，用于模擬鉆孔周圍煤體的瓦斯流動規律[4，6]。

1.1 幾何模型

本次抽采半徑的數值模擬可采取二維平面模型進行模擬計算。建立模型如圖l所示：模型高（煤層厚度）為3m，長為80m，模型底部的邊界固定，左右兩側的邊界為豎直自由邊界，頂部加載上覆巖層重力，頂部應力為8.04MPa，鉆孔半徑為94mm，抽采負壓為13kPa，瓦斯壓力為1.03MPa，鉆孔布置在模型中心位置，取H方向為y軸方向，L方向為x軸方向。

1.1.1 數值計算模型

選取抽采鉆孔的俯視方向斷面對其進行研究，幾何模型如圖1所示。

圖1 均質煤層單孔抽采模型

1.1.2 網格劃分

網格為默認自由網格并進行細化，如圖2所示。

1.2 模型選擇和邊界條件

初始條件：煤體內部初始瓦斯壓力P（x，y）=1.03MPa，初始應力場位移ui=0，（i=1，2）。邊界條件：根據假設條件瓦斯氣體只在煤層中流動，滲流場邊界條件為：

（1）

2 應用實例

為了能夠得到鉆孔周圍煤體的抽采有效半徑，依據《AQ1027-2006煤礦瓦斯抽采規范》的規定，煤層預抽率要求為30%，即殘余瓦斯含量為原始瓦斯含量的70%，此時殘余瓦斯壓力為原始瓦斯壓力值的49%，瓦斯壓力下降51%。該礦煤層瓦斯壓力為1.03MPa，即采取抽采措施后，瓦斯壓力下降到0.50MPa的區域為有效抽采半徑[7]，利用模擬軟件對所建立的幾何模型進行數值計算，在對瓦斯抽采半徑進行數值計算前，依據煤層的初始地應力、初始瓦斯壓力、煤的單軸抗壓強度、內摩擦角、泊松比、煤的初始孔隙率、透氣性系數等參數對抽采時間為0d、30d、60d、90d、120d的鉆孔周圍瓦斯壓力分布規律和抽采半徑進行數值模擬，如圖3和圖4所示。

圖3 不同抽采時間鉆孔瓦斯壓力分布曲線圖

圖4 抽采時間與抽采半徑關系曲線

從圖3和圖4可以看出，隨著抽采時間的延長，鉆孔周圍煤層瓦斯壓力逐漸降低；同時，鉆孔抽采半徑逐漸增大，抽采30d時半徑為0.36m，抽采60d時半徑為0.58m，抽采90d時達到0.81m，抽采120d時增大到1.04m。

3 結束語

文章利用Comsol Multiphysics軟件對煤層抽采鉆孔進行了模擬，得到以下結論：通過對不同抽采時間鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布規律進行分析，得出了隨著時間的延長，煤層中的瓦斯壓力逐漸下降；同時，隨著抽采時間的延長，鉆孔抽采瓦斯的抽采半徑均逐漸增大，抽采半徑增大的速率逐漸減緩。

參考文獻

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[7]狄軍偵.應力作用下煤層氣非穩定耦合滲流模型及數值模擬[J].中國煤田地質，2007，19（4）：36-38.