孟 然，徐經蒼，魏 攀，許滿貴，成 賓

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西 澄城 715200）

順層瓦斯抽放鉆孔滲流場數值模擬及應用

孟 然1，徐經蒼2，魏 攀1，許滿貴1，成 賓2

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤澄合礦業有限公司，陜西 澄城 715200）

切實可行的瓦斯抽放方式是預防煤礦瓦斯事故災害的重要方法之一。為了能準確合理地確定順層瓦斯抽放鉆孔的布置參數，基于煤層瓦斯流動理論，建立鉆孔抽放瓦斯滲流場數學模型，運用有限元分析軟件COMSOL-Multiphysics，以董家河煤礦22518工作面為例，對工作面順層鉆孔瓦斯抽放過程進行數值模擬，研究抽放鉆孔周圍瓦斯滲流場分布規律，確定22518工作面順層瓦斯抽放鉆孔的布置方式。結果表明：瓦斯抽放初期，瓦斯抽放量較大，持續時間較長，抽放瓦斯卸壓作用使得鉆孔周圍一定范圍內的煤體滲透率顯著提高，在鉆孔中心位置，瓦斯滲流速度達到最大值，煤體孔隙率隨著抽放時間的推移逐漸降低，設計鉆孔直徑90mm，抽放負壓20kPa，鉆孔有效抽放半徑確定為3～4m時抽放效果較好。該研究結果對提高瓦斯抽放效率，預防瓦斯事故災害，保障煤礦安全生產具有重要的指導意義。

煤礦；瓦斯；順層鉆孔；數值模擬

0 引 言

煤層瓦斯抽放是積極防治瓦斯事故災害的主要技術措施之一[1]，瓦斯抽放主要有巷道抽放和鉆孔抽放，鉆孔抽放是目前國內外抽放本煤層和鄰近層瓦斯的主要方式，其中井下布孔抽放是抽放本煤層和鄰近層瓦斯應用最多和較普遍的方法[2]。瓦斯抽放過程中瓦斯的滲流變化是一個復雜的過程，瓦斯滲流基于煤層的物理力學性質，同時，煤層中瓦斯的賦存狀態、瓦斯壓力、煤層瓦斯含量及滲透率等直接影響煤層瓦斯的滲流[3-5]。因此，研究本煤層順層瓦斯抽放鉆孔中瓦斯滲流規律，合理選用技術性強、經濟性高的鉆孔布置方式將瓦斯從煤層中抽出并加以利用，對于有效進行煤層瓦斯預抽，從而降低煤層瓦斯含量、減少瓦斯事故災害的發生，從根本上消除煤礦瓦斯事故災害隱患具有十分重要的意義[6-7]。以董家河煤礦22518工作面為例，基于煤層瓦斯流動理論[8]，建立鉆孔周圍煤層瓦斯滲流場數學模型，運用有限元分析軟件COMSOL-Multiphysics對鉆孔周圍煤體中瓦斯滲流過程進行數值模擬，尋求出順層鉆孔周圍瓦斯壓力分布規律及鉆孔周圍煤體滲透率和孔隙率動態變化規律，確定出鉆孔有效抽放半徑，并在煤礦實際生產中加以檢驗證明，為進一步研究煤體瓦斯抽放過程中的鉆孔參數優化奠定了基礎。

1 工作面概況及瓦斯來源

董家河煤礦22518綜采工作面走向長842 m，傾斜長150 m，進、回風巷設計斷面10.2 m2，采用錨網支護，設計采高4 m，采用綜采一次采全高，設計配風750 m3/min，計劃月產量6.8萬t.主采煤層為5#煤層，煤層厚度3.66～4.20 m.開采22518工作面時，工作面涌出的瓦斯來源主要是本煤層和上覆鄰近層，根據工作面地勘與實測瓦斯含量數據，利用分源預測法，計算得到工作面瓦斯來源構成見表1，從表中可以看出，本煤層瓦斯涌出量較大。圖1為22518工作面地勘煤層瓦斯含量分區圖。根據礦井擴大區瓦斯含量等值線圖將工作面劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4個區段。Ⅰ段平均瓦斯含量為8 m3/t，Ⅱ段平均瓦斯含量為6 m3/t，Ⅲ段平均瓦斯含量為4 m3/t，Ⅳ段平均瓦斯含量為2 m3/t.

表1 工作面瓦斯來源構成

圖1 工作面瓦斯含量分區圖Fig.1 Schematic diagram of gas content in working face

2 瓦斯滲流場數值模擬

2.1 煤體瓦斯滲流場控制方程

煤層瓦斯滲流實質上[8]是可壓縮性流體在各向異性且非均質的孔隙—裂隙雙重介質的滲透—擴散的混合非穩定流動，因此，煤層瓦斯滲流場控制方程為

（1）

P·β=ρ,

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

式中 q為煤層瓦斯滲流速度，m·s-1； μ為瓦斯的絕對粘度，Pa·s；p為瓦斯壓力梯度，Pa·m-1； k為煤層的滲透率，μm2； ρ為瓦斯密度，kg·m-3； p為瓦斯壓力，Pa； β為瓦斯的壓縮系數； p0為大氣壓力，1.013×105Pa； βs為煤體密度，g·cm3； a，b為Langmuir常數； Qp為源匯項，kg·m-3·s-1； m為瓦斯含量，kg·m-3； εV為體積應變； ks為煤體骨架模量，Pa； k0為初始滲透率，μm2.

2.2 數值模型及參數確定

文中使用基于偏微分方程組PDE的COMSOL-Multiphysics分析軟件，通過在軟件內部選擇不同物理場模塊進行組合，可模擬出任意物理場疊加作用下的數值結果，從而進行多物理場耦合數值分析，針對不同問題進行穩態和瞬態分析，線性和非線性分析。數值模擬過程基于固體力學方程和達西方程計算模塊，因井下鉆孔瓦斯抽放過程是在三維空間中進行的，其計算量較大，考慮工作面現場實際條件和基本假設，文中順層鉆孔瓦斯抽放數值模擬采用二維平面模型進行模擬。建立如圖2所示的長×寬為80m×5m的二維理想化模型，模型在垂直方向高5m，水平方向長80m；抽放鉆孔在模型的幾何中間位置，鉆孔直徑為90mm.

邊界條件：模型底部邊界固定，左右兩側邊界為豎直自由邊界，模型上端受8MPa的上覆巖層壓力。

圖2 二維理想化數學模型Fig.2 2D idealized mathematical model

初始條件：煤層初始瓦斯壓力為0.15MPa，抽放負壓為20kPa.

數值模擬所需物性參數見表2.模型建立好以后對模型進行網格劃分，網格劃分形式采用自由剖分三角形網格。求解每個單元網格結構，就能得到整體的變化趨勢，網格越細致整齊，結果就越精確。

2.3 模擬方案

以董家河煤礦22518工作面為模型，方案為

1）以鉆眼位置為起點，不同時刻鉆孔周圍煤體瓦斯壓力、孔隙率、滲透率變化情況；

2）以鉆眼位置為中心，鉆孔周圍不同距離處的煤體瓦斯壓力、孔隙率、滲透率、滲流速度變化情況。

表2 模型基本物性參數

3 結果與分析

3.1 瓦斯壓力分布規律分析

圖3為抽放時間分別為1，5，35 d時鉆孔瓦斯壓力分布云圖，圖4為不同抽放時間時，以鉆孔中心位置為起點，不同距離處的瓦斯壓力分布曲線。

圖3 不同抽放時間鉆孔瓦斯壓力分布云圖Fig.3 Nephogram distribution of gas pressure in drlling in different time

從圖3中可以看出，隨著抽放時間的增加，抽放負壓的影響范圍逐漸擴大，瓦斯抽放區域也是隨之而增大的。從圖3和圖4可以看出，在鉆孔抽放瓦斯的初始階段，鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力下降速率較大，隨著抽放時間的推移，鉆孔周圍煤體中瓦斯壓力下降速率減小，這是由于鉆孔周圍局部煤體受到卸壓作用的緣故，表明距鉆孔越近的地方瓦斯壓力梯度越大，瓦斯壓力變化也越大，隨著距鉆孔距離的增大，壓力梯度變化減小，瓦斯壓力逐漸趨于穩定，在實際礦井生產中，應選擇合適的瓦斯抽放時間。觀察圖4中負壓抽放35 d的瓦斯壓力等值線，在鉆孔周圍3 m范圍內的煤體卸壓加速，煤體中瓦斯壓力下降幅度能達到40%多。

3.2 煤體孔隙率動態變化分析

圖5給出了以鉆眼位置為中心，距鉆眼不同距離處煤體孔隙率變化曲線，圖6給出了抽放35 d后，鉆孔前方1 m處煤體孔隙率隨時間變化曲線。

圖4 不同抽放時間瓦斯壓力等值線分布圖Fig.4 Distribution of contour of gas pressure in drilling in different time

圖5 不同抽放時間孔隙率分布Fig.5 Distribution of porosity at different times

圖6 孔隙率隨時間變化曲線Fig.6 Curve of porosity changes with time

從圖5，圖6可以看出，鉆孔周圍一定范圍內煤體孔隙率顯著增大，隨著時間的推移，孔隙率變化逐漸減小。這是因為距鉆孔一定范圍內，瓦斯壓力梯度變化較大，瓦斯壓力下降較快，隨著時間的推移，瓦斯壓力梯度越來越小，而煤體上覆巖層作用力幾乎不變，從而煤體有效應力不斷增大，導致煤體孔隙被壓縮，孔隙率隨之降低。另外，煤體中瓦斯的解吸過程會使得煤體骨架收縮，煤體孔隙仍會有一定程度的擴張。但由于有效應力增大導致孔隙壓縮的程度大于由于瓦斯解吸作用導致孔隙擴張的程度[9]，從而整體表現出孔隙率的降低。

3.3 煤體滲透率動態變化分析

圖7和圖8為抽放35 d后，以鉆眼位置為中心，鉆孔周圍煤體滲透率、滲流速度變化曲線。

圖7 煤體滲透率變化曲線Fig.7 Curve of coal permeability changes with time

圖8 抽放瓦斯滲流速度變化曲線Fig.8 Curve of seepage velocity of gas changes with time

從圖7可知，距鉆孔位置越遠，鉆孔周圍煤體滲透率變化梯度越來越小，這主要是因為地應力的壓縮作用所致。瓦斯壓力隨著時間的推移逐漸趨于煤體原始瓦斯壓力，在地應力的壓縮作用下導致煤體孔隙率的減小，進而造成滲透率的減小。有實驗研究表明[10]，煤體滲透率和孔隙率具有較好的一致性，在溫度和瓦斯壓力一定時，隨著有效應力的增大，滲透率逐漸減小，且減小趨勢逐漸減緩。

從圖8可以看出，鉆孔周圍煤體卸壓后，在瓦斯壓力梯度作用下，從鉆孔中心往四周滲透率逐漸減小，進而影響瓦斯滲流速度的變化：越靠近鉆孔位置，瓦斯壓力梯度越大，瓦斯滲流速度越大。

4 瓦斯治理效果檢驗

4.1 鉆孔布置方案

《煤礦安全規程》[13]中規定煤層瓦斯預抽率應大于30%，文中定義當煤體中瓦斯壓力降低40%時的位置距鉆孔中心的距離為有效抽放半徑。根據鉆孔抽放后煤體瓦斯壓力、煤體滲透率和孔隙率等參數的分布規律，結合董家河煤礦22518綜采工作面實際生產情況，初步確定22518工作面順層瓦斯抽放鉆孔的有效抽放半徑為3～4 m左右。

在22518回采工作面前3個區段進行了順層鉆孔瓦斯抽放，本次抽放前后瓦斯含量對比測定鉆孔布置也主要在前3個區段進行。抽放鉆孔采用單排布孔，開孔高度距巷道底板1.3 m，鉆孔始終保持上揚1°左右，以保證孔內積水及時排出。測定鉆孔設計Ⅰ段24個鉆孔，間距為6 m，孔深25 m；測定鉆孔設計Ⅱ段14個鉆孔，間距為6 m，孔深25 m；測定鉆孔設計Ⅲ段30個鉆孔，間距為6 m，孔深25 m.鉆孔采用ZDY2600L型煤礦用履帶式全液壓鉆機施工。鉆桿采用φ110螺旋鉆桿，鉆頭采用φ113復合片鉆頭。鉆孔采用封孔袋進行封孔，封孔深度不小于10 m.鉆孔施工完畢后應及時封孔，并接入抽放系統進行抽放。設計鉆孔如圖9所示。

圖9 22518工作面鉆孔布置圖Fig.9 Drilling arrangement plan of 22518 working face

4.2 檢驗結果分析

瓦斯含量測定嚴格按照《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》[12]進行計算，運用井下直接測定和實驗室DGC型瓦斯含量測定儀對本煤層抽放前后煤層瓦斯含量進行測定，測定結果見表3.

表3 瓦斯抽放檢驗結果

從表3可以看出，本煤層原始瓦斯含量平均為4.295 2 m3/t，抽放后煤層瓦斯含量平均為2.101 1 m3/t，抽放后煤層瓦斯含量降低了51.1%.同時，工作面日產量按M=6×434=2 604 t計算，評價單元中可解吸瓦斯含量范圍為0.65～1.12 m3/t，最大可解吸瓦斯量為1.12 m3/t，遠小于6 m3/t，滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的要求。

5 結 論

1）建立了本煤層順層鉆孔瓦斯滲流場數學模型，利用有限元分析法對其進行數值模擬，該數學模型及模擬結果經現場實際生產檢驗后，是合理可行的；

2）在煤體進行順層鉆孔瓦斯抽放后，鉆孔周圍一定范圍內煤體處于卸壓狀態，煤體瓦斯壓力下降，且在3 m范圍內瓦斯壓力下降幅度較大。卸壓作用影響鉆孔周圍煤體滲透率和孔隙率，使得鉆孔周圍一定范圍內的煤體滲透率顯著提高，孔隙率隨著抽放時間的推移逐漸降低，鉆孔有效抽放半徑確定為3～4 m時抽放效果較好；

3）鉆孔抽放過程中，隨著瓦斯壓力、煤體滲透率的變化，進而使得煤體中瓦斯滲流速度也表現出一定的規律：從鉆孔周圍往鉆孔中心方向，煤體中瓦斯滲流速度逐漸增大，在鉆孔中心位置，煤體中瓦斯滲流速度達到最大值。

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Numericalsimulationandapplicationofdrillinggasdrainageholesalongseamincurrentseam

MENGRan1，XUJing-cang2，WEIPan1，XUMan-gui1，CHENGBin2

（1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.ShaanxiChengheMiningCo.，Ltd.，Chenghe715200，China）

The feasible gas extraction method is one of the important approaches to prevent the occurrence of the mine gas accident.In order to determine the reasonable parameters of drilling gas drainage holes along seam，based on gas flow theory，seepage field mathematical model of gas suction by drilling is established，by using the finite element analysis method of COMSOL-Multiphysics，the process of gas drainage in drilling hole along seam in current seam is numerically simulated to study the distribution rules of gas permeation field around drainage hole in case of 22518 working face in Dongjiahe coal mine，and determine the arrangement modes of drainage holes of drilling gas along seam in current seam.The study results show that，large amount and long duration of gas extraction content occurred at the beginning of gas drainage period，the coal permeability increases visibly under the action of relief pressure of gas extraction around the drill，seepage velocity reached maximum at the center of drill and the coal porosity decreases gradually with the time.In the conditions of drilling hole diameter of 90 mm and negative suction pressure of 29 kPa，the effective drainage radius is best set to 3～4 m.The results have important guiding significance for increasing the gas drainage efficiency，preventing mine from gas accident and guaranteeing coal mine safety production.

coal mine；gas；drill holes along seam；numerical simulation

2015-06-12 責任編輯：劉 潔

孟 然（1990-），男，陜西西安人，碩士研究生，E-mail：mcr615@foxmail.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0506

1672-9315（2015）05-0561-06

TD

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