基于COMSOL的瓦斯抽采半徑數值模擬

喬飛云

(山西離柳焦煤集團有限公司, 山西 呂梁市 033000)

0 引 言

在我國一次性能源結構中,煤炭占有很大比例,雖然煤炭消費持續降低,但是“十三五”末,煤炭還是主要能源,約占62%,隨著煤炭的大量回采,淺埋深煤層已趨于殆盡,煤礦企業不得不向深部延伸。深部開采煤層瓦斯高[1-4],壓力大,易發生瓦斯事故,目前采取的方法主要是對煤層進行瓦斯抽采。瓦斯抽采最重要的一項是確定瓦斯抽采半徑,而確定抽采半徑最好的方法是數值模擬[5],本文以山西某礦為實驗礦井,采用COMSOL數值模擬軟件模擬不同抽采條件各參數對抽采半徑的影響。

1 模型建立及參數

根據山西某礦S1206工作面的特征,建立模型,模型大小60 m×8 m,模型頂部有自身重力,大小9.85 MPa,底部固定,兩側和頂部自由,模型如圖1所示。主要參數包括：水分7.99%,灰分3.01%,泊松比0.28,彈性模量 2980 MPa,吸附常數 0.598 MPa－1,甲烷粘性系數1.12×10－5Pa·s,滲透率4.9×10－16m2,固結系數 0.796,密度 1.45 g/cm3,klikenberg系數0.301。

圖1 數值模擬

2 模擬結果及分析

2.1 時間與抽采半徑關系

模擬了130 d的瓦斯壓力變化,得出了不同抽采時間的瓦斯抽采半徑,抽采10 d時,抽采半徑為0.201 m,30 d時,抽采半徑為0.321 m,50 d時,抽采半徑為0.513 m,70 d時,抽采半徑為0.822 m,90 d時,抽采半徑為1.336 m,110 d時,抽采半徑為2.154 m,130 d時,抽采半徑為3.627 m,得出其關系函數,r＝0.0219 t1.1254(R＝0.9701),由關系函數可知,抽采半徑,隨著抽采時間的延長而逐漸增加,時間是影響抽采半徑大小的主要因素。

2.2 滲透率與抽采半徑關系

在一定的壓差下,煤巖的滲透率越大,則煤巖允許氣體通過的能力越強,滲透率直接關系著瓦斯在煤載體內流動阻力的大小,也就影響著瓦斯抽采的難易[6]。為了考察滲改變透率在進行瓦斯抽采時,其效果的好壞,模擬了相同的瓦斯賦存條件下滲透率變化引起的有效半徑變化情況,對抽采半徑和煤層滲透率進行擬合得出如圖2所示的結果。

由圖2可知,煤層的滲透率越大,抽采半徑越大,當增大到某值時,可以不進行抽采,瓦斯可自由逸散,說明煤層滲透率是影響瓦斯抽采半徑的主要因素。

圖2 抽采半徑與滲透率關系曲線

2.3 抽采負壓與抽采半徑關系

對抽采半徑和抽采負壓進行擬合(抽采80 d),初始瓦斯壓力1.71 MPa,得出如圖3所示的結果。

圖3 抽采半徑與抽采負壓關系曲線

由圖3可知,抽采半徑隨著負壓的增大而增大,通過擬合特征可知,抽采負壓對于半徑的影響較小,在進行瓦斯抽采效果時,可以不予考慮。

2.4 地應力與抽采半徑關系

地應力不同會引起煤層的滲透率和透氣性系數的變化,從而影響瓦斯氣體的流動,對不同地應力下的抽采半徑進行了分析,當地應力為7.98 MPa時,抽采半徑為1.311 m,當地應力為10.98 MPa時,抽采半徑為1.201 m,當地應力為13.98 MPa時,抽采半徑為1.098 m,當地應力為16.98 MPa,時抽采半徑為1.039 m,當地應力為19.98 MPa時,抽采半徑為0.898 m,當地應力每增加3 MPa時,半徑的減少幅度較小,說明地應力對抽采半徑影響較小,不是主要影響因素。

2.5 鉆孔直徑與抽采半徑關系

模擬了不同鉆孔直徑對抽采半徑的影響,其模擬結果如圖4所示。

由圖4可知,隨著鉆孔直徑的增大,抽采半徑逐漸增大,在40 d內,鉆孔直徑影響不大,中后期,抽采半徑變化明顯,說明在抽采中后期,孔徑對抽采效果影響較大。

圖4 抽采負壓與抽采半徑關系

3 結 論

采用COMSOL數值模擬軟件對山西某礦煤層瓦斯抽采半徑影響因素進行了研究,得出以下結論：

(1)得出了時間與抽采半徑的關系函數,反映了時間是影響抽采半徑的主要因素;

(2)煤層的滲透率越大,抽采半徑越大,當增大到某值時,可以不進行抽采,瓦斯可自由逸散,說明煤層滲透率是影響瓦斯抽采半徑的主要因素;

(3)抽采半徑隨著負壓的增大而增大,但影響較小,在進行瓦斯抽采效果時,對于抽采半徑可以不予考慮;

(4)當地應力每增加3 MPa時,抽采半徑的減少幅度較小,地應力對抽采半徑影響較小,不是主要影響因素;

(5)隨著鉆孔直徑的增大,抽采半徑逐漸增大,前期,鉆孔直徑影響不大,中后期,鉆孔直徑對抽采效果影響較大。