順層單鉆孔抽采瓦斯的數值模擬分析

孫志剛

（山西汾西礦業集團中興煤業，山西 交城 030500）

利用計算機對鉆孔瓦斯抽采下的瓦斯滲流進行數值模擬的，可以方便快捷地得出與實際物理過程相接近的模擬結果，對工程中實際鉆孔抽采瓦斯具有普遍的理論指導意義[1-3]。

本文建立了315工作面順層單鉆孔瓦斯抽采的非定常固氣耦合模型，運用數值模擬軟件COMSOL對順層單鉆孔抽采瓦斯的工況進行模擬，并與現場有關實測數據進行對比，驗證所建模型的正確性和所用軟件的有效性[4-5]。

1 非定常耦合模型建立

1.1 315工作面概況

315綜放工作面布置于15#煤層3采區，工作面巷道布置方式為單U+高抽巷模式，煤厚5.5m，采面長度205m，可采長度1050m。根據本礦對315工作面軌順和315皮順做的瓦斯含量測定數據來看，315工作面瓦斯含量為3.5～5.0m3/t之間，殘存瓦斯含量為2.0m3/t，瓦斯壓力為0.186～0.285MPa，煤層堅固性系數 0.54～0.6，透氣性系數 0.01m2/MPa2·d。工作面北為313采空區，南為未開拓煤田，西為15#南軌道、南皮帶、南回風大巷，東為新區井田邊界。工作面回采范圍內不受大的斷層等地質條件影響，有1個小斷層，F11正斷層（落差8m、傾角70°）。頂板為砂質泥巖，底板為泥巖。15#煤層上方43m處為12#煤層，上方85m為9#煤層。煤層底板標高1005～1048m；埋藏深度337～437m。

1.2 工作面瓦斯抽采現狀

抽采工程類型包括掘進高抽巷和鉆孔施工工程；抽采工程量為完成高抽巷掘進1087m，315高抽巷密閉后接Φ610mm螺旋焊縫鋼管對裂隙帶進行瓦斯抽采。315工作面軌道順槽內鉆孔開工時間為2015年8月3日，竣工時間為2016年3月4日。共施工鉆孔172個，鉆孔總進尺20571m，其中本煤層鉆孔59個，進尺11690m，裂隙帶鉆孔104個，進尺8320m。根據鉆孔施工記錄，無噴孔、頂鉆、卡鉆等現象。噸煤鉆孔量0.01m。因315工作面可解析瓦斯含量在1.5～3m3/t，本身瓦斯含量已達到抽采達標煤量，故不需要預抽期。

（1）315工作面回風順槽鉆孔參數

在切眼往外400m巷道范圍內布置62個本煤層孔，孔間距6m，進尺12320m，進行本煤層孔采前預抽；整個回風順槽布置106個頂板孔，孔間距10m，進尺8480m，降低回采期間上隅角區上部裂隙帶高濃度瓦斯；切眼向高抽巷位置5個瓦斯釋放孔，孔間距10m，進尺308m，聯通切眼和高抽巷，初采期間，老頂未垮落，裂隙未形成，高抽巷通過釋放孔將未垮落采空區瓦斯抽走；軌順巷道里幫距切眼30m到70m范圍內施工9個冒落帶鉆孔，孔間距5m，進尺561m，解決初采期間老頂來壓涌出的瓦斯和高抽巷未起作用期間的瓦斯抽放問題。

鉆孔施工完畢后及時封孔并網到315軌道順槽高、低負壓抽采管路上盡量增加預抽時間。下表1為鉆孔參數表。

表1 回風順槽鉆孔參數

（2）高抽巷抽采

315高抽巷掘進到位后，從12#公共高抽巷接設Φ610的瓦斯主管，管路接至315高抽巷以里40m,抽放口5m左右架設木垛保護。管路接好后，外口砌筑密閉墻，閉前留設抽采管路，在回采前管路并入大系統由地面永久瓦斯泵站抽采。

圖1 315軌順抽采鉆孔平面示意圖

圖2 頂板鉆孔示意圖

1.3 順層單鉆孔瓦斯抽采固氣耦合模型

實際的鉆孔瓦斯抽采過程是在三維空間中進行的，而建立三維模型的尺度太大，計算的時間和空間復雜度相當高，考慮到315工作面的順層鉆孔深度尺度遠大于煤層厚度，可以將所研究的煤層瓦斯抽采模型簡化為二維模型。因此依據315工作面具體條件和基本假設，建立順層單鉆孔瓦斯抽采的二維平面模型進行數值模擬研究。其中，煤體固體變形為平面應變模型，瓦斯滲流也為一般的平面模型。

根據315工作面上覆巖層厚度和密度可計算出模型的頂端邊界上承受有12MPa的壓力，同時煤層自身及其頂板的重力也一并考慮。

2 數值模擬結果分析

2.1 鉆孔卸壓區和應力分布

從圖3所示的鉆孔卸壓區可以看出，在鉆孔的左右兩側形成小范圍的應力集中區，而在鉆孔上下兩側形成0.3m的應力降低區，由此可以看出由于大直徑鉆孔的出現，使得鉆孔周圍煤體的應力集中在了鉆孔左右兩側，從而使得鉆孔上部和下部的煤體應力降低，起到了卸壓作用。鉆孔上部和下部煤層壓力由原先的12MPa降低為4MPa。由于315工作面埋深為480m，上覆壓力較大，鉆孔打鉆后形成的塑性區較小，大約為0.1m，鉆孔打鉆后形成的卸壓范圍較小。

圖3 鉆孔卸壓區

2.2 單鉆孔自然瓦斯流量及其衰減系數

根據《中興煤業15號煤層瓦斯涌出量預測報告》中315工作面現場實測得出初始百米鉆孔瓦斯流量為0.2460～0.449m3/min，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.2443～0.265d-1。取鉆孔直徑為115mm，孔壁邊界壓力設為環境大氣壓力。通過數值模擬，得到了300min內百米鉆孔瓦斯流量隨時間的變化規律，如圖4所示。

圖4 百米鉆孔瓦斯流量隨時間衰減曲線

鉆孔瓦斯流量Q由孔壁涌出速度V沿其周長L積分，再乘以鉆孔長度L1得到：

根據圖4的擬合曲線，百米鉆孔瓦斯流量隨時間變化符合雙指數衰減關系：

圖4所示的變化趨勢與實際較一致，鉆孔瓦斯流量隨時間衰減先快后慢，大約在50min后趨于穩定。模擬得到的初始百米鉆孔瓦斯流量在第3min時為0.421m3/min與現場實測值0.2460～0.449m3/min相符。這是由于現場測定受到各種因素的影響，難以做到快速測定，使得測定結果偏小。

為了獲得每天的鉆孔自然瓦斯流量衰減系數，取模擬時間步長為1d，得到模擬結果見圖5。通過數據擬合，可以分析出鉆孔自然瓦斯流量隨時間衰減呈雙指數函數關系：

圖5 百米鉆孔自然瓦斯流量隨時間衰減曲線

其相關系數為R2=0.993，由式（3）可知，模擬得到兩個鉆孔瓦斯流量衰減系數分別為0.2458d-1和0.004021d-1，其中第一衰減系數占絕對優勢，與實際值0.2443～0.265d-1相當接近。表明鉆孔流固耦合模型是符合實際的。

2.3 單鉆孔瓦斯抽采流量及其衰減系數

根據所建模型和表3所設參數，鉆孔直徑取現場實際值115mm，抽采負壓取現場實際參數13kPa，模擬時間取60d。采用COMSOLMultiphysics軟件，煤層瓦斯運移模型選擇達西滲流方程，單鉆孔瓦斯抽采模擬結果如圖6所示。

圖6 鉆孔瓦斯抽采流量隨時間衰減規律

通過數據擬合，可得百米鉆孔瓦斯抽采流量隨時間衰減符合如下的雙負指數函數關系。

式（4）的擬合相關系數R2=0.995，其中優勢指數衰減系數為0.2886d-1，略大于自然瓦斯流量衰減系數，表明鉆孔施加了抽采負壓后，加速了瓦斯流量的衰減。這與現場實際規律是相符合的。

3 結語

本文根據315煤層運輸巷實際情況，利用Comsol-Multiphysics軟件建立相關的流固耦合模型。通過數值模擬，得出順層單鉆孔形成的卸壓帶、鉆孔瓦斯流量以及鉆孔瓦斯流量衰減系數三個方面的相關數據，結果如下：

（1）煤體單鉆孔在12MPa上覆地層壓力作用下形成的卸壓區較小，約為0.3m，與現場經驗相一致。

（2）鉆孔瓦斯流量隨時間衰減先快后慢，大約在50min后趨于穩定。模擬得到的初始百米鉆孔瓦斯流量在第3min時為0.421m3/min與現場實測值0.2460～0.449m3/min相符。

（3）通過模擬60d鉆孔瓦斯抽采，將得出的瓦斯抽采流量經過數據處理，得出了鉆孔瓦斯流量速度隨時間先快后慢，與現場實際規律相符合。優勢指數衰減系數為0.2458d-1，與現場實測數據0.2443～0.265d-1基本符合。