基于COMSOL數值模擬的瓦斯抽采半徑測定

崔永青，李永軍，劉 飛

（1.山西馬堡煤業有限公司,山西 長治046013；2.煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 沈陽 110000）

0 引言

煤層瓦斯抽采影響半徑是指：在規定或允許的時間內，煤層瓦斯壓力開始下降點到抽采鉆孔中心的距離[1]。鉆孔有效可抽范圍：在規定或允許的時間內，煤層瓦斯壓力下降到安全容許值的點到抽采鉆孔中心的距離。抽采鉆孔間距的選擇是影響瓦斯抽采效率的一個重要的因素[2]。鉆孔間距合理，對鉆孔布置和提高整個煤層的瓦斯抽采率具有重要意義。每個鉆孔在某一流動時間內都有自己控制的一個瓦斯流動場[3]，所以只有在流動場內相互不受干擾時增加鉆孔密度，才能經濟有效的提高煤層瓦斯抽采量[4]。

1 概況

馬堡礦隸屬于晉能集團，目前主采煤層為15號煤層，生產規模150萬t/a，開采深度標高由+1220m～+660m，批準開采面積為12.8688km2，礦井絕對斯涌出量高達58.17m3/min。礦井現階段開采進入井田深部區域，生產期間瓦斯問題是礦井面臨的主要問題之一。所以瓦斯預抽對于生產有著重要的意義。

2 抽采幾何模型的建立與解算

15號煤層主要進行本煤層預抽，本煤層鉆孔由巷道打向煤層，一般進行水平鉆孔。由于鉆孔和周圍瓦斯形成壓力差，在壓力差的影響下使得周圍煤層的游離瓦斯朝著鉆孔運動。在煤層傾向上，鉆孔的壓力情況和周圍煤層的游離瓦斯流動狀況大體相同。因此,以煤層的走向長度與煤厚建立二維幾何模型，從而反映在抽采過程中鉆孔周圍的瓦斯運動及壓力變化情況。

本文以馬堡礦所實測的15號煤層的現場數據為基礎資料，建立走向長100m煤厚為5m的二維煤層幾何模型。

2.1 物理參數的定義

本文建立COMSOL數值模型所需馬堡礦15號煤層各個數據列于表1。

2.2 生成網格

建立好二維煤層幾何模型后對其進行三角形網格劃分，由于重點進行鉆孔周圍的瓦斯運動情況分析，所以鉆孔邊界網格設置為30，進而生成網格，網格總數為2960，由邊界到鉆孔網格逐漸密集，鉆孔附近網格覆蓋效果好，可以較好地進行后續運算。

表1 物理參數表

2.3 解算與后處理

根據COMSOL提供的自適應計算方法和實際需要解決的問題相結合，采用設置絕對容差為系統默認值0.001，解算時間為30天，步長為1天的瞬態求解器對隨著時間的增長鉆孔周圍煤層的瓦斯壓力的變化情況進行數據分析。在鉆孔左右共布置5個監測點，分布情況如圖1，用來顯示模型內不同位置的瓦斯壓力隨時間變化而變化的情況。利用COMSOL軟件所提供得強大的后處理技術,根據模擬數據的結果在其中等值選取不同的解算時間，生成本煤層鉆孔周圍瓦斯壓力在不同抽采時間的等值圖如圖2。

圖1 15層瓦斯抽采半徑測定鉆孔開孔位置示意圖

圖2 30天瓦斯抽采分布等值線圖

由圖2可以看出,經過不同的抽采時間，瓦斯抽采的影響范圍不同。從選取的不同時間點來看，經歷的時間越長，煤層中瓦斯降低的范圍越廣。以進行抽采后的第30天為例，由圖可以看出距離抽采鉆孔越近煤層中的瓦斯壓力越小，隨著距離的增大，在距離鉆孔20m以外瓦斯壓力基本趨近于原始瓦斯壓力。

3 現場實踐驗證

15號煤層瓦斯抽采半徑的測定地點選在二采區15201運輸順槽360m處，采用順層鉆孔進行測定，即：在15201運輸順槽360m處布置測點，通過向15號煤層打順層鉆孔對進而進行對其煤層中的瓦斯進行抽采和壓力監測。在待測地點向15號煤層共打6個直徑為94mm（Φ94mm）孔深為50m的順層鉆孔，封孔長度不小于45m。根據模擬所設計的狀態，定義1#鉆孔為煤層中瓦斯抽采鉆孔、兩側為監測點，現場實際則為安裝壓力表的測壓孔。抽采半徑實際測量的鉆孔布置與模擬中相一致如圖1，抽采半徑測定鉆孔現場施工的具體參數見表2。

表2 15號煤層斯抽采半徑測定鉆孔參數表

鉆孔施工選擇在15201運輸順槽360m處施工，由里向外依次施工測壓孔，待測壓孔完成后再施工抽采鉆孔，并且每個孔施工完成后迅速對其進行封孔作業。測壓孔選擇直徑為20mm的無縫鋼管進行封孔，封孔長度為45m，抽采孔選擇直徑為50mm的PVC管進行封孔，封孔長度為20m。封孔方法采用“兩堵一注”方法進行封孔，即在孔內下入專用封孔囊袋對封孔段兩端進行封堵，外端部分留設注漿管和回漿管，然后對兩囊袋中間部位通過注漿管進行注入水泥漿，進行候凝。測壓孔待凝固后安裝壓力表。壓力表安裝完成后每天觀測并記錄壓力表示數，待到壓力值穩定后，對抽采孔進行進行抽采。抽采過程中每天進行數據觀察和記錄。

瓦斯抽采半徑測壓孔于2018年2月28日開始施工，鉆孔施工2天，施工完成后測壓孔壓力表壓力逐漸增大，11天后壓力值已經穩定，然后將瓦斯抽采孔接入抽采管路對其進行抽采作業，并對各個壓力表壓力下降過程進行觀測與記錄。觀測時間從3月12日開始持續30天，對所記錄數據進行分析，得出隨抽采時間的增長壓力變化情況的總體趨勢，并繪制距抽采孔4.5m壓力隨時間變化的曲線圖如圖3。

圖3 距抽采孔4.5 m的觀測孔壓力變化曲線圖

瓦斯抽采半徑考察孔采用Φ94mm鉆孔對15煤層進行順層抽采，從圖3中可以看出，測壓鉆孔的壓力隨著抽采時間的增長逐漸下降，下降速度逐漸減緩。當抽采時間為29天時，有效抽采半徑為4.5m。

4 結論

本文通過以實際測定數據為基礎，經過理論分析將煤層視為雙重孔隙單滲透率的特殊多孔介質，從而對其建立順層孔瓦斯抽采幾何模型，利用模擬軟件COMSOL對其進行瓦斯抽采過程模擬，從而研究順層孔瓦斯抽采半徑隨時間變化的規律，而后又進行實際現場檢驗來驗證模擬數值的現場實踐真實性。數值模擬與現場實測的結果基本吻合，雙方互相印證，最終得出結論：隨著抽采時間的增長，鉆孔影響的瓦斯壓力下降范圍越來越大，同一位置的瓦斯壓力隨著抽采過程的進行呈現緩慢下降的趨勢，不同位置的煤層瓦斯壓力隨著距離抽采鉆孔的距離的增加瓦斯壓力逐漸上升并趨近于原始瓦斯壓力。相對距離抽采鉆孔近的監測點瓦斯壓力在剛開始抽采時候下降速度很快，隨著抽采過程的進行達到一個峰值點后緩慢下降。距離較遠的監測點初期瓦斯壓力下降速度較慢隨著時間的增長逐漸增大到峰值后也緩慢下。最后各點壓力差在經歷增大減小后趨于穩定。