采動影響下煤層瓦斯運移規律研究

韓煒

摘 要：瓦斯流動的過程十分復雜，屬于瓦斯煤氣運移與固定之間的耦合過程。本文以某煤礦3號煤層開采工作面為例，利用運移數學模型分析了氣體運移與鉆孔破壞之間的現象，指出了瓦斯運移的規律，以期為此后煤礦治理瓦斯工作提供更多的借鑒依據。

關鍵詞：采動影響;煤層瓦斯;運移規律

1 瓦斯抽采實驗模型

1.1 煤礦地質情況

某煤礦屬于瓦斯突出礦井，煤層平均厚度為5.3m，瓦斯含量為8.9-10.9m3/t，測量發現平均壓力為1.89MPa，為了減少瓦斯的泄露風險，開采時應采用順應煤層方向的模式，采用抽采鉆孔方式，并保證直徑為94mm。

1.2 數值模型

選取某煤礦3號煤層開采工作面為模型來源，模型高度為5m，長度為40m，將其布置在煤層的水平中心位置，設置13個負壓抽采鉆孔，各孔之間的水平距離為3m，直徑保持為100mm。為了更為精準的呈現承載力的變化情況，將判斷標準設定為臨近工作面的推進距離，推進10m則重新設置承載力，直至完成最終的抽采工作。模型內空氣壓力為0，瓦斯初始壓力為2MPa。

2 雙重孔隙特性瓦斯運移模型

為了充分研究煤層滲透率對瓦斯運移的影響，建立雙重孔隙瓦斯運移模型進行分析。相較常規的天然氣儲層，煤礦抽采煤層滲透率保持在0.001-100.00范圍內變化，且煤層屬于包含裂隙與基質孔隙的雙重孔隙介質，微孔表面存在瓦斯。在基質系統中，煤層瓦斯遵循一定的運移規律，需要建立相應模型進行分析。

2.1 模型假設

一是忽略煤層水分對瓦斯運移規律的影響，僅考慮瓦斯自身的流動情況;二是煤層中的介質均為同種性質，分析期間考慮煤層的雙重孔隙特點;三是忽略煤層對二氧化碳組分的吸附影響，將瓦斯外界空氣看做飽和氣體。

2.2 煤層變形與瓦斯流動方程

在考慮煤層裂隙與基質部分情況下建立理想模型，對于煤層天然裂隙，應分為水平割理與垂直割理兩部分，其中煤層主要包含裂隙與基質孔隙的雙重孔隙介質，瓦斯主要附著于微孔表面。瓦斯自由運移的主要空間為煤層割理，其流動主要遵循氣體對流--擴散方程。根據瓦斯流動速度，設定在割理與節理中傳輸的瓦斯對流方程與基質內瓦斯擴散方程。除此之外，煤層屬于多孔介質體，構成較為復雜，煤層滲透率處于不斷變化的過程中，因此在分析瓦斯運移規律的影響時，技術人員還應結合混合氣體的實際影響。

3 采動影響下瓦斯運移特性及煤層響應

3.1 鉆孔周圍塑性區、滲透率變化規律

煤礦的采掘工作會打破原有的煤體平衡性，促進煤層滲透性的進一步改變，并導致應力重新分布。分析計算可知，鉆孔塑性區、應力分布情況等均與煤層滲透率保持一定關系。由此看出，在瓦斯開采期間，裂隙與基質內的瓦斯運移存在壓差，在瓦斯抽采后期，瓦斯壓差逐漸減小，直至為零。

3.2 現場應用與對比

在煤礦開采現場收集1號與3號煤層的瓦斯壓力數據，分析可知，瓦斯壓力保持下降的趨勢，并受到鉆孔負壓以及地質條件等因素的影響，之間的壓力處于一直的變動過程中。技術人員分析發現，此模型可以用于研究瓦斯長期的抽采效果，并預測評價瓦斯的抽采效率。

4 注氣強化抽采瓦斯的預測

4.1 強化瓦斯抽采措施

為了進一步降低瓦斯的抽采壓力，減少瓦斯突出的危險性，技術人員應將空氣注入煤礦開采工作面中，以加快煤層中瓦斯的運移效率，提高煤層瓦斯的抽采效率。

4.2 工作面煤層瓦斯壓力分布

分析實際數據可知，隨著注入空氣，瓦斯裂隙壓力逐漸出現變化，當無空氣模式時，瓦斯在12天左右下降至安全壓力，當空氣壓力為1MPa時，8天左右瓦斯便會下降至安全壓力。由此看出，通過為煤層瓦斯注入空氣，可以降低瓦斯壓力，加快其運移。

4.3 煤層滲透率與濃度變化

瓦斯抽采過程中，瓦斯滲透率會呈現出不斷上升的趨勢，且裂隙中的空氣的壓力也不斷增大，煤層應力出現降低的趨勢，隨著空氣的不斷注入，抽采初期與后期瓦斯的滲透率均得到了提高。同時，沒有注入空氣時，瓦斯濃度下降速度較慢，而注入空氣后，濃度下降速度增加。

4.4 煤層裂隙瓦斯流量變化

在空氣壓力的影響下，瓦斯流量也發生了較大的變化。隨著空氣壓力的升高，煤層裂隙瓦斯運移會存在額外的動力源，且在煤層體積變形與基質吸附的影響下，裂隙滲透率出現變化。解吸瓦斯會促使基質收縮，提高其滲透率，加快了煤層裂隙中瓦斯的運移速度。

5 結束語

為了更好的分析瓦斯抽采過程中，支撐壓力與空氣流動的具體影響，本文利用相關數學模型，分析了氣體運移與鉆孔破壞的耦合現象。在支撐壓力的作用下，提高煤層的滲透率會促使瓦斯向抽采鉆孔內快速流動，在降低瓦斯壓力的基礎上，抑制了瓦斯的運移。在順層瓦斯抽采期間，負壓區域瓦斯壓力不斷減小，注入空氣后，煤層混合氣體的壓力不斷升高，促進了煤層中瓦斯的有效運移。本次的模型更好的分析了采動影響模式下，瓦斯的實際運移規律，可以為此后的瓦斯治理工作提供更多依據。

參考文獻：

[1]趙新.北莊煤礦瓦斯抽采效果影響因素數值模擬研究[J].礦業安全與環保，2018（01）.