煤層溫度變化對瓦斯抽采影響的數值模擬研究

孫景閣　張俊樹

摘 要：合理的瓦斯抽采可以降低工作面待開采煤層瓦斯濃度，有利于煤礦高效開采。但是煤田地質構造復雜，提高煤層瓦斯的滲透率對抽采效率有十分重要的意義。本文結合現有的理論分析成果，通過COMSOLMultiphysics數值模擬的方法研究了順層鉆孔抽采瓦斯條件下，煤層溫度對瓦斯滲透率的影響效果，研究結果表明：煤層初始孔隙壓力、抽采時間一定條件下，當溫度從300K上升至350K時，瓦斯影響范圍由2.44m增大為6.76m。即在一定溫度范圍和抽采時間內，煤層溫度越高，煤體中的瓦斯越容易解吸，煤層的孔隙裂隙變大，滲透率提升。

關鍵詞：煤層注熱；滲透率；數值模擬；順層鉆孔抽采

一、引言

煤礦瓦斯成分以甲烷為主，是優質的清潔能源，它主要以物理吸附態和以游離態少數儲存于煤層中，煤層氣的開采對于能源的高效利用具有重要意義[1-2]。但是由于我國煤田地質類型多樣且構造復雜，煤層透氣性普遍較差，特別是豫、皖、云、貴、川、黑、吉、遼等地區分布有較多的松軟低透氣性煤層，瓦斯抽采難度大[3-4]。因此，低滲透煤層瓦斯的高效開采，仍面臨著基礎理論和技術創新等諸多方面難題。

現有研究表明，低滲透煤層開采困難主要是瓦斯解吸以及擴散滲流困難[5]。目前常用的通過人為增加煤層透氣性是當前提高瓦斯抽采效率的主要方法[6]。另一方面，環境溫度對瓦斯的解吸和擴散流動具有重要影響，溫度升高，氣體分子活躍，吸附氣體的解吸量增加，這在其他吸附現象中也普遍存在，一定條件下溫度對吸附-解吸起著決定性作用[7]。

本文針對煤體注熱抽采瓦斯這一可能成為未來煤層氣資源的實際開采方法，在眾多學者對瓦斯抽采的研究基礎上，研究溫度對煤層瓦斯滲透率的影響規律，為指導現場瓦斯抽采率的提高提供借鑒。

二、瓦斯抽采數值模型研究

（一）模型建立

本小節利用COMSOLMultiphysics數值模擬軟件，以順層單鉆孔抽采瓦斯為例，研究煤層在不同初始溫度下對瓦斯抽采的影響，如圖1所示。模型的尺寸為60m×60m×10m，抽采鉆孔位于模型中心位置順層鉆孔半徑0.1m，長度30m，抽采鉆孔與大氣連接，邊界壓力是0.1MPa，且模型四周為應力邊界，模型的左右邊界是互相對稱的位移邊界，上邊界與下邊界是應力邊界。

在順層抽采模型設置一條CD線位于XZ面Y=10m處，模型邊界設置為對瓦斯滲流的不流出邊界和對溫度的不傳導邊界。煤層瓦斯含量一定，初始溫度是300K，煤層的初始孔隙壓力為2MPa，根據溫度變化設置不同的模擬條件。

（二）模擬方案及參數

數值模擬方案如表1，模型參數如表2。

（三）定解條件

（1）滲流定解條件

t=0時，煤層內部瓦斯壓力為p=p0；煤層邊界瓦斯流量qs=0；抽采鉆孔邊界壓力p=pa。

（2）溫度定解條件

t=0時刻，煤層內部溫度T=T0；溫度場邊界條件：注熱點邊界溫度T=T1。

（3）應力定解條件

t=0時刻，煤層位移場及速度場為零，即：

上邊界受邊界載荷；兩側邊界受輥支撐F=Fa；下邊界受固定約束。

三、煤層溫度對瓦斯抽采的影響

溫度對于瓦斯的初始狀態有著重要的影響，溫度會打破瓦斯吸附態與游離態的平衡，本小節將通過數值模擬結果分析不同煤層溫度對瓦斯抽采中的瓦斯壓力以及滲透率的影響。

（一）瓦斯抽采范圍分布

設置抽采時間為1000天，分別改變煤層溫度T從300K～350K，得到不同溫度下，煤層瓦斯連續抽采1000d后，瓦斯抽采范圍分布規律。

由圖2不同溫度下瓦斯壓力分布云圖可得：當溫度為300K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔2.44m處；當溫度為310K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔2.82m處；當溫度為320K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔3.26m處；當溫度為330K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔4.16m處；當溫度為340K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔5.46m處；當溫度為350K、抽采1000天時，瓦斯抽采影響到的范圍為距鉆孔6.76m處。所以煤層初始溫度越高，抽采相同時間內，抽采影響到的范圍在不斷增加。

（二）瓦斯抽采壓力分布

如圖3所示，瓦斯含量與煤層溫度呈正相關，由于溫度的升高，煤層吸附的瓦斯含量降低，瓦斯壓力梯度增大。抽采1000天、距鉆孔5m處煤層初始溫度為300K時的瓦斯壓力為1.8MPa；煤層初始溫度為310K時的瓦斯壓力為1.95MPa；煤層初始溫度為320K時的瓦斯壓力為2.27MPa；煤層初始溫度為330K時的瓦斯壓力為2.87MPa；煤層初始溫度為340K時的瓦斯壓力為4.13MPa；煤層初始溫度為350K時的瓦斯壓力為7.85MPa。

四、結論

（1）在一定溫度范圍和抽采時間內，煤層溫度越高，煤體中的瓦斯越容易解吸，煤層的孔隙裂隙變大，瓦斯抽采影響范圍增加，滲透率提升。

（2）瓦斯抽采過程中，隨著溫度的提升，煤層中瓦斯的吸附態與解吸態的動態平衡會打破，吸附態轉變為游離態，裂隙中的瓦斯含量升高，瓦斯壓力也隨之增大。

（3）經過數值模擬來看，順層鉆孔抽采在注熱時溫度的擴散、注熱的效果以及抽采效率等方面都有較好的表現，可以用做現場工程應用。

參考文獻：

[1]李五忠，孫斌，孫欽平，等.以煤系天然氣開發促進中國煤層氣發展的對策分析[J].煤炭學報，2019，36（01）：112-121.

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[3]袁亮.我國深部煤與瓦斯共采戰略思考[J].煤炭學報.2016，41（1）：1-6.

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[6]徐慧剛，劉文杰.基于紅外測溫的煤體瓦斯吸附-解吸過程溫度變化特征研究[J].煤礦現代化，2021（01）：124-128.

[7]馬月彬，董利輝，趙越超，李光耀.煤體吸附瓦斯過程溫度場變化實驗研究[J].煤礦安全，2018，49（09）：14-17+21.