潘三矿立井揭煤瓦斯抽采模拟研究

马 忠，石必明，穆朝民

(安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害比较严重，特别是在石门或井筒揭煤的过程中［1］。对于立井揭突出煤层，需要在揭穿煤层前采取相应的防治煤与瓦斯突出措施［2］，而瓦斯抽采便是其中一项重要工作。瓦斯抽采设计需考虑待抽煤层有效抽采半径和抽采钻场中瓦斯压力的动态演化规律［3］。本文借助COMSOL Multiphysics 软件，结合现场实测的数据，通过计算数学模型，模拟了瓦斯在单个抽采钻孔和抽采钻场条件下的流动情况，得出了该煤层的有效抽采半径，并且对多钻孔抽采条件下瓦斯的赋存和运移进行了分析，这对立井揭煤过程中瓦斯抽采设计具有一定指导意义。

1 几何模型

以潘三矿立井揭13－1 煤为研究对象，根据煤层特性参数计算此煤层的有效抽采半径，结合现场施工情况，设定计算区域如图1所示。煤层长宽各为50 m，钻孔半径为0.05 m，各钻孔间距离为6 m。

图1 几何模型

2 瓦斯流动模型

2.1 基本假设

为了模拟出钻孔抽采煤层瓦斯，需建立描述瓦斯运移的方程，瓦斯流动方程是煤层瓦斯流动模型的核心，假设如下:

1)认为钻孔穿透煤层，钻孔抽采形成的流场为径向流场。

2)认为吸附瓦斯含量符合朗格缪尔方程。

3)认为瓦斯在煤层中的流动符合达西定律。

4)认为瓦斯为理想气体，渗流过程按等温过程处理。

5)认为煤层各向同性，煤层渗透率为定值。

6)认为煤层透气性系数和孔隙率不受煤层压力的变化。

7)认为煤层瓦斯流动不受水的影响。

2.2 建立方程

在煤层中，渗流的为游离瓦斯。吸附瓦斯对渗流场来说是质量源，吸附瓦斯含量由朗格缪尔方程计算得到。达西定律:

朗格缪尔方程:

连续性方程:瓦斯密度方程:

式(1)～式(4)中:v为瓦斯渗流速度，m/s;k为煤层渗透率，m2;μ 为瓦斯动力粘度，Pa·s;p为煤层瓦斯压力，Pa;Q为煤层吸附瓦斯含量，m3/m3;A为煤的灰分，%;M为煤的水分，%;a为吸附常数，m3/t;b为吸附常数，MPa－1;γ 为煤的密度，t/m3;ρ为瓦斯压力p时瓦斯密度，kg/m3;p0为原始瓦斯压力，Pa;ρ0为原始瓦斯密度，kg/m3。

3 数值模拟及结果分析

本次模拟使用COMSOL 中的多孔介质渗流模块，结合潘三矿立井揭煤实测的煤层及瓦斯参数完成钻孔抽采瓦斯模拟。

3.1 模拟参数

模拟应用潘三矿揭煤中所取煤样测得的煤层特性参数(见表1)。

表1 煤层参数

3.2 单钻孔抽采瓦斯流场

煤体距离钻孔越远，所含的瓦斯压力越大，直至接近原始瓦斯压力(见图2)。从钻孔中心到模型边缘这条直线上，瓦斯压力随着时间的变化，随着抽采时间的增加，煤层瓦斯压力逐渐的降低，钻孔抽采瓦斯所影响的范围逐渐增大。距离钻孔1 m 处瓦斯压力随时间的变化如图3所示，瓦斯抽采的最初阶段瓦斯压力下降明显，随着时间的推移，瓦斯压力变化逐渐放缓，直到保持稳定。根据文献［4］的规定，在钻孔有效抽采半径内，需将煤层瓦斯压力降至0.74 MPa 以下。此煤层在抽采30 d 后可知，距钻孔3 m 处的煤体的瓦斯压力约为0.74 MPa，如仅依据抽采钻孔周围残余瓦斯压力值判定有效抽采半径，那么可认为此煤层的有效抽采半径为3 m。

图2 不同抽采时间瓦斯压力分布

图3 瓦斯压力随时间变化

3.3 多钻孔抽采瓦斯流场

通过对单个钻孔的模拟，得出了瓦斯有效抽采半径，但是揭煤过程中，是通过多钻孔来抽取瓦斯的，那么各钻孔之间必然会相互影响，可以推测抽采一段时间后，钻场中某钻孔周围瓦斯压力分布必与单个钻孔周围瓦斯压力分布不同。

在9 个钻孔所形成的正方形区域内瓦斯压力明显低于此区域外的瓦斯压力，说明在由钻孔所构成的钻场内，瓦斯压力下降明显，其抽采效果好。钻场中瓦斯压力随着抽采时间的增加而逐渐减小(见图4)。当煤层瓦斯抽采到25 000 s 这个时刻时，从图4 中可以看出钻场周围瓦斯压力梯度大，说明此时瓦斯流动迅速，大量的瓦斯流向钻孔，而在抽采末期(2.59 ×106s)，瓦斯压力梯度小，此时瓦斯缓慢的流向钻孔，如此时继续增加抽采时间则无任何意义。

图4 不同抽采时间瓦斯压力分布

距钻孔3 m 处煤体瓦斯压力随时间变化从2.8 MPa 下降到0.2 MPa 以下(见图5)，比单一钻孔抽采条件下的瓦斯压力下降的幅度明显增大，这说明各钻孔在抽采过程中产生了相互产生了影响，对瓦斯抽采起到了强化作用。

图5 瓦斯压力随时间变化

4 模拟结果与现场实测对比分析

根据测压钻孔设计参数(见表2)，在距13－1煤顶板最小法距10 m 前施工6 个测压孔(2－1#、2－2#、2－3#、2－4#、2－5#、2－6#)，测定13－1 煤原始瓦斯压力，钻孔穿透13－1 煤进入13－1 煤底板0.5 m，其中2－4#孔控制到井筒轮廓线15 m 外。

表2 深部进风井揭13 －1煤前探、测压钻孔设计参数表

测压孔4 瓦斯压力最高，其最大的残余瓦斯压力为0.2 MPa(见表3)，而根据数值模拟结果图4所示，在9 个钻孔所形成的正方形抽采区域内，煤层瓦斯压力最大值为0.18MPa，与实际相比误差仅为1%，比较符合实际，说明了所建立的模型的正确性，适用于现场实际。

表3 13－1 煤组残余瓦斯压力

5 结论

1)煤层内的瓦斯分为吸附瓦斯和游离瓦斯两种状态，吸附瓦斯随游离瓦斯压力的下降而解吸出来，进入裂隙系统，参与瓦斯的流动。模拟结果与现场实测相近，验证了吸附瓦斯量可通过朗格缪尔方程求得。

2)通过建立钻孔瓦斯流动模型，结合现场实测煤层相关参数，模拟得出了瓦斯抽采半径为3m，为煤层抽采瓦斯钻场提供参考。

3)模拟了多钻孔抽采煤层瓦斯过程中，瓦斯压力在空间和时间上的变化规律，并且这一变化规律可量化研究，对预测抽采瓦斯量具有重要意义。

4)瓦斯抽采过程中，各钻孔之间会产生相互影响，可起到强化瓦斯抽采的作用。

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