潘三矿立井揭煤瓦斯抽采模拟研究

马忠　石必明　穆朝民

摘要：瓦斯抽采对于立井揭突出煤层起到重要的作用，准确的确定钻孔瓦斯有效抽采半径和合理的在待抽煤层中布置抽采钻场对煤层消突具有关键性作用。基于多孔介质中流体流动达西定律理论，采用COMSOL Multiphysics软件对该煤层瓦斯抽采进行了模拟。模拟结果表明，此煤层的瓦斯有效抽采半径为3 m，随着抽采时间的增加，煤层瓦斯压力逐渐的降低，但降低的速率会逐渐的减小。瓦斯抽采30天后，其残余的瓦斯压力为0.18 MPa，这与现场实测的最大残余瓦斯压力0.2 MPa相接近，这说明了模型的可信性，其模拟结果可为瓦斯抽采设计提供参考。

关键词：立井揭煤；抽采半径；瓦斯压力；COMSOL Multiphysics

中图分类号：TD713.37 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2014）01-0083-04

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005 m，各钻孔间距离为6 m。

2瓦斯流动模型

21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。

22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：

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。

31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）。

32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074 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074 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。

33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（259×106 s），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。

L/m

1-0 s；2-2.5×104 s；3-864×105 s；4-1728×106 s；5-2592×106 s

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28 MPa下降到02 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。

T/Ms

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05 m，其中2-4#孔控制到井筒轮廓线15 m外。

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3 m，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。

参考文献：

[1]雷文杰.千米埋深特厚煤层井筒揭煤综合防突技术[J].煤炭科学技术，2011，39（8）：50-53.

[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992：66.

[3]唐兵.钻孔瓦斯抽采半径的确定方法及实践[J].矿业安全与环保，2012，39（4）：44-48.

[4]国家安全生产监督管理总局.AQ1026-2006煤矿瓦斯抽采基本指标[S].北京：煤炭工业出版社，2007.

[5]陆占金.潘三矿下保护层开采条件下地面钻孔瓦斯抽采技术及效果[J].煤矿开采，2012，17（6）：89-91.

[6]吴厚华.“渐进式”揭煤法在立井近水平突出煤层的实践[J].煤炭工程，2012，12（3）：45-47.

[7]韩颖.缓倾斜突出煤层石门揭煤瓦斯灾害治理模式[J].煤矿安全，2012，43（10）：128-130.

[8]周国平.考虑基质收缩效应的煤层气应力场-渗流场耦合作用分析[J].岩土力学，2010，31（7）：2 317-2 323.

[9]王兆丰.基于COMSOL的顺层钻孔有效抽采半径的数值模拟[J].煤矿安全，2012，43（10）：4-6.

[10]韩云龙.顺层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用研究[D].淮南：安徽理工大学，2003.

[11]杨胜来， 崔飞飞， 杨思松.煤层气渗流特征实验研究[J].中国煤层气， 2005，2（1）：36-39.

（责任编辑：何学华，吴晓红）