顺层钻孔抽采煤层瓦斯有效影响半径数值模拟及应用

韦善阳，陈学习，董利辉

(1.矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院安全工程学院，河北 三河 065201；3．中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京100083)

顺层钻孔抽采煤层瓦斯有效影响半径数值模拟及应用

韦善阳1，2，陈学习1，2，董利辉3

(1.矿井灾害防治重点实验室，河北 三河 065201；2.华北科技学院安全工程学院，河北 三河 065201；3．中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京100083)

确定钻孔有效抽采半径是煤矿瓦斯安全高效抽采的关键，本文结合实际矿井的基础参数资料，利用流体力学软件Fluent，通过软件内置的多孔介质模型，对流场区域添加用于表征多孔介质性质的阻力参数来实现对流体在多孔介质中的流动过程的模拟。结果表明：①该工作面的理论有效瓦斯抽采半径约为1.9m，该工作面的抽采间距可设计为4m；②煤层渗透率改变影响瓦斯运移的阻力的变化，从而能大幅影响煤层内瓦斯的运移速度，而抽放负压通过影响瓦斯运移的动力，在一定程度上也会影响钻孔瓦斯流量；③模拟结果与试验结果具有很好的统一。

钻孔瓦斯抽采；有效影响半径； 数值模拟

矿井瓦斯是威胁我国煤矿安全生产的主要危险源之一，而瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量、瓦斯压力，保证高瓦斯矿井在低瓦斯状态下开采的主要途径之一，是消除危险源的积极有效措施。然而不同的矿井由于埋深、煤质，瓦斯含量、瓦斯压力、煤层透气性等的不同，钻孔瓦斯抽采有效影响半径也存在很大的差异，这也直接影响着矿井的瓦斯抽采率和抽采量，急需下大气力进行专门的研究。随着计算机的快速发展，数值仿真技术的优越性逐渐体现，运用数值技术进行煤层钻孔瓦斯抽放的研究具有了一定的可行性。并且对实际的生产你具有良好的指导作用。本文基于FLUENT软件和实际矿井条件，研究顺层钻孔抽采本煤层瓦斯的有效影响半径，为生产实践提供理论支持。

1 钻孔瓦斯流动模型

为了简化和计算的实现，在此忽略了煤中瓦斯解析的具体过程，视瓦斯在煤体中的运移过程主要与煤中的孔隙情况有关，其模型简化为了单纯的达西渗流模型。

根据达西定律的线性瓦斯渗流理论，煤体中瓦斯渗流呈现一定的线性规律(式(1))。

(1)

式中：μ为瓦斯动力粘度系数，Pa·s；dx为和流动方向一致的极小长度，m；v为流速，m/s；dp为在dx长度内的压差，Pa；K为煤层渗透率，m2；λ为煤层透气性系数，m2/MPa2·d)。

钻孔瓦斯流向设定基于于钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯沿钻孔径向的流动要远大于其他流动，因此煤层内瓦斯流动状态取径向流动。

通常径向流场的流线垂直于钻孔或巷道，其等压线近似为同心圆[1]，如图1所示。

图1 瓦斯径向流动示意图

径向流动遵循质量守恒定律，符合连续性方程，由此可得式(2)、式(3)。

(2)

(3)

式中：r为距钻孔的距离，m；m为矿山压力和煤强度的常数值；X为瓦斯含量，m3/m3；Q为瓦斯流量，m3/s；t为时间；λ为煤层渗透性系数；P为瓦斯压力。

而瓦斯含量与煤层瓦斯压力通常满足式(4)。

(4)

式中a为煤层瓦斯含量系数。

煤层渗透性设定考虑到煤层渗透性系数是随时间空间变化的函数，即如式(5)所示[2-3]。

(5)

通过式(2)～(5)可得到模型，见式(6)。

(6)

其初始条件为：t=0，p=p原始。其边界条件见式(7)。

(7)

2 煤层基本参数

某矿丁5-6-21110工作面煤层倾角6～14°，一般8°左右。工作面走向长1628m，南北倾斜宽度210m，煤层平均煤厚4.3m，地面标高210～310m，工作面标高-577～-512m，埋深782～877m。该工作面工作面瓦斯压力0.63MPa，瓦斯含量4.63m3/t。工作面孔隙率0.0687，煤层渗透率为1.0～3.1×10-3μm2。钻孔抽采负压为13kPa。

3 数值模拟

3.1 模型基本假设

1)煤层内瓦斯含量与瓦斯压力均匀分布。

2)忽略煤体渗透率及孔隙率的时空变化。

3)把煤层瓦斯视为不可压缩理想气体。

4)忽略煤中瓦斯的具体你解析过程，认为煤中瓦斯解析是一个稳定的过程。

3.2 几何模型的建立和网格的划分

结合瓦斯抽采实际，一般认为煤层内瓦斯在抽采负压的作用下主要沿钻孔径向流动，因此，选取钻孔深部稳定区段钻孔横截面方向的面为研究对象，区域长×高=20m×4m，钻孔位于模型中心，钻孔直径0.095m，模型采用三角形非结构化网格划分，并在钻孔周围加密，共划分网格数5574，划分好的几何模型见图2。

图2 瓦斯抽采模型划分及测线布置

3.3 边界条件的设置

本模拟采用多孔介质模型，通过添加用以描述多孔介质特性的粘性阻力系数控制瓦斯在煤中的流动，通过稳定的压力壁面条件模拟稳定解析的瓦斯源。具体参数设置如下：煤壁边界均为压力入口，压力为实测瓦斯压力，钻孔边界采用压力出口，压力为抽采负压，煤体设为为多孔介质，阻力系数为实测渗透率的倒数。通常而言，钻孔周围受施工影响，煤体较为破裂，渗透性强，该区域区域一般认为是10倍钻孔直径，在该区域内煤层渗透性系数约为原始煤层渗透性系数的2～10倍，模型主要参数设定见表1。

3.4 模拟结果及分析

3.4.1 钻孔理论抽采半径的确定

由于矿井瓦斯压力为0.63MPa，因此，其抽采半径应根据矿井瓦斯抽采标准确定。有研究指出，确定钻孔瓦斯抽采半径的指标为瓦斯压力下降10%以上，确定抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降50%以上或瓦斯压力变成负[4-6]。

表1 模型的主要参数

当钻孔抽采负压为13kPa时，钻孔抽采达到稳定后，在钻孔间距4m的情况下钻孔周边压力分布见图3。

从图3中知，在一定间距条件下，瓦斯抽采孔之间可以相互影响，瓦斯压力降低区相互交叠，形成一个大的瓦斯压降圈，在交叠区域内瓦斯压降有所增强。受抽采负压的影响，钻孔周边瓦斯压力迅速下降，并逐渐向内部传播，最终趋于稳定。图4可以看出，当P为0.9倍的原始瓦斯压力时，x=2.98m，可见其理论抽采半径在2.98m左右。当P为0.5倍的原始瓦斯压力时，x=1.90m，可见其理论抽采有效影响半径在1.9m左右。

图3 两钻孔周围的瓦斯压力分布云图

图4 抽采稳定后测线上的瓦斯压力分布曲线

3.4.2 两钻孔之间的相互影响作用

通常，影响抽采半径的因素有多种，如煤层渗透率、抽采负压、钻孔直径，抽采时间等，这些都会在一定程度上对瓦斯抽采效果产生影响[7-10]。本文主要考察钻孔间距为1.5m，4m，6m的情况下，两个钻孔间的影响关系见图5。

图5 不同钻孔间距条件下抽放稳定时模型轴线上瓦斯压力分布曲线

由图5我们可以看出，在一定间距条件下，瓦斯抽放孔之间可以相互影响，瓦斯压力降低区相互交叠，形成一个大的瓦斯压降圈，在交叠区域内瓦斯压降有所增强。随着钻孔间距的增大，瓦斯压降圈大小逐渐增大，钻孔之间的相互影响效应逐渐减小，两钻孔交叠区瓦斯压降逐渐减弱，抽放钻孔的独立性逐渐增强。

当钻孔间距1.5m时，两钻孔之间相互影响，交叠区域内瓦斯压降显著，两钻孔轴线中心点处瓦斯压力仅为原始瓦斯压力的9%。且该区域瓦斯压力分布较为均匀，曲线没有明显的双峰。随着钻孔间距的增大，两钻孔之间的影响逐渐减弱，曲线双峰分布逐渐明显，钻孔交叠区域瓦斯压降逐渐减小，当钻孔间距为6m时，交叠区域中心点上瓦斯压力达到原始瓦斯压力的81.7%，但仍小于单个钻孔在该位置上压降的89.5%。

实际中，当实施群孔进行抽采时，由于采动对原始煤层的扰动，钻孔提供了煤层移动与扩展的空间，地应力得到了释放，沟通了瓦斯释放的渠道等原因，煤层透气性透气性得到了一定的提高[11-12]。由此可见，钻孔间距对钻孔间瓦斯压力的降低效果是有很大的影响的，理论上，钻孔间距越小，瓦斯压降圈越小，交叠区内瓦斯压降越明显，但间距越小就意味着钻孔数越多，抽放成本剧增。因此在交叠区内瓦斯压力满足抽放效果时，钻孔间距可以适当调大。

4 实证分析

4.1 钻孔布置

由于数值模拟的结果是基于矿井实际基础参数而得到的结果，对生产实际具有一定的指导作用，根据模拟结果，在矿井相应工作面上实施试验，由于实际条件的特殊性，试验钻孔布置如图6所示。

图6 钻孔布置俯视图

4.2 压力测定

因测压孔所安装压力表均没有上压，决定采用U型压差计测定测压孔相对瓦斯压力。准备从两个角度对数据进行考察：一是测压孔在一定时间后是否出现负压情况；二是测压孔压力数据变化是否与抽采孔瓦斯浓度变化具备相关性。开始进行各钻孔瓦斯压力测定时考虑到瓦斯压力可能比较大，使用水银液面高差记录压力值，经过一周的观察，发现压力读数变化较大而且度数较小，故使用水柱高度差记录压力，真实压力变化值见图7。

图7 实测钻孔压力变化曲线图

试验观测结果总共为21天，从图7可得出以下结论。

1) K2测定钻孔在抽采孔联网抽采的第2天瓦斯压力出现明显下降，下降幅度57%，在抽采的第12天出现负压，说明在13kPa负压抽采压力下12天之后距离抽采孔1m的环形区域内瓦斯已经得到充分抽采，该区域在钻孔抽采的有效影响范围之内。

2) K3测定钻孔在抽采孔联网抽采后瓦斯压力一直下降，在抽采的第20天出现负压，说明在13kPa负压抽采压力下20天之后距离抽采孔1.5m的环形区域内瓦斯已经得到充分抽采，该区域在钻孔抽采的有效影响范围之内。

3) K4测定钻孔在抽采孔联网抽采前8天瓦斯压力出现明显下降，下降幅度69%，之后瓦斯压力缓慢下降，到第21天时还有450Pa的瓦斯压力，通过线性分析计算在第31天后出现负压值。说明该区域在瓦斯抽采的有效影响半径范围之内，但已经靠近最大有效影响值。

4) K5测定钻孔瓦斯压力呈现缓慢下降趋势，其在抽采的21天之后其瓦斯压力仍然十分接近其他钻孔的初始瓦斯压力，在排除瓦斯自然衰减因素外，可以认为在距离抽采钻孔2.5m的区域瓦斯抽采效果已经很不理想，超出了抽采的有效影响半径。

由以上分析可得，K2、K3和K4钻孔均处在抽采钻孔抽采有效影响半径范围内，K5钻孔处在有效影响半径之外；K4钻孔虽然处在影响半径以内，但抽采后其瓦斯压力的降幅较小，且通过线性分析计算在第31天后出现负压值，由此可见K4测定钻孔处在抽采影响半径的边缘处；抽采有效影响半径确定为略微大于2.0m。

5 结 论

本文根据某矿丁5-6-21110工作面的基本情况对该煤层的瓦斯抽采过程进行了数值模拟和实证分析。得出以下结论。

1)数值模拟结果和实际测定结果具有很好的统一性，该工作面煤层瓦斯抽采有效影响半径略微大于2m。实际中考虑到煤层渗透性等的分布不均，抽采时间有限，其抽采半径应略微小于该值。

2)在一定间距条件下，瓦斯抽采钻孔之间相互影响，瓦斯压力降低区相互交叠，随着钻孔间距的增大，钻孔之间的相互影响效应逐渐减小，抽放钻孔的独立性逐渐增强。结合该矿井的实际，该工作面的抽采钻孔间距可设计为4m。

3)在知道煤层基础数据条件下，数值模拟结果与实际测定基本一致，进一步证实模拟的正确性。

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Numerical simulation and test of effective influence radius of gas drainage boreholes

WEI Shan-yang1，2，CHEN Xue-xi1，2，DONG Li-hui3

(1.Key Lab.of Mine Disaster Prevention and Control，Sanhe 065201，China；2.School of Safety & Engineering，North China Institute of Science & Technology，Sanhe 065201，China;3.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

To determine the effective drainage radius of drilling is the key of coal mine gas extraction.This paper simulates the process of fluid flow in porous media by using the FLUENT software，in which the porous model is used to add some resistance properties which can characterize the properties of the porous media.The result shows that:①the theoretical drainage radius of this working face is1.9 m，and the gas drainage spacing should be designed at 4 m;②the change of coal seam permeability can influence gas migration resistance，which can affect the gas migration velocity greatly；and the suction pressure can influence the gas migration motivation，which can affect the borehole gas flux to a certain extent；③The simulation results and test results were unified well.

borehole gas drainage；effective influence radius；numerical simulation

2014-12-10

河北省矿井灾害防治重点实验室开放基金项目资助(编号：KJZH2013K08)；中央高校基本科研业务基金项目资助 (编号：3142014012)

韦善阳(1983-)，男，广西河池人，博士，任职华北科技学院，主要从煤矿事灾害监测预警技术及煤岩动力灾害研究。E-mail：weishanyang@126.com。

TE88

A

1004-4051(2015)08-0101-04