Fluent模拟结合SF6示踪法测定钻孔有效抽采半径

张 慧 李传恒安徽理工大学能源与安全工程学院



Fluent模拟结合SF6示踪法测定钻孔有效抽采半径

张 慧 李传恒
安徽理工大学能源与安全工程学院

【摘 要】根据煤层瓦斯流动理论，通过Fluent软件建立钻孔抽采瓦斯流动模型，模拟出SF6气体在瓦斯流场内的运动情况以及钻孔周围瓦斯压力下降的情况。使用SF6气体示踪法进行现场测定，根据相似理论，把软件模拟结果与现场实测结果结合确定钻孔的抽采有效半径。并以屯兰矿做实证研究，为今后抽采钻孔及钻场的设计提供了理论和参考依据。

【关键词】煤层瓦斯；钻孔抽采；数值模拟；SF6气体示踪法；有效抽采半径

钻孔抽采瓦斯是治理瓦斯防止煤与瓦斯突出的最主要技术手段[1]。钻孔有效抽采半径是确定钻孔布置及钻场参数的重要依据，直接关系到防突效果与抽采成本。若钻孔间距过大，会产生抽采盲区，瓦斯压力难以下降到安全范围，对工作面造成安全隐患；间距过小，则会发生串孔，造成人力、物力的浪费。因此，合理的抽采半径及钻场参数对提高煤矿瓦斯抽采效果、消除工作面突出危险性具有重要的实际意义[2-5]。

目前使用的测定钻孔抽采有效半径的主要方法有瓦斯压力降低法[6]、钻孔瓦斯流量法[7]、示踪气体法以及计算机模拟法[8-9]。计算机模拟方法虽然简单易行，但是由于煤层条件的复杂多样性导致实验结果准确性较差。压降法与流量法对于透气性较差的煤层的应用效果较差[10-11]。SF6示踪气体法具有施工量小、便于检测等优点，但是此方法目前面临着只能测出钻孔的影响范围而无法得出钻孔抽采有效半径。因此，采用SF6示踪气体法与Fluent数值模拟相结合的方法确定钻孔抽采的有效半径。

1 钻孔抽采半径的界定及指标

传统的SF6示踪气体测定抽采半径的方法检测到抽采钻孔中出现示踪气体时的时间仅仅只代表气体在抽采负压的作用运动到此钻孔的时间，并不能检验出此时瓦斯瓦力是否降低到有效范围内。因此提出抽采影响半径和抽采有效半径[12]。

（1）抽采影响半径：在一定时间内煤层原始瓦斯压力受到影响并开始降低的测试点与抽采钻孔中心的距离。

（2）有效抽采半径：在一定时间内，当抽采钻孔中心周围的瓦斯压力下降到安全范围内，瓦斯安全压力的临界点与钻孔中心的距离为抽采有效半径。

根据《煤矿安全规程》[13]第一百九十条规定：煤层瓦斯预抽率大于30%。根据瓦斯压力与瓦斯含量之间的关系，可知煤层瓦斯含量下降30%，瓦斯压力下降51%。因此，可以将煤层瓦斯压降值作为有效性指标。

2 测试原理分析

2.1 瓦斯流动模型的建立

研究屯兰矿8#煤在不同时间下，顺层钻孔周围煤层瓦斯的运移规律。由于瓦斯在煤体中的运动是扩散渗透过程，其运动符合扩散渗透定律。提出以下假设[14]：瓦斯假设为理想气体，流动过程按照等温过程处理；煤层各向同性，透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响，但在钻孔周围的卸压范围内增大；煤层顶板视为不透气岩层；煤层中原始瓦斯含量和瓦斯压力处处相等；瓦斯在煤层孔隙及裂隙中的流动分别符合Fick扩散定律和Darcy渗流定律。

数学模型：瓦斯在煤体中的运动是渗流与扩散运动的叠加，符合Fick扩散定律及Darcy渗流定律[15]。

（1） Darcy层流。

式中：

υ—瓦斯的流速，m/s；

k—煤层渗透率，m2；

μ—动力粘度，Pa·s；

əp

əl—瓦斯的压力梯度，Pa/m。（2） Fick扩散。

瓦斯气体在孔隙中的运动符合Fick扩散时，其微分方程为

式中：

D—瓦斯在介质中的扩散系数，m2/s；—哈密顿算子；l—瓦斯压力梯度；əp ət—瓦斯体积分数对时间的变化率；əp

ər—瓦斯体积分数梯度。

2.2 指标的选取及有效半径的测定

现场进行SF6示踪气体法进行抽采半径的测试，测定在不同的钻孔间距下各检测孔检测到SF6气体的时间。以测试地点的煤层地质情况为基准，模拟SF6气体在煤层瓦斯流场内的运动情况，用计算机软件模拟得出SF6气体运移到各检测孔所需的时间，同时模拟得出抽采钻孔的瓦斯压力下降到有效数值所需要的时间。

根据相似第三定律[7-8]，原型和模型相对应一切物理量之比为常数，该常数称为相似常数。

由于模型的建立在煤层各向同性，透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响的基础上，因此模型与原型具有相似性，根据以上所得到的数据，可以得出对应孔距钻孔瓦斯压力下降到安全范围内的实际时间。

3 测定分析

3.1 钻孔布置

本文以西山煤电屯兰矿北一盘区28116工作面为试验地点，由于要求试验区域20m范围内没有特殊地质构造及采动的影响，所以选择在28116胶带巷250m右帮进行试验。钻孔示意图，如图1。钻孔设计参数，见表1。斯压力变化影响的基础上，煤层的各向异性导致了实测结果与模拟结果略有差异，这也符合实际现场情况，因此认为实测结果与模拟结果基本吻合，所建模型能够反映出SF6气体在煤层瓦斯中的流动情况。

图1 钻孔示意图

表1 钻孔设计参数表

3.5 有效抽采半径的确定

图2通过模拟得到不同抽采天数下钻孔周围瓦斯压力分布曲线，根据曲线可以得到对应孔距的钻孔瓦斯压力下降至有效范围所需要的时间。根据曲线可以看出在对应孔距的钻孔在检测到SF6气体时其瓦斯压力还未下降到51%以下。在已知钻孔检测到SF6气体的时间，模拟检测到SF6气体的时间以及瓦斯压力下降至有效范围内所需的时间，通过相似定律中，原型与模型对应比为常数，可以得到实际抽采达标所需的时间结果，见表3。

3.2 测定过程

首先按照设计要求打好SF6气体释放孔以及各检测孔，然后立即封孔。由于气体释放孔需要内接一根3m的软管用来导入SF6气体，所以使用水泥与药卷进行混合封孔，封孔长度不得超过软管的长度。其余检测孔均按照矿正常封孔方式即聚氨酯材料进行封孔，封孔长度为8m。然后将所有检测孔与抽放系统连接，在13kPa的负压下进行瓦斯抽放。将SF6气体通过减压阀与软管连接之后注气20min。之后每天使用气相色谱仪对检测孔采集的气样进行分析，并记录下所有检测孔开始检测到SF6气体的时间。

3.3 Fluent模型的建立

以西山煤电屯兰矿北一盘区煤层实际情况为基础建立模型，以取垂直于钻孔的单位厚度的截面作为计算的平面模型，钻孔位于模型中心，模型边界为50m×3.2m，模型划分采用三角形单元。根据实验和实测数据知，多孔介质的孔隙率为0.1，多孔介质的粘性阻力系数为1e+10，惯性阻力系数和粘性阻力系数相比很小，可以近似为0。边界条件设置，设置模型边界为压力进口（pressure-inlet），抽采管为压力出口（pressure-outlet）初始值采负压为13kPa。解算器选用非稳态，二阶迎风格式。钻孔直径均为113mm，煤层初始瓦斯压力为1.5MPa。

3.4 结果分析

根据现场的钻孔布置模拟出SF6气体注入煤体之后在瓦斯流场中的运移情况，分析得到了每个抽采钻孔检测出SF6气体的时间与各个钻孔的瓦斯压力下降到安全范围内的模拟时间。

通过fluent软件对SF6气体在其瓦斯流场中运移情况进行模拟获得模拟结果。将现场实测的钻孔检测到SF6气体的时间与模拟结果对比，见表2。

表2 实测结果与模拟结果分析表

据表2的结果可得：2号和5号抽采钻孔模拟时间与现场实测的时间完全吻合，3号与4号钻孔的现场测定时间要比理论时间延迟1天。考虑到模型是建立在煤层各向同性，透气系数及孔隙率均不受煤层瓦

孔号　2号　3号　4号　5号孔距（m）　2　 3.5　 5　 6.5检测到SF6的实际时间时间（d）　2　 5　 7　 9检测到SF6的模拟时间（d）　2　 4　 6　 9抽采达标的模拟时间（d）　12　 16　 24　 36抽采达标的实际时间（d）　12　 20　 28　 36

在煤层赋存条件一定情况下，钻孔周围煤层透气性的变化与预抽量之间成正比关系。据对瓦斯流动规律的相关性分析认为：钻孔抽采瓦斯有效半径r （m）与抽采时间t（d）之间符合幂函数关系。即：

式中：

A，B—系数。

根据表3中孔距2m、3.5m、5m、6.5m分别对应的抽采达标时间12d、20d、28d、36d，将上述参数代入r=AtB，经回归分析得到系数A、B分别为0.1394，1.0736即：根据上式可以得屯兰矿8#煤在113mm抽采钻孔抽采一个月时，抽采半径为5.3m。

图2 不同时间下钻孔水平方向瓦斯压力分布曲线表3 钻孔抽采达标时间表

4 结论

（1）以达西定律为基础，建立SF6气体在煤层瓦斯渗流场内流动模型以及钻孔周围瓦斯压力下降模型，通过SF6气体示踪法测定钻孔检测到SF6气体所需时间，根据原型与模型的相似性，可以得到钻孔抽采达标的实际时间。

（2）以屯兰矿现场的实际参数为基础，计算出不同孔距抽采钻孔实现有效卸压的时间以及钻孔在不同时间下的抽采半径，得到了在孔径113mm，抽采负压为13kPa的情况下，抽采30天的有效抽采半径为5.3m。为煤矿抽采钻孔及抽采钻场的合理布置和参数优化提供了理论依据。

（3）fl uent软件与SF6气体示踪法相结合的方法，利用SF6气体性质稳定扩散性好的优点以及计算机软件的解算能力，解决了传统SF6气体示踪法只能得出钻孔影响半径以及计算机模拟方法准确性较差的缺点。

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