基于COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟

乔飞云

(山西离柳焦煤集团有限公司, 山西 吕梁市 033000)

0 引 言

在我国一次性能源结构中,煤炭占有很大比例,虽然煤炭消费持续降低,但是“十三五”末,煤炭还是主要能源,约占62%,随着煤炭的大量回采,浅埋深煤层已趋于殆尽,煤矿企业不得不向深部延伸。深部开采煤层瓦斯高[1-4],压力大,易发生瓦斯事故,目前采取的方法主要是对煤层进行瓦斯抽采。瓦斯抽采最重要的一项是确定瓦斯抽采半径,而确定抽采半径最好的方法是数值模拟[5],本文以山西某矿为实验矿井,采用COMSOL数值模拟软件模拟不同抽采条件各参数对抽采半径的影响。

1 模型建立及参数

根据山西某矿S1206工作面的特征,建立模型,模型大小60 m×8 m,模型顶部有自身重力,大小9.85 MPa,底部固定,两侧和顶部自由,模型如图1所示。主要参数包括：水分7.99%,灰分3.01%,泊松比0.28,弹性模量 2980 MPa,吸附常数 0.598 MPa－1,甲烷粘性系数1.12×10－5Pa·s,渗透率4.9×10－16m2,固结系数 0.796,密度 1.45 g/cm3,klikenberg系数0.301。

图1 数值模拟

2 模拟结果及分析

2.1 时间与抽采半径关系

模拟了130 d的瓦斯压力变化,得出了不同抽采时间的瓦斯抽采半径,抽采10 d时,抽采半径为0.201 m,30 d时,抽采半径为0.321 m,50 d时,抽采半径为0.513 m,70 d时,抽采半径为0.822 m,90 d时,抽采半径为1.336 m,110 d时,抽采半径为2.154 m,130 d时,抽采半径为3.627 m,得出其关系函数,r＝0.0219 t1.1254(R＝0.9701),由关系函数可知,抽采半径,随着抽采时间的延长而逐渐增加,时间是影响抽采半径大小的主要因素。

2.2 渗透率与抽采半径关系

在一定的压差下,煤岩的渗透率越大,则煤岩允许气体通过的能力越强,渗透率直接关系着瓦斯在煤载体内流动阻力的大小,也就影响着瓦斯抽采的难易[6]。为了考察渗改变透率在进行瓦斯抽采时,其效果的好坏,模拟了相同的瓦斯赋存条件下渗透率变化引起的有效半径变化情况,对抽采半径和煤层渗透率进行拟合得出如图2所示的结果。

由图2可知,煤层的渗透率越大,抽采半径越大,当增大到某值时,可以不进行抽采,瓦斯可自由逸散,说明煤层渗透率是影响瓦斯抽采半径的主要因素。

图2 抽采半径与渗透率关系曲线

2.3 抽采负压与抽采半径关系

对抽采半径和抽采负压进行拟合(抽采80 d),初始瓦斯压力1.71 MPa,得出如图3所示的结果。

图3 抽采半径与抽采负压关系曲线

由图3可知,抽采半径随着负压的增大而增大,通过拟合特征可知,抽采负压对于半径的影响较小,在进行瓦斯抽采效果时,可以不予考虑。

2.4 地应力与抽采半径关系

地应力不同会引起煤层的渗透率和透气性系数的变化,从而影响瓦斯气体的流动,对不同地应力下的抽采半径进行了分析,当地应力为7.98 MPa时,抽采半径为1.311 m,当地应力为10.98 MPa时,抽采半径为1.201 m,当地应力为13.98 MPa时,抽采半径为1.098 m,当地应力为16.98 MPa,时抽采半径为1.039 m,当地应力为19.98 MPa时,抽采半径为0.898 m,当地应力每增加3 MPa时,半径的减少幅度较小,说明地应力对抽采半径影响较小,不是主要影响因素。

2.5 钻孔直径与抽采半径关系

模拟了不同钻孔直径对抽采半径的影响,其模拟结果如图4所示。

由图4可知,随着钻孔直径的增大,抽采半径逐渐增大,在40 d内,钻孔直径影响不大,中后期,抽采半径变化明显,说明在抽采中后期,孔径对抽采效果影响较大。

图4 抽采负压与抽采半径关系

3 结 论

采用COMSOL数值模拟软件对山西某矿煤层瓦斯抽采半径影响因素进行了研究,得出以下结论：

(1)得出了时间与抽采半径的关系函数,反映了时间是影响抽采半径的主要因素;

(2)煤层的渗透率越大,抽采半径越大,当增大到某值时,可以不进行抽采,瓦斯可自由逸散,说明煤层渗透率是影响瓦斯抽采半径的主要因素;

(3)抽采半径随着负压的增大而增大,但影响较小,在进行瓦斯抽采效果时,对于抽采半径可以不予考虑;

(4)当地应力每增加3 MPa时,抽采半径的减少幅度较小,地应力对抽采半径影响较小,不是主要影响因素;

(5)随着钻孔直径的增大,抽采半径逐渐增大,前期,钻孔直径影响不大,中后期,钻孔直径对抽采效果影响较大。