基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定

崔永青，李永军，刘 飞

（1.山西马堡煤业有限公司,山西 长治046013；2.煤科集团沈阳研究院有限公司煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 沈阳 110000）

0 引言

煤层瓦斯抽采影响半径是指：在规定或允许的时间内，煤层瓦斯压力开始下降点到抽采钻孔中心的距离[1]。钻孔有效可抽范围：在规定或允许的时间内，煤层瓦斯压力下降到安全容许值的点到抽采钻孔中心的距离。抽采钻孔间距的选择是影响瓦斯抽采效率的一个重要的因素[2]。钻孔间距合理，对钻孔布置和提高整个煤层的瓦斯抽采率具有重要意义。每个钻孔在某一流动时间内都有自己控制的一个瓦斯流动场[3]，所以只有在流动场内相互不受干扰时增加钻孔密度，才能经济有效的提高煤层瓦斯抽采量[4]。

1 概况

马堡矿隶属于晋能集团，目前主采煤层为15号煤层，生产规模150万t/a，开采深度标高由+1220m～+660m，批准开采面积为12.8688km2，矿井绝对斯涌出量高达58.17m3/min。矿井现阶段开采进入井田深部区域，生产期间瓦斯问题是矿井面临的主要问题之一。所以瓦斯预抽对于生产有着重要的意义。

2 抽采几何模型的建立与解算

15号煤层主要进行本煤层预抽，本煤层钻孔由巷道打向煤层，一般进行水平钻孔。由于钻孔和周围瓦斯形成压力差，在压力差的影响下使得周围煤层的游离瓦斯朝着钻孔运动。在煤层倾向上，钻孔的压力情况和周围煤层的游离瓦斯流动状况大体相同。因此,以煤层的走向长度与煤厚建立二维几何模型，从而反映在抽采过程中钻孔周围的瓦斯运动及压力变化情况。

本文以马堡矿所实测的15号煤层的现场数据为基础资料，建立走向长100m煤厚为5m的二维煤层几何模型。

2.1 物理参数的定义

本文建立COMSOL数值模型所需马堡矿15号煤层各个数据列于表1。

2.2 生成网格

建立好二维煤层几何模型后对其进行三角形网格划分，由于重点进行钻孔周围的瓦斯运动情况分析，所以钻孔边界网格设置为30，进而生成网格，网格总数为2960，由边界到钻孔网格逐渐密集，钻孔附近网格覆盖效果好，可以较好地进行后续运算。

表1 物理参数表

2.3 解算与后处理

根据COMSOL提供的自适应计算方法和实际需要解决的问题相结合，采用设置绝对容差为系统默认值0.001，解算时间为30天，步长为1天的瞬态求解器对随着时间的增长钻孔周围煤层的瓦斯压力的变化情况进行数据分析。在钻孔左右共布置5个监测点，分布情况如图1，用来显示模型内不同位置的瓦斯压力随时间变化而变化的情况。利用COMSOL软件所提供得强大的后处理技术,根据模拟数据的结果在其中等值选取不同的解算时间，生成本煤层钻孔周围瓦斯压力在不同抽采时间的等值图如图2。

图1 15层瓦斯抽采半径测定钻孔开孔位置示意图

图2 30天瓦斯抽采分布等值线图

由图2可以看出,经过不同的抽采时间，瓦斯抽采的影响范围不同。从选取的不同时间点来看，经历的时间越长，煤层中瓦斯降低的范围越广。以进行抽采后的第30天为例，由图可以看出距离抽采钻孔越近煤层中的瓦斯压力越小，随着距离的增大，在距离钻孔20m以外瓦斯压力基本趋近于原始瓦斯压力。

3 现场实践验证

15号煤层瓦斯抽采半径的测定地点选在二采区15201运输顺槽360m处，采用顺层钻孔进行测定，即：在15201运输顺槽360m处布置测点，通过向15号煤层打顺层钻孔对进而进行对其煤层中的瓦斯进行抽采和压力监测。在待测地点向15号煤层共打6个直径为94mm（Φ94mm）孔深为50m的顺层钻孔，封孔长度不小于45m。根据模拟所设计的状态，定义1#钻孔为煤层中瓦斯抽采钻孔、两侧为监测点，现场实际则为安装压力表的测压孔。抽采半径实际测量的钻孔布置与模拟中相一致如图1，抽采半径测定钻孔现场施工的具体参数见表2。

表2 15号煤层斯抽采半径测定钻孔参数表

钻孔施工选择在15201运输顺槽360m处施工，由里向外依次施工测压孔，待测压孔完成后再施工抽采钻孔，并且每个孔施工完成后迅速对其进行封孔作业。测压孔选择直径为20mm的无缝钢管进行封孔，封孔长度为45m，抽采孔选择直径为50mm的PVC管进行封孔，封孔长度为20m。封孔方法采用“两堵一注”方法进行封孔，即在孔内下入专用封孔囊袋对封孔段两端进行封堵，外端部分留设注浆管和回浆管，然后对两囊袋中间部位通过注浆管进行注入水泥浆，进行候凝。测压孔待凝固后安装压力表。压力表安装完成后每天观测并记录压力表示数，待到压力值稳定后，对抽采孔进行进行抽采。抽采过程中每天进行数据观察和记录。

瓦斯抽采半径测压孔于2018年2月28日开始施工，钻孔施工2天，施工完成后测压孔压力表压力逐渐增大，11天后压力值已经稳定，然后将瓦斯抽采孔接入抽采管路对其进行抽采作业，并对各个压力表压力下降过程进行观测与记录。观测时间从3月12日开始持续30天，对所记录数据进行分析，得出随抽采时间的增长压力变化情况的总体趋势，并绘制距抽采孔4.5m压力随时间变化的曲线图如图3。

图3 距抽采孔4.5 m的观测孔压力变化曲线图

瓦斯抽采半径考察孔采用Φ94mm钻孔对15煤层进行顺层抽采，从图3中可以看出，测压钻孔的压力随着抽采时间的增长逐渐下降，下降速度逐渐减缓。当抽采时间为29天时，有效抽采半径为4.5m。

4 结论

本文通过以实际测定数据为基础，经过理论分析将煤层视为双重孔隙单渗透率的特殊多孔介质，从而对其建立顺层孔瓦斯抽采几何模型，利用模拟软件COMSOL对其进行瓦斯抽采过程模拟，从而研究顺层孔瓦斯抽采半径随时间变化的规律，而后又进行实际现场检验来验证模拟数值的现场实践真实性。数值模拟与现场实测的结果基本吻合，双方互相印证，最终得出结论：随着抽采时间的增长，钻孔影响的瓦斯压力下降范围越来越大，同一位置的瓦斯压力随着抽采过程的进行呈现缓慢下降的趋势，不同位置的煤层瓦斯压力随着距离抽采钻孔的距离的增加瓦斯压力逐渐上升并趋近于原始瓦斯压力。相对距离抽采钻孔近的监测点瓦斯压力在刚开始抽采时候下降速度很快，随着抽采过程的进行达到一个峰值点后缓慢下降。距离较远的监测点初期瓦斯压力下降速度较慢随着时间的增长逐渐增大到峰值后也缓慢下。最后各点压力差在经历增大减小后趋于稳定。