基于COMSOL的高位大直径长钻孔瓦斯抽采模拟研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：苏生（），男，安徽淮南人，年毕业于安徽理工大学，现任安徽恒源煤电股份有限公司祁东煤矿总工程师，从事瓦斯抽采方面工作。引用格式：苏生 基于 的高位大直径长钻孔瓦斯抽采模拟研究 能源与环保，（）：，（）：基于 的高位大直径长钻孔瓦斯抽采模拟研究苏生（安徽恒源煤电股份有限公司 祁东煤矿，安徽 宿州 ）摘要：祁东煤矿采空区瓦斯治理措施效果不佳，使得采掘衔接过程中高抽巷工期紧张的情况，从而影响了煤矿的经济效益。为实现对采空区瓦斯的抽采，利用 软件建立瓦斯流动与煤体变形的流固耦合数学模型，并以压力差代替浓度差的方法，对不同抽采负压下的高位定向钻孔瓦斯压力分布进行研究，得出了钻孔瓦斯抽采有效半径的变化情况，并在不同的工作面推进距离下得出了瓦斯抽采混量及浓度。相关研究结果表明，随着抽采负压的增加，瓦斯抽采有效半径表现出先增加后降低的变化规律；不同工作面推进距离下的瓦斯抽采量和浓度呈现出先增加后降低的循环变化趋势，但抽采量变化较大，从 增加至 ，浓度则变化不大，最终稳定在 左右。研究可为相关问题提供理论依据。关键词：大直径长钻孔；瓦斯抽采；流固耦合；抽采负压中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，；，：；煤层气在煤矿中被称为瓦斯，是一种由自然因素形成的非常规天然气，其主要成分为甲烷，它不仅是一种清洁能源，也是煤矿的一个重大灾害 。祁东煤矿采空区瓦斯治理效果并不理想，从而导致了采掘衔接过程中高抽巷工期紧张的难题。为此，采用高位大直径长钻孔瓦斯抽采方法解决此类问题，这对提高煤矿经济效益和减少煤矿安全事故的发生都有着非常重要的意义。为解决采空区瓦斯浓度超限问题，专家学者对此进行了许多研究，如薛彦平 针对回采时采空区和上隅角的瓦斯浓度超限问题，提出了用超大直径钻孔取代联络巷埋管的瓦斯抽采方式，有效提高了 年第 期苏生：基于 的高位大直径长钻孔瓦斯抽采模拟研究第 卷采空区瓦斯治理效果；许石青等 提出使用高位定向长钻孔的方法来解决采空区瓦斯涌出的危险，以此提升了采空区的瓦斯抽采效果；邵国安等 对近距离煤层采空区瓦斯进行了大直径钻孔抽采试验，较好地完成了采空区初次来压时的瓦斯治理工作；贾进章等 采用大直径钻孔对采空区瓦斯涌出进行了研究；李乾荣等 为缓解工作面回采时采空区扩大而导致瓦斯易积聚的难题，提出在煤层上方打定向长钻孔至采空区顶板断裂带处进行瓦斯抽采；刘成武 提出了用高位定向长钻孔对采空区瓦斯进行抽采治理；张浩权 提出打低位顶板走向长钻孔的方法对采空区的瓦斯进行抽采；王永文等 提出采用高位定向钻孔的方式提高采空区的瓦斯治理效果；李江平 采用顶板高位定向钻孔对采空区瓦斯进行抽采，以防止上隅角瓦斯浓度超限；王雨生 为解决采煤期间采空区瓦斯浓度高的问题，使用高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采。目前的研究只单方面考虑了在大直径或高位长钻孔下的采空区瓦斯抽采。基于此，本文结合 种研究方法对祁东煤矿采空区实施高位大直径长钻孔瓦斯抽采，并利用 软件建立了瓦斯流动与瓦斯变形的流固耦合数学模型，在不同抽采负压下模拟了钻孔周围的瓦斯压力变化，并在现场测量了瓦斯抽采量和浓度，研究结果可以为煤矿的工程实际提供相应的理论依据。基本假设与数学模型推导由于含瓦斯煤层的各项物理性质无法达到理想状态，在提出一些基本假设的基础上，推导出了瓦斯变形瓦斯流动的多场流固耦合数学模型。基本假设煤层是一个由割理、裂隙与孔隙组成的多孔介质复杂系统 ，建立瓦斯变形瓦斯流动多场流固耦合模型的关键问题在于如何正确处理含瓦斯煤层的物理性质。为了便于求解，现对模型做出如下基本假设：含瓦斯的煤层变形符合小变形假设；煤层中的瓦斯为理想气体且遵从达西定律；煤层内瓦斯的流动按照等温过程处理，即温度变化不大；在同一点煤体和瓦斯温度相等；煤层中的瓦斯含量是饱和的；煤层中的瓦斯含量遵从 吸附方程。数学模型推导 煤体变形控制方程在忽略惯性的作用下，煤体平衡方程可表示为：（）式中，为煤体的应力张量形式，；为煤体的体力张量形式。煤体应变分量与位移分量之间的关系可表示为：（，）（）式中，为煤体的应变张量形式；，和 为煤体的位移张量形式。考虑煤的膨胀是各向同性的，则煤的气体吸附应变方程 可以表示为：（）式中，为气体的吸附应变；为 体积应变常数；为 压力常数；为气体压力。具有吸附作用的煤体本构方程可以表示为：()（）式中，为煤体的剪切模量；为 符号；为 常数（，为煤体骨架的体积模量；为煤的体积模量）；为煤体的应力张量形式。联立式（）式（）可得到煤体变形的控制方程 ：，（），（）式中，和 ，为煤体的位移张量形式；为煤的泊松比；，的右下角符号为力学中用张量形式表示的求导符号。瓦斯流动控制方程瓦斯的质量平衡方程可以表示为：（）（）式中，为瓦斯的密度；为时间；为单位体积煤体中所含有的瓦斯质量；为瓦斯的渗流速度，“”表示渗流速度为矢量；为质量源，（），和分别为煤层中游离瓦斯和吸附瓦斯含量；为瓦斯的解析扩散系数。瓦斯密度可以用式（）求得：（）式中，为甲烷分子质量，；为瓦斯压力；为气体摩尔常数；为开尔文温标。由于煤体的渗透率 远远小于 ，单位体积煤体中气体的总质量可以表示为：游 吸 （）式中，为游离态瓦斯的密度；为吸附态瓦斯密度；为孔隙率；为煤体密度；为 体积常 年第 期能源与环保第 卷数；为煤体内瓦斯压力；为 压力常数。对式（）求导可得：（）瓦斯在煤层中的渗流用达西定律 可表示为：（）式中，为煤体渗透率；为瓦斯的动力黏度系数；为煤体中的瓦斯压力差。将式（）、式（）代入式（），得到煤层中瓦斯流动的控制方程为：()()（）其他方程煤层孔隙率的动态模型可以表示为：（）式中，为煤层初始孔隙率；为煤层体积应变。煤层渗透率的动态模型可以表示为：()（）式中，为煤层的初始渗透率。模型建立与边界条件及参数的设置 模型建立及边界条件为了体现钻孔抽采过程中瓦斯压力的变化，本文采用的是简化物理模型，如图 所示。其中，数值模拟区域的长度为 ，高度为 ，钻孔直径为大孔径（），从左向右分别位于煤层（，）、（，）、（，）、（，）、（，）、（，）的位置。模型的瓦斯渗流场边界条件设定为：瓦斯初始压力为 ，初始浓度为 ，模型上下左右边界均为无流动边界，瓦斯在模型内部流动，钻孔内设一个抽采压力且其边界为自由边界。模型的应力场边界为：模型垂直方向上受到上覆岩层的应力，垂直方向下侧以及左右两侧均设置为无位移边界。图 数值计算模型 利用 中自带的易于操作与处理的图形工具，创建如图 所示的模型，并且输入物理参数，包括输入模型变量以及随时间变化的函数。本文采用 软件中的固体力学、达西定律以及一般形式偏微分方程模块，随后进行网格划分，划分采用常规方式，共得到了 个域单元和 个边界单元。划分结果如图 所示。图 网格划分结果 参数设置模型初始参数设置见表。表 模型初始参数 模拟参数取值 压力常数 体积常数 （）煤体密度 （）摩尔气体常数 （）煤体初始渗透率 初始孔隙率 解吸扩散系数 甲烷动力黏度系数 （）初始瓦斯压力 温度 煤的体积应变 煤的泊松比 体积应变常数 煤的弹性模量 结果与分析 不同抽采抽负压下瓦斯抽采效果分析本文采用以压力差代替浓度差来体现瓦斯抽采效果，即通过观察压力变化来反映抽采过程中的有效半径变化。在模拟时，设置的抽采负压梯度为 ，分别为、四个方案。经过模拟得到了钻孔在抽采 后周围的瓦斯压力分布云图，结果如图 所示。年第 期苏生：基于 的高位大直径长钻孔瓦斯抽采模拟研究第 卷图 不同抽采负压下抽采至后的钻孔周围瓦斯压力分布情况 由图 可知，在抽采至 时，随着抽采负压的增加，钻孔周围的瓦斯压力逐渐降低且有效半径的范围也越来越大但变化并不明显，说明抽采负压对瓦斯压力的影响较大。在 时，瓦斯压力变化范围小且抽采有效半径为 左右，说明如果负压较低，则对瓦斯产生的驱动力弱，从而使瓦斯不能被很好的抽采出来，而导致抽采效果不佳；在 时抽采的影响范围达到最大且抽采有效半径为 左右，约为 时的 倍。这是因为随着抽采负压的增加，对瓦斯的驱动力就越大并且使瓦斯更容易被抽出，所以抽采效果会更好；但随着抽采负压的不断增加，钻孔周围的瓦斯压力开始降低，说明负压过大会导致部分瓦斯无法被抽采出。因此，在实际工程中，抽采负压不可过大，考虑使用 左右的负压进行抽采即可。依据模拟结果，选取在 号钻孔周围处于水平且过圆心的直线上的某一点在不同负压下抽采至 后抽采的瓦斯压力值，绘制压力曲线如图 所示。由图 可知，在不同抽采负压下的瓦斯压力降低的速率变化情况基本是一致的，但在负压为 和 时的瓦斯压力下降比较慢，说明负压太低和太高都对瓦斯抽采都有着有不良的影响；在负压为 下，经过 的抽采后，瓦斯压力最终稳定在 左右，且抽采效果比 和 要好；而在负压为 时瓦斯压力下降变化是最大的，经抽采 过后压力降低至 左右，因此抽采效果是最好的，这说明存在一个合适的负压值，能够将瓦斯抽采的效果提高到最大。图 不同负压下抽采至 钻孔周围瓦斯压力情况 现场工程应用经现场考察后，计划在工作面煤壁处的钻场往顶板施工 个定向大直径长钻孔，并用支管进行瓦斯抽采，最后汇总到主管路中。号钻孔布置剖面如图 所示，钻孔具体参数见表。图 号钻孔布置剖面 表 钻孔参数 钻孔编号孔径 负压 至煤层距离 孔长 号 号 号 号 号 号 将综采工作面由 推进至 时的主管路瓦斯抽采量和瓦斯浓度变化情况绘制成如图 所示的曲线。由图 可知，随着工作面推进距离的不断增加，瓦斯抽采浓度和纯量表现出先增加后降低的循环变化趋势，其中有突然增加很快的部分是由于在 下的钻孔抽采效果较好引起的；而突然下降的部分则是由 和 的钻孔瓦斯抽采效果不佳引起的，但瓦斯浓度最后基本稳定在 左右，而抽采混量却在循环中不断增加，在 时瓦斯抽采量达到最大值，为 ；但在刚开始抽采阶段，即工作面推进至 左右处的瓦斯浓度达到了最大，年第 期能源与环保第 卷为 左右，这是由于在工作面初次来压后会促进岩层垮落更加充分，从而形成了瓦斯富集区。图 不同工作面推进距离下瓦斯抽采量和浓度变化曲线 结论（）从不同抽采负压条件下的模拟结果来看，抽采负压对钻孔周围瓦斯压力以及有效半径的改变有影响但不是很明显，在抽采负压为 时达到最佳，且总体呈现出瓦斯抽采浓度和纯量先增大后降低的变化规律。（）从不同工作面推进距离下的测量结果来看，瓦斯抽采浓度和纯量呈现出先增加后降低的循环变化趋势，在工作面推进距离为 处时瓦斯抽采浓度达到最大，为 ；瓦斯抽采量在循环变化的趋势中一直增加且在工作面推进至 处达到最大值，为 。参考文献（）：程远平，李伟，杨康 煤层瓦斯解析扩散过程中甲烷碳同位素的分馏动力学模型 煤炭学报，（）：，（）：薛彦平 超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究及应用 煤炭技术，（）：，（）：许石青，余婕 采空区瓦斯高位定向长钻孔抽采技术研究 矿业研究与开发，（）：，（）：邵国安，邹永洛 高瓦斯近距离煤层采空区卸压瓦斯大直径钻孔抽采试验研究 煤矿安全，（）：，（）：贾进章，郭建 大直径抽采钻孔在采空区瓦斯抽采中的应用 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：李乾荣，王兆丰，王树军，等 跨工作面采空区瓦斯抽采技术研究 工矿自动化，（）：，（）：，刘成武 高位定向长钻孔治理采空区瓦斯技术实践 陕西煤炭，（）：，（）：，张浩权 坚硬覆岩工作面采空区近场瓦斯抽采技术研究 煤炭工程，（）：，（）：王永文，姚宁平，王海龙，等 高位定向钻孔分层布置与瓦斯抽采效果分析 钻探工程，（）：，（）：李江平 顶板高位定向钻孔抽采瓦斯效果分析 江西煤炭科技，（）：，（）：，王雨生 定向高位长钻孔在抽采综放工作面采空区瓦斯方面的应用 煤炭科技，（）：，（）：王登科，张平，刘淑敏，等 温度冲击下煤层内部孔缝结构演化特征实验研究 煤炭学报，（）：，（）：吴学海，李波波，王新，等 基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究 煤田地质与勘探，（）：，（），（）：王洪磊，王登科，姚邦华 不同机制条件下的煤层瓦斯流动方程研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：