基于COMSOL數(shù)值模擬的瓦斯抽采半徑測(cè)定

崔永青，李永軍，劉 飛

（1.山西馬堡煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治046013；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

煤層瓦斯抽采影響半徑是指：在規(guī)定或允許的時(shí)間內(nèi)，煤層瓦斯壓力開始下降點(diǎn)到抽采鉆孔中心的距離[1]。鉆孔有效可抽范圍：在規(guī)定或允許的時(shí)間內(nèi)，煤層瓦斯壓力下降到安全容許值的點(diǎn)到抽采鉆孔中心的距離。抽采鉆孔間距的選擇是影響瓦斯抽采效率的一個(gè)重要的因素[2]。鉆孔間距合理，對(duì)鉆孔布置和提高整個(gè)煤層的瓦斯抽采率具有重要意義。每個(gè)鉆孔在某一流動(dòng)時(shí)間內(nèi)都有自己控制的一個(gè)瓦斯流動(dòng)場(chǎng)[3]，所以只有在流動(dòng)場(chǎng)內(nèi)相互不受干擾時(shí)增加鉆孔密度，才能經(jīng)濟(jì)有效的提高煤層瓦斯抽采量[4]。

1 概況

馬堡礦隸屬于晉能集團(tuán)，目前主采煤層為15號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模150萬(wàn)t/a，開采深度標(biāo)高由+1220m～+660m，批準(zhǔn)開采面積為12.8688km2，礦井絕對(duì)斯涌出量高達(dá)58.17m3/min。礦井現(xiàn)階段開采進(jìn)入井田深部區(qū)域，生產(chǎn)期間瓦斯問(wèn)題是礦井面臨的主要問(wèn)題之一。所以瓦斯預(yù)抽對(duì)于生產(chǎn)有著重要的意義。

2 抽采幾何模型的建立與解算

15號(hào)煤層主要進(jìn)行本煤層預(yù)抽，本煤層鉆孔由巷道打向煤層，一般進(jìn)行水平鉆孔。由于鉆孔和周圍瓦斯形成壓力差，在壓力差的影響下使得周圍煤層的游離瓦斯朝著鉆孔運(yùn)動(dòng)。在煤層傾向上，鉆孔的壓力情況和周圍煤層的游離瓦斯流動(dòng)狀況大體相同。因此,以煤層的走向長(zhǎng)度與煤厚建立二維幾何模型，從而反映在抽采過(guò)程中鉆孔周圍的瓦斯運(yùn)動(dòng)及壓力變化情況。

本文以馬堡礦所實(shí)測(cè)的15號(hào)煤層的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，建立走向長(zhǎng)100m煤厚為5m的二維煤層幾何模型。

2.1 物理參數(shù)的定義

本文建立COMSOL數(shù)值模型所需馬堡礦15號(hào)煤層各個(gè)數(shù)據(jù)列于表1。

2.2 生成網(wǎng)格

建立好二維煤層幾何模型后對(duì)其進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，由于重點(diǎn)進(jìn)行鉆孔周圍的瓦斯運(yùn)動(dòng)情況分析，所以鉆孔邊界網(wǎng)格設(shè)置為30，進(jìn)而生成網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為2960，由邊界到鉆孔網(wǎng)格逐漸密集，鉆孔附近網(wǎng)格覆蓋效果好，可以較好地進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算。

表1 物理參數(shù)表

2.3 解算與后處理

根據(jù)COMSOL提供的自適應(yīng)計(jì)算方法和實(shí)際需要解決的問(wèn)題相結(jié)合，采用設(shè)置絕對(duì)容差為系統(tǒng)默認(rèn)值0.001，解算時(shí)間為30天，步長(zhǎng)為1天的瞬態(tài)求解器對(duì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)鉆孔周圍煤層的瓦斯壓力的變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在鉆孔左右共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分布情況如圖1，用來(lái)顯示模型內(nèi)不同位置的瓦斯壓力隨時(shí)間變化而變化的情況。利用COMSOL軟件所提供得強(qiáng)大的后處理技術(shù),根據(jù)模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果在其中等值選取不同的解算時(shí)間，生成本煤層鉆孔周圍瓦斯壓力在不同抽采時(shí)間的等值圖如圖2。

圖1 15層瓦斯抽采半徑測(cè)定鉆孔開孔位置示意圖

圖2 30天瓦斯抽采分布等值線圖

由圖2可以看出,經(jīng)過(guò)不同的抽采時(shí)間，瓦斯抽采的影響范圍不同。從選取的不同時(shí)間點(diǎn)來(lái)看，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，煤層中瓦斯降低的范圍越廣。以進(jìn)行抽采后的第30天為例，由圖可以看出距離抽采鉆孔越近煤層中的瓦斯壓力越小，隨著距離的增大，在距離鉆孔20m以外瓦斯壓力基本趨近于原始瓦斯壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證

15號(hào)煤層瓦斯抽采半徑的測(cè)定地點(diǎn)選在二采區(qū)15201運(yùn)輸順槽360m處，采用順層鉆孔進(jìn)行測(cè)定，即：在15201運(yùn)輸順槽360m處布置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)向15號(hào)煤層打順層鉆孔對(duì)進(jìn)而進(jìn)行對(duì)其煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采和壓力監(jiān)測(cè)。在待測(cè)地點(diǎn)向15號(hào)煤層共打6個(gè)直徑為94mm（Φ94mm）孔深為50m的順層鉆孔，封孔長(zhǎng)度不小于45m。根據(jù)模擬所設(shè)計(jì)的狀態(tài)，定義1#鉆孔為煤層中瓦斯抽采鉆孔、兩側(cè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際則為安裝壓力表的測(cè)壓孔。抽采半徑實(shí)際測(cè)量的鉆孔布置與模擬中相一致如圖1，抽采半徑測(cè)定鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工的具體參數(shù)見表2。

表2 15號(hào)煤層斯抽采半徑測(cè)定鉆孔參數(shù)表

鉆孔施工選擇在15201運(yùn)輸順槽360m處施工，由里向外依次施工測(cè)壓孔，待測(cè)壓孔完成后再施工抽采鉆孔，并且每個(gè)孔施工完成后迅速對(duì)其進(jìn)行封孔作業(yè)。測(cè)壓孔選擇直徑為20mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為45m，抽采孔選擇直徑為50mm的PVC管進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為20m。封孔方法采用“兩堵一注”方法進(jìn)行封孔，即在孔內(nèi)下入專用封孔囊袋對(duì)封孔段兩端進(jìn)行封堵，外端部分留設(shè)注漿管和回漿管，然后對(duì)兩囊袋中間部位通過(guò)注漿管進(jìn)行注入水泥漿，進(jìn)行候凝。測(cè)壓孔待凝固后安裝壓力表。壓力表安裝完成后每天觀測(cè)并記錄壓力表示數(shù)，待到壓力值穩(wěn)定后，對(duì)抽采孔進(jìn)行進(jìn)行抽采。抽采過(guò)程中每天進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察和記錄。

瓦斯抽采半徑測(cè)壓孔于2018年2月28日開始施工，鉆孔施工2天，施工完成后測(cè)壓孔壓力表壓力逐漸增大，11天后壓力值已經(jīng)穩(wěn)定，然后將瓦斯抽采孔接入抽采管路對(duì)其進(jìn)行抽采作業(yè)，并對(duì)各個(gè)壓力表壓力下降過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)與記錄。觀測(cè)時(shí)間從3月12日開始持續(xù)30天，對(duì)所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出隨抽采時(shí)間的增長(zhǎng)壓力變化情況的總體趨勢(shì)，并繪制距抽采孔4.5m壓力隨時(shí)間變化的曲線圖如圖3。

圖3 距抽采孔4.5 m的觀測(cè)孔壓力變化曲線圖

瓦斯抽采半徑考察孔采用Φ94mm鉆孔對(duì)15煤層進(jìn)行順層抽采，從圖3中可以看出，測(cè)壓鉆孔的壓力隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸下降，下降速度逐漸減緩。當(dāng)抽采時(shí)間為29天時(shí)，有效抽采半徑為4.5m。

4 結(jié)論

本文通過(guò)以實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)理論分析將煤層視為雙重孔隙單滲透率的特殊多孔介質(zhì)，從而對(duì)其建立順層孔瓦斯抽采幾何模型，利用模擬軟件COMSOL對(duì)其進(jìn)行瓦斯抽采過(guò)程模擬，從而研究順層孔瓦斯抽采半徑隨時(shí)間變化的規(guī)律，而后又進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模擬數(shù)值的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐真實(shí)性。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合，雙方互相印證，最終得出結(jié)論：隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)，鉆孔影響的瓦斯壓力下降范圍越來(lái)越大，同一位置的瓦斯壓力隨著抽采過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，不同位置的煤層瓦斯壓力隨著距離抽采鉆孔的距離的增加瓦斯壓力逐漸上升并趨近于原始瓦斯壓力。相對(duì)距離抽采鉆孔近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力在剛開始抽采時(shí)候下降速度很快，隨著抽采過(guò)程的進(jìn)行達(dá)到一個(gè)峰值點(diǎn)后緩慢下降。距離較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)初期瓦斯壓力下降速度較慢隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸增大到峰值后也緩慢下。最后各點(diǎn)壓力差在經(jīng)歷增大減小后趨于穩(wěn)定。