“三軟”煤層瓦斯順層鉆孔抽采研究

王立　撒占友

摘 要：高應力區(qū)“三軟”煤層具有極高的瓦斯突出的危險性，為降低“三軟”煤層開采時瓦斯突出的危險性，降低瓦斯事故災害。本文通過建立二維順層鉆孔瓦斯抽采模型，采用數(shù)值模擬的方法模不同瓦斯抽采方式下煤層瓦斯的分布規(guī)律。結果表明，隨著鉆孔數(shù)量的增加，瓦斯抽采效果越好，但“三軟”煤層接近煤壁位置的瓦斯較難抽出。

關鍵詞：瓦斯事故;順層抽采;數(shù)值模擬;鉆孔布置

1 緒論

根據(jù)目前國內外的研究，煤體內瓦斯壓力大，煤巖及周邊圍巖透氣性差，開采技術相對落后，是造成瓦斯事故的主要原因。[1]在我國，絕大多數(shù)的礦井屬于煤與瓦斯突出礦井，其中，高應力區(qū)“三軟”突出煤層群煤與瓦斯突出的危險性尤為突出，一旦發(fā)生煤與瓦斯突出事故，將會造成巨大的損失。采取有效的措施降低煤體內瓦斯壓力，可有效保證煤礦的安全生產。[2]

2 模型構建

2.1 數(shù)學模型構建

2.1.1 基本假設

根據(jù)李磊[3]、黃光利[4]等人的研究，本文所構建的順層開采模型要符合如下幾點假設：

（1）煤體為彈性介質;（2）瓦斯為理想狀態(tài)氣體，且在煤層中均勻分布;（3）瓦斯的流動是等溫的過程，且滿足Darcy定律（即：q=-κμSymbolQC@p 式中，q 為瓦斯?jié)B流速度，m/s;κ為煤體滲透率，m2;μ為瓦斯動力粘度，Pa·s;SymbolQC@p 為瓦斯壓力梯度，Pa/m。）

2.1.2 瓦斯?jié)B流控制方程

本文瓦斯?jié)B流方程為：

Φ+ρcpaVLpp+pL2pt-SymbolQC@κμpSymbolQC@p=0

其中：Φ為孔隙度;ρc為媒體密度，單位kg/m3;pa為標準大氣壓，單位KPa;VL為朗格繆爾體積常數(shù)，無量綱;p為瓦斯壓力，單位KPa;pL為朗格繆爾壓力常數(shù)，無量綱;κ為煤體滲透率，單位m2。

2.2 物理模型構建

2.2.1 模型尺寸

本文所建模型尺寸長×寬=40×6m，其中單孔順層抽采模型圖如圖1所示。

2.2.2 基本物理參數(shù)及初始條件

本文所建模型，在模型左右邊界及模型上邊界設定X方向的位移約束，并在模型上邊界設定6MPa的均布載荷，在模型下邊界設定Y方向的位移約束，煤層內初始瓦斯壓力設為6MPa，鉆孔初始壓力為瓦斯抽采負壓。

3 模擬結果

本文分別模擬了各種抽采方式1-5天的瓦斯抽采效果，其中，各抽采方式下2天、4天的模擬結果如圖2到圖4所示。

圖中可以看出，煤層順層瓦斯抽采中，隨著鉆孔數(shù)量的增加，煤層瓦斯抽采效果逐漸提升，煤層中瓦斯壓力最低點隨瓦斯抽采的變化如圖5所示。

4 結論

（1）在“三軟”煤層瓦斯順層抽采過程中，煤層中瓦斯的含量會隨時間推移呈指數(shù)下降。

（2）隨著鉆孔數(shù)量的增多，瓦斯抽采效果有明顯提升，三孔瓦斯抽采速率近似為單孔瓦斯抽采速率的2倍，為雙孔瓦斯抽采的1.5倍。

（3）在順層抽采瓦斯過程中，瓦斯存在“貼壁效應”，越接近煤層邊界，瓦斯越難抽出。

參考文獻：

[1]彭信山.急傾斜近距離下保護層開采巖層移動及卸壓瓦斯抽采研究[D].河南理工大學，2015.

[2]劉征.急傾斜煤層上保護層開采保護范圍物理相似模擬實驗研究[D].重慶大學，2017.

[3]李磊.“三軟”煤層上保護層開采下伏煤巖瓦斯氣固耦合模型及應用[D].青島理工大學，2017.

[4]黃光利.硯石臺煤礦急傾斜俯偽斜上保護層開采保護范圍研究[D].重慶大學，2014.