基于COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟

基于C OM S O L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,㊀山西吕梁市㊀０３３０００)

摘㊀要:以山西某矿为试验矿井,采用C OM S O L软件对瓦斯抽采半径影响因素进行了研究,研究结果表明: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;抽采半径随着负压的增大而增大,但影响较小,在进行瓦斯抽采时,可以不予考虑负压的影响;当地应力每增加３M P a时,半径的减少幅度较小,地应力对抽采半径影响较小;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.

关键词:煤矿安全;瓦斯;抽采半径;数值模拟

０㊀引㊀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[１Ｇ４],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C OM S O L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.

１㊀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６０mˑ８m,模型顶部有自身重力,大小９．８５M P a,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２９８０M P a,吸附常数０．５９８M P a－１,甲烷粘性系数１．１２ˑ１０－５P a s,渗透率４．９ˑ１０－１６m２,固结系数０．７９６,密度１．４５g/c m３, k l i k e n b e r g系数０．３０１.

图１㊀数值模拟

２㊀模拟结果及分析

２．１㊀时间与抽采半径关系

模拟了１３０d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１０d时,抽采半径为０．２０１m,３０d时,抽采半径为０．３２１m,５０d时,抽采半径为０．５１３m,７０d时,抽采半径为０．８２２m,９０d时,抽采半径为１．３３６m,１１０d时,抽采半径为２．１５４m,１３０d时,抽采半径为３．６２７m,得出其关系函数,r＝０．０２１９t１．１２５４(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.

２．２㊀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.

㊀㊀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

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C N４３－１３４７/T D采矿技术㊀第１８卷㊀第５期

M i n i n g T e c h n o l o g y,V o l．１８,N o．５２０１８年９月S e p．２０１８

逸散,说明煤层渗透率是影响瓦斯抽采半径的主要因素

.

图２㊀抽采半径与渗透率关系曲线

２．３㊀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８０d ),初始瓦斯压力１．７１M P a

,得出如图３所示的结果.图３㊀抽采半径与抽采负压关系曲线

㊀㊀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.

２．４㊀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７．９８M P a 时,抽采半径为１．３１１m ,当地应力为１０．９８M P a 时,抽采半径为１．２０１m ,当地应力为１３．９８M P a 时,抽采半径为１．０９８m ,当地应力为１６．９８M P a ,时抽采半径为１．０３９m ,当地应力为１９．９８M P a 时,抽采半径为０．８９８m ,当地应力每增加３M P a 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.

２．５㊀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.

㊀㊀由图４可知,

随着钻孔直径的增大,抽采半径逐渐增大,在４０d 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４㊀抽采负压与抽采半径关系

３㊀结㊀论

采用C OM S O L 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３M P a 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.

参考文献:

[１

]王晓蕾,秦启荣,范存辉,等．下保护层开采时上覆煤层裂隙演化规律的研究,世界科技研究与发展,２０１５,３７(６):６６３Ｇ６６７．

[２]王晓蕾,秦启荣,熊祖强．破碎围岩注浆加固扩散机理及应用研究[J ]．科学技术与工程,２０１７,１７(１７):１８８Ｇ１９３．[３]秦恒洁,徐向宇．瓦斯抽采半径确定的数值模拟研究[J ]．煤炭技术,２０１５,３４(２):１６５Ｇ１６７．

[４

]王晓蕾,秦启荣,熊祖强,等．层次注浆工艺在松软巷道破碎围岩加固中的应用[J ]．地下空间与工程学报,２０１７,１３(１):２０６Ｇ２１２．

[５]熊祖强,王晓蕾．矿井相对瓦斯涌出量动态无偏灰色马尔科夫预测[J ]．安全与环境学报,２０１５,１５(３):１５Ｇ１８．[６

]郝天轩,陈朋飞．数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半

径影响因素[J ]．中州煤炭,２０１５(１２):１１Ｇ１３．

(收稿日期:２０１８Ｇ０３Ｇ２１

)作者简介:乔飞云(１９８３－)

,男,山西吕梁人,主要从事矿井通防管理㊁瓦斯抽采方面的工作,E m a i l :１２８５６７２２１８＠q q

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