煤层钻孔瓦斯抽采半径数值模拟
煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究
煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究煤矿瓦斯爆炸事故一直是我国煤矿安全的“绊脚石”，为了避免这类事故的发生，煤矿瓦斯抽放掘进法成为了煤矿安全的重要手段之一。
该方法通过采取抽放设备，将瓦斯通道内的瓦斯抽出进行处理，起到了防止煤矿瓦斯爆炸的作用。
近年来，数值模拟技术在煤矿瓦斯抽放掘进法中的应用越来越广泛，本文将探讨煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究。
一、数值模拟的基础理论数值模拟是指将实际问题通过数学建模、计算机模拟的方法，得到与实际问题尽可能相近的数值解。
其中，数值模拟的基础理论包括：计算流体力学（CFD）、数值计算方法等。
CFD方法是指通过数值方法求解流体运动的物理方程，其基本原理是将流体分割为无数个小单元，在每个小单元内求解流体状态。
而数值计算方法包括基于有限元、有限差或者其他数值算法的方法，它们的基本原理是将物理问题离散化，通过数字计算得到问题的数值解。
这两个基础理论在数值模拟中是重要的支撑，也是煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究的基础。
二、模拟方法综述煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟方法主要包括多相流模拟、离散相模拟和耦合模拟等。
多相流模拟是指将流体和固体或多个流体进行数值模拟的方法，通过将瓦斯、颗粒和煤尘等不同相进行数值计算来分析瓦斯抽放的可行性。
而离散相模拟则是通过计算颗粒分布、运动轨迹等参数，来分析其对瓦斯抽放的影响，同时也可以描绘出煤尘分布的情况。
耦合模拟则是将多相流和离散相模拟相结合，综合考虑不同相对瓦斯抽放的影响，以达到更加精确的模拟效果。
三、模拟结果分析煤矿瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究在其内部排风系统的设计、瓦斯抽放量、抽放速度等方面起到了重要的作用。
通过数值模拟，可以得到模拟结果，并分析出其对实际工程中的瓦斯抽放的影响。
同时，模拟结果还可以用于模型优化、方案比较、风险分析等方面。
瓦斯抽放掘进法的数值模拟研究还需要结合工程实际，对实际工程环境进行准确的模拟。
目前的数值模拟技术还存在一些问题，如计算精度不高、模型参数固定等方面的问题，需要进一步的改进和优化。
瓦斯抽采钻孔有效影响半径的理论模型及数值分析
参数 是不合 理 的 。 近年 来 ，国 内外 学者 在煤 层瓦 斯 别 为 ：
流动 理论研 究方 面进 行 了深入 的研 究 ， 逐步 建立 和
完善 了综合 考虑 含 瓦斯煤 的吸 附应 力 、 孔 隙压力 以
ｎ （ １ ＋ｐＩ Ｐ Ｌ ）
（ １ ）
ｍ
及应 力作用 下 的瓦斯 渗流 理论 模型［ ７ － １ ０ 】 ；同时 ，随 着计 算机解 算 算法 的优化 和提 高 ， 理论 计算 得到 的 瓦斯 抽采 有效 影响 半径 的可信 度大 大提 高 。 本文 基
２ ． １变形 场控 制方 程 煤 体对 瓦斯表 现 出较 强 的吸 附作用 ， 并产 生吸
附膨 胀应 力 ，导致煤 体 的受力 分布 发生 变化 。含吸
附瓦斯 煤 体 的吸 附 膨胀 应变 和 应 力计 算 公 式【 ｌ ｌ Ｊ 分
Ｖ Ｌ ｐｓ ＲＴ ｌ
Ｅｓ ｗ —
…
径， 并 以此 设计 抽采钻 孔数 目、间距和 抽采 负压 等
斯 抽采 设计 中显得 尤 为重要 。目前 ， 有 效影 响半径
斯流场 的变化 ， 同时确 定 了不 同预 抽 期 内瓦斯抽 采
的测 定方法 主要 分为 现场测 定和 理论 计算 两类 。 前 钻孔 的有 效影 响半径 ， 为钻 孔参 数 的合 理设 计和 布 者 虽然 准确 度高 ，但 具有测 定 周期长 ，工 程量 大 ， 置提供 了理论参 考 依据 。
Ｄ ０ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ６ ３ ９ ６ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ９ ． ０ １ ０
１ 前言
煤矿 瓦斯 抽采 能够 有效 降低 瓦斯压 力 、 防止 瓦
基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定
基于COMSOL数值模拟的瓦斯抽采半径测定崔永青1，李永军1，刘飞2（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）摘要：山西马堡煤业有限公司经国家安全部门鉴定属于高瓦斯矿井,矿井绝对斯涌出量高达58.17m3/min，瓦斯问题严重威胁着矿井的安全和生产的效率。
所以瓦斯预抽工作显得尤为重要，要进行高效的预抽工作“有效半径测定”是必不可少的重要过程。
本文利用数值模拟软件COMSOL对15号煤层进行模拟解析，通过软件运算得出有效的抽采半径并且进行了现场的实际施工检验，准确的测定了马堡矿15号煤层的抽采半径。
为以后的生产提供了有力的基础数据。
关键词：开采煤层;瓦斯抽采；数值模拟；抽采半径中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1009-0797（2019）03-0194-03Determination of Gas Extraction Radius Based on COMSOL Numerical SimulationCUI Yongqing1，LI Yongjun1，LIU fei2（1.Shanxi Mabao Coal Industry Co.,Ltd.，Changzhi046013，China；2.Coal research group Shenyang Research Institute Co.,Ltd,State Key Laboratory of coal mine safety technology.，Shenyang110000，China）Abstract:Shanxi Mabao Coal Industry Co.,Ltd.is a high gas mine appraised by the state security department.The absolute emission of the mine is as high as58.17m3/min.The gas problem seriously threatens the safety and production efficiency of the mine.Therefore,gas pre-drainage work is particularly important,to carry out efficient pre-drainage work"effective radius measurement"is an essential important process.In this paper,the numerical simulation software COMSOL is used to simulate and analyze No.15coal seam.The effective extraction radius is obtained by software calculation and the actual construction test is carried out.The extraction radius of No.15coal seam in Mabao Coal Mine is accurately measured.It provides strong basic data for future production.Key words:mining coal seam;gas drainage;numerical simulation;extraction radius0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]。
钻孔直径影响瓦斯抽采效果的数值模拟
ｌ 建立方程
Ｃ Ｏ ＭＳ Ｏ Ｌ Ｍｕ ｈ ｉ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ是 由瑞 典 的 Ｃ Ｏ ＭＳ Ｏ Ｌ公
孔深度等 ． 以往 的研究多 以抽采半径和抽采负压等
参数为主， 研究 抽 采钻 孔直 径对 抽采 效 果 的影 响 ， 对 司开 发 的一款 大 型 的高 级数 值 仿 真 软 件 ， 适 用 于模 煤 矿 瓦斯 抽采 工作 具有 一定 的指 导 意义 。 拟科 学和 工程 领域 的各 种物 理过 程 ， 被 誉 为“ 第 一款 河 南 平宝 煤业 有 限公 司 由平 煤 天安 与 上海 宝 钢 参 股 合 资 组 建 而成 ， 矿井于 ２ ０ ０ ４年 ８月 开 工 建 设 ，
总第 １ ７ ４期
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５—２ ７ ９ ８ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ ０ ６
Hale Waihona Puke 钻 孔 直 径 影 响 瓦斯 抽 采 效 果 的数 值 模 拟
陈波仁
（ 保利 能源山西分 公司 通 防部 ， 山西 晋 中 ０ ３ １ ３ ０ ０ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｒ ｉ ｔ ｓ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｌ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｂ ｙ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｔ ｉ ｒ ｅ ｍｉ ｎ ｅ ｆ ａ ｃ ｅ ｔ ｏ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｅ ｄ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｏ ｌ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ａ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｇ ａ ｓ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｉ ｎ ｒ ｅ ｌ ｉ ｅ ｖ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｍｉ ｎ ｅ ｆ ａ ｃ ｅ ｔ ｏ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｅ ｄ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ ｂ ｏ ｒ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ； ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｇ ａ ｓ ｄ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｅ
数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半径影响因素
数值模拟法分析顺层抽采钻孔有效抽采半径影响因素郝天轩;陈朋飞【摘要】考虑孔隙裂隙及滑动效应的影响,建立符合成庄矿的顺层钻孔抽采气固耦合模型,利用Comsol软件模拟了钻孔周围的瓦斯流动规律,得出了有效抽采半径与时间的幂函数关系,并模拟了不同抽采负压、渗透率、钻孔孔径及地应力的变化对瓦斯抽采有效半径的影响,结果显示渗透率是影响抽采半径的关键因素.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P11-13,123)【关键词】顺层钻孔;有效抽采半径;数值模拟【作者】郝天轩;陈朋飞【作者单位】河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TD712.6瓦斯抽采半径是钻孔预抽煤层瓦斯的一项重要参数，合理确定抽采半径直接关系到瓦斯抽采的成本和效果。
现场测试[1]和数值模法[2]是确定有效抽采半径的2个主要方法，相比传统方法，数值模拟作为确定有效抽采半径一种方法，更加简单快捷。
丁厚成等[3]、王兆丰等[4]运用不同数值模拟软件建立不同的瓦斯流动数学模型，通过模拟确定合理孔径、有效抽采半径等瓦斯抽采参数。
郝天轩等[5]将SF6示踪法和数值模拟结合更精确的确定抽采有效半径。
现场测试难以避免会因渗透率、地应力的变化会影响抽采有效半径的精度。
因此，结合数值模拟的优点，本文运用Comsol软件，以成庄矿为例分析不同抽采条件对有效抽采半径的影响。
1.1 模型基本假设煤是中由孔隙—裂隙网组成双重多孔介质[6]，考虑到瓦斯在煤体中的流动过程受多种因素影响，而且十分复杂[7]。
为了便于建立数学模型，模拟钻孔周围的瓦斯流动情况，做出以下假设：①假设煤层顶、底板不透气，且含瓦斯忽略不计；②瓦斯视为理想气体且恒温；③瓦斯流动服从达西定律；④瓦斯流动视为径向流动；⑤不考虑瓦斯压力对渗透性系数及孔隙率的影响。
地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究
地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究煤矿瓦斯抽采是矿井安全生产中非常重要的一环，瓦斯易燃易爆，一旦爆炸将会给矿工带来巨大的伤害。
因此，地下煤矿瓦斯抽采数值模拟研究至关重要。
一、矿井瓦斯的产生过程在煤矿的开采过程中，煤体的变形和破碎会释放出大量的瓦斯。
此外，在煤矿不同层位中存在不同程度的自然瓦斯，这些均为矿井瓦斯的来源。
由于瓦斯密度轻，扩散性强，易积聚，容易引起爆炸和中毒。
因此，瓦斯抽采是矿井安全生产不可缺少的一步。
二、煤矿瓦斯数值模拟的意义煤矿瓦斯数值模拟是指利用计算机数值模拟技术对矿井瓦斯的产生、流动、排放等过程进行分析预测的过程。
通过模拟和预测，可以了解矿井瓦斯的分布规律，及时发现瓦斯积聚和风险点，并采取相应的措施保障矿工的生命安全。
三、数值模拟方法煤矿瓦斯数值模拟方法有很多种，常用的主要有CFD（计算流体力学）、数学模型方法和人工神经网络方法。
CFD是一种基于对流、扩散和化学反应等物理过程的数值模拟方法，可以分析瓦斯在矿井中的传输和分布特征，同时对瓦斯通风系统的影响进行预测和优化。
数学模型方法是建立数学模型，根据瓦斯的产生、扩散、流动和排放等物理过程对矿井瓦斯进行模拟和预测，可以计算出瓦斯浓度、瓦斯压力等数据。
人工神经网络方法是利用神经网络模型对瓦斯产生、运移、扩散、排放等过程进行模拟，可以计算出瓦斯浓度、瓦斯压力等数据。
四、数值模拟应用了解矿井瓦斯分布规律通过数值模拟，可以了解矿井瓦斯在不同地点、不同时间的分布规律，同时也可以发现瓦斯积聚的点位。
这些数据可以为瓦斯通风系统设计提供科学依据，从而提高瓦斯的抽采效率。
风险评估和隐患排查通过数值模拟，可以对矿井中的瓦斯风险进行评估，发现风险点和瓦斯积聚点。
这些数据可以为瓦斯安全监控系统的布局提供参考，从而加强对矿井瓦斯的监管和管理。
瓦斯抽采效率优化通过数值模拟，可以预测瓦斯通风系统的效果，从而调整系统参数，提高瓦斯抽采效率，保障矿工的生命安全。
煤矿瓦斯抽采数值模拟是矿井安全管理的重要环节，可以科学评估矿井的瓦斯风险和隐患，有效保障矿工的生命安全。
不同负压下软硬煤有效抽放影响半径的数值模拟
钻孔在预抽煤层瓦斯时， 在煤层瓦斯压力和孔 底负压的共同作用下， 钻孔周围煤体的瓦斯不断进 入钻孔被抽走， 形成以钻孔中线为轴心的类似圆形 的抽放影响圈， 抽放影响圈的半径称之为抽放影响 半径 法
［1 ］
理论， 使用者可以利用现有的模块进行任意多物理 场耦合， 也可以进行 2 次开发解决其它偏微分方程， 是直接针对偏微分方程为研究对象的大型仿真软 件。所以源自择 Comsol 软件进行数值模拟。
YANG Hong － min，RAN Yong － jin，XIA Hui － hui ( School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003 ，China) Abstract : The effective extraction influence radius is an important pursuance on determining the borehole layout parameters and evaluating drainage effect，accurate determination of which has important value in coal and gas outburst prevention． In order to determine the reasonable parameters of gas drainage for No． 2 1 coal seam in Jiulishan coal mine，it implements calculation and comparative analysis for effective extraction influence radius of soft and hard coal under different negative pressure by using the numerical simulation． Key words: negative pressure; numerical simulation; effective extraction influence radius
煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟
煤层瓦斯抽放半径及其影响因素的数值模拟徐明智;李希建【摘要】煤层瓦斯抽放半径是进行抽放方法选择,确定钻孔布置参数以及评价抽放效果的重要依据.为了确定有效抽放半径并找出其影响因素,采用数值模拟的方法,应用计算流体力学软件Fluent建立了钻孔抽放瓦斯模型.采用气体渗流理论模拟瓦斯抽放过程中的流动规律,确定了有效抽放半径,分析了钻孔直径、煤层渗透率和抽放负压对其影响的规律.结果表明:煤层瓦斯抽放有效半径为1.8m左右,钻孔直径和煤层渗透率对抽放半径影响较大,抽放负压的影响不大.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2012(038)012【总页数】3页(P28-30)【关键词】瓦斯抽放;抽放半径;Fluent;数值模拟【作者】徐明智;李希建【作者单位】贵州大学矿业学院贵阳 550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵阳 550003;贵州大学矿业学院贵阳 550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室贵阳 550003【正文语种】中文0 引言近些年来,随着我国煤矿开采深度的不断增加,煤矿瓦斯灾害问题越来越严重。
钻孔瓦斯抽放技术是防治煤与瓦斯突出的有效手段之一,瓦斯抽放半径是进行抽放方法选择,确定钻孔布置参数以及评价抽放效果的重要依据。
目前,瓦斯抽放钻孔有效半径的确定主要有以下几种方法：①采用瓦斯压力和流量为主要考察指标以及SF6示踪法进行现场直接测定;②利用有限差分法对抽放钻孔参数进行一维和二维计算;③基于瓦斯流量理论并引入启动压力梯度计算低速非线性渗流范围内的理论抽放半径。
然而,传统的现场直接测定法仅以2～3个钻孔作为测定考察孔,误差较大;如果进行多个钻孔测定,费时费力且达不到较好效果。
利用有限差分法计算过程容易出错。
基于瓦斯流态理论计算抽放半径中引入的瓦斯启动压力需要大量实验获得,难度产大。
本文介绍了采用计算流体力学软件Fluent来确定煤层瓦斯钻孔抽放的有效半径,它无需大量的时间及较高的编程技巧,是一种便捷有效的方法。
鹤煤九矿瓦斯抽采钻孔布置数值模拟及应用
图１ ３ １ ４ 工作面示意 图 ０
２ ） 煤体为均质各向同性体 。 ３ ） 含瓦斯煤体被单相 的瓦斯所饱和。 ４ ） 瓦斯可视为理想气体 ， 瓦斯渗流过程按等温 过程来 处理 。 ５ ） 吸附 瓦斯符 合 朗格 缪 尔方 程 ， 煤 层 中瓦斯 解 吸在 瞬问完成 。 ６ ） 瓦斯在 煤层 中 的流动服 从达 西定律 。
Ｐ： （ ８ ）
式（ １ ） 中， 咖 。 为瓦斯煤体 的原始孔隙率 ； Ｖ 为单位煤
体总体积 ， ｍ ； Ｖ Ｋ 为单位煤体孔 隙总体积 ， ｍ ； 为
式（ ８ （ ｍ ・ Ｐ ａ ） 。
单位煤体骨架总体积 ， ｍ 。 在煤矿开采过程中， 煤层的孔隙一 裂隙受采动影 响结构会产生 改变， 导致煤 层孔 隙率 也发生 改变。 由于煤体是由煤体骨架和孔 隙组成 ， 则瓦斯煤体在
钻 孔 预抽 煤 层 瓦斯 流 动 的数 学模 型 ， 是 通 过描 述 煤层 瓦斯 流动 的 五个 基本 方 程 来 建 立 的 ， 即煤 层 瓦斯流 动 的连续性 方程 、 煤层 瓦斯运 动方 程 、 瓦斯气
煤层渗透率 １ ． ８ × １ ０ Ｉ ｎ ， 属透气性较差煤层。
１ ． ２ 基 本假 设
＠
２ ０ １ ４ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
矿冶技术
鹤煤九矿瓦斯抽采钻孔布 置 数值模拟及应用
王 磊
（ 山西天地王坡煤业有 限公 司， 晋城 ０ ４ ８ ０ ０ ０ ）
摘
要
钻孔预抽煤层瓦斯是 目前治理矿井瓦斯的主要措 施。以瓦斯渗流理论 为基础 ， 以钻孔抽采周 围流场为 径 向流场 ， 建
１ ． ３ ． １ 煤 体孔 隙率 的动 态模 型
瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的数值计算方法
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｅ ｈｏ ｏ ｆｅ ｔｖ ａ ｎａ ｅ Ｒａ ｕｓ ｍ ｒｃ ｌＣａ ｃ ｌ ｔ ｏ Ｍ ｔ ｄ ｆＥｆ ｃ ｉ ｅ Ｄｒ ｉ ｇ ｄｉ Ｆｏ ｓ Ｄｒ ｉ ｇ ｒ ｈｏ ｅ ｒ Ｇａ ａ ｎａ ｅ Ｂｏ ｅ ｌ
ＷＡＮＧ Ｚ ａ ｈ ｏ—ｆｎ ，Ｚ ｅｇ ＨＯ Ｓ ａ Ｕ ｈ ｏ—ｈ ａ，Ｌ ｈ —ｑ ａ ｇ ｕ ＩＺ ｉ ｉｎ
（ ｅａ ｏｙ ｃｎｃＵ ｉ ｒｔ，Ｊ ｏｕ ５ ０ ，Ｃ ｉａ Ｈ ｎ ｎＰ ｌｅｈ ｉ ｎｖ ｓｙ ｉ ｚｏ４ ４ ０ ｈｎ ） ｔ ｅｉ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｋ ｎ ｅ Ｃ ｏ ｇ ｉ ｇ Ｔ ｉ ｆ ． ｎ ｓ ａ ｘ ｍｐｅ，ｉ ｏ ｉ ａｉｎ ｗｉ ｈ ｉ ａ ｕ ｅ ｎ ｓ ｔ ｅ ｌｂ ａ ｉ ｇ ｔ ｈ ｎ ｑｎ ａ ｎｕ Ｎｏ ３ Ｍｉ ｅ ａ ｎ ｅ ａ ｌ ｈ ｎ ｃ ｍｂ ｎ ｔ ｔ ｔｅ ｓｔ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ， ｈ ａ ｏ ｈ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｒｔ ａ ａｃ ｌ ｔｄ ｃ ｅ ｃｅ ｔ ， ａ ｓｕ ｙ ｗ ｓ ｏ ｄ ｃｅ ｏ ｈ ｅｆｃ ｉｅ ｒ ｉ ａ ｅ ｒ ｄ ｕ ｆ ｄｆ ｒ ｎ ａ ｕ ｅ ｎ ｈ ｏｅ ｉ ｌ ｃ ｌｕ ａｅ ｏ ｆ ｉｎ ｓ ｃ ｉ ｔ ｄ ａ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｎ ｔ ｅ ｆ ｔ ｄ ａｎ ｇ ａ ｉ ｓ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｅ ｖ ｆ
情况下 ，这种方法 比以往方法 更具优 越性 ，为快 速准２１ ０ １年第 ６期
瓦 斯 抽 采 钻孔 有 效 抽 采 半径 的数值 计 算 方 法
基于FLAC^3D的瓦斯抽采半径数值模拟方法研究
２ ． 潞安集 团 古城煤矿建设管理处 ， 山西 长治 ０ ４６ １ ０ ０ ）
摘
要： 随着高瓦斯矿井开采深度 的加深 ， 抽采任务 日益加重 ， 传统的瓦斯抽采 半径测试方 法步骤繁琐 、 耗
时长 ． 已经满足不 了要求 ， 寻找一 种快 速测试抽采半径 的方法具有重要 意义 。利用瓦斯 在煤层裂 隙结 构 中 的流动规律建立钻孔瓦斯径 向不稳定流动微分方程 ， 并建 立数值模 型模拟 煤层抽采 过余吾煤业现场实测进行模拟结果验证 。结果表 明： 利用计算机 软件 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 。 确定抽采半径 的方 法具有方便 、 快 速和准确 的特点 ， 对快速测定抽采半径和合理布置钻孔 具有重要 意义。
关键词 ： 抽采半径 ； 数值模型 ； 瓦斯压力； Ｆ Ｌ Ａ Ｃ 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｄ ７ １ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ５ — ２ ７ ９ ８ （ ２ ０ １ ５ ） １ ０ ・ ０ ０ １ ２ — ０ ３
ｌ ｉ ｓ ｈ ａ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｏ ｓ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ａ ｍ ｇ ａ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ， ｉ ｆ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ， ｗ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｏ ｌ ａ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｏ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ａ ｍ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ｆ Ｌ ＡＣ 。ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓ ｏ ｆ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
基于流固耦合的瓦斯抽采有效半径的数值模拟
击 （ ） ＋ Ｖ ． （ ） ＝ Ｑ
式中： ｔ 一时间， Ｓ
（ ２ ）
ｐ 一 瓦斯 密度 ， ｋ ｇ ／ ｍ ；
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６一 Ｏ ７一 Ｏ ３ 作者简介 ： 于 林 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 辽宁阜新人 ， ２ ０ １ ２年 毕 业 于黑 龙 江科 技 大学 ， 助 理 工程 师 ， 主要 从 事 采 煤 技 术 管 理 工 作
４ ）煤层 顶底 板 渗 透 率 远 小 于煤 层 渗 透 率 ， 并 假
设 煤层 顶底 板没 有 瓦斯 流动 ， 瓦斯 只在 煤 层 中 流 动 ，
在 压力 梯度 的作 用 下 ， 钻 孔 周 围的 瓦 斯 向钻孔 渗 流 。
随 着 瓦斯 的渗 流 ， 在 钻孔 周 围会形 成一 个 以钻孔 为 中
煤 矿井 下生 产 中最 大 的 安 全 隐患 就 是 瓦 斯 。 预 抽 煤层 瓦斯 是 防治 瓦斯危 害 的重 要手段 之 一 ， 通 过井 下 钻孔 ， 煤层 瓦 斯压 力 与 孔 底 负 压 会 产 生压 力 梯 度 ，
方程， 瓦斯在 煤层 中的流动 遵循 达西定 律 。 ３ ）煤层 温度 没 有变化 ， 即整个过 程 为等温 过程 。
ｆ Ｅ—ｍａ ｉ ｌ ） ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ｅ ｙ ｕ ｌ ｉ ｎ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ
・
４ ６・
山 西 焦 煤 科 技
２ ０ １ ６年 第 ８期
ｓ 。 一 煤 层孔 隙率 ； Ｑ 一质 量源项 ， ｋ ｇ ／ ｍ ． ｓ ．
Ｇ ＋ ＋
一 ｒ 一Ｋ ８
于 林
（ 神 华 宁 夏 煤 业 集 团金 风 煤 矿 ，宁 夏 银川 ７ ５ ０ ０ ０ ０ ）
基于COMSOL Muhiphysics的瓦斯抽采有效半径数值模拟
４ 瓦斯 在 煤 层 中 的流 动 为 层 流 运 动 ， 循 达 西 ） 遵 定律． １ ２ 钻 孔 瓦斯 流动模 型 的建 立 ．
根据 质 量守 恒定 律 ， 层 瓦斯 流动方 程 可表示 为 煤
２ ２ 几何 模型 的建 立 ． ＋ ． ｐ． ）：０． （ （） １ 由于 试 验 矿 井 瓦斯 压 力 较 低 （ ． ５ ＭＰ ） 按 照 ０ ６ ａ ，
抽采技术措施 ， 在降低工作面煤层瓦斯方面起着至关
重要 的作 用 ， 而本煤 层 钻 孔 的设 计 和布 置 的 主要 依 据 是 钻孔 的抽 采有效 半 径 ． 采有 效 半 径 是 指在 预抽 煤 抽
层 瓦斯 时 ， 煤层 瓦斯 压 力 梯 度 和钻 孔 抽 采 负 压 的共 在
同影 响作用 下 ， 孔 周 围煤 体 内的 瓦斯 不 断进 入钻 孔 钻 而被抽 走 ， 形成 了一 个 以钻 孔 为 中心 的类 圆形 的影 响 区域 工． ｊ抽采 有 效 半 径 是 影 响顺 层 钻 孔 预抽 瓦斯 效 果 的主要 因素 ， 直接 关 系 到预 抽 钻 孔 布置 密 度 和 预抽
时 间 的长 短． 采有 效半 径确定 过 大 ， 么在抽 采钻 孔 抽 那 之 间会形 成抽 采空 白区 ， 给安 全 生 产 带来 了极 大 的 事
１ 数 学模 型 的建 立
１ １ 基本假 设 ．
故隐患 ； 若抽采有效半径确定过小 ， 虽然会在一定程度 上提高瓦斯抽采率 ， 增大瓦斯抽采量 ， 但这也增加了不 必要 的钻孔施工量 ， 增加不必要的成本负担 ． Ｊ因此 ，
采 工作 中起着 至关 重要 的作用 ．
传统的钻孑 抽采半径测试方法均存在一定 的弊 Ｌ
端 ］例如 ： ， 压降 法测定 过 程 中需 要 施 工 大 量 的钻 孔 ， 且封 口测 压存在 一定 的困难 ， 而流 量 法 及 Ｓ ６气 体 示 Ｆ 踪 法等测 定方法 在确 定抽 采有效 性方 面存 在一定 的经 验性 ， 能较准 确 的确定 钻 孔 抽 采半 径 的有 效抽 采 范 不 围， 随着 国内外 研究 学 者对 煤 层 瓦 斯 流 动理 论 研究 的 不 断成熟 ， 以及计算 机模 拟 的不 断 发展 ， 算机模 拟 确 计 定钻孔 抽 采有 效 半 径 也 逐渐 成 为 了 一 种行 之有 效 的 方法 ．
采空区高位钻孔抽放瓦斯的数值模拟
在 高瓦斯 煤 层综 采 过 程 中 ， 回采 工 作 面经 常 发
生 瓦斯 超 限问题 ， 而 瓦 斯 超 限 的原 因在 于 工作 面煤 壁、 落 煤瓦斯 涌 出 以及 采空 区瓦 斯涌 出 ， 其 中采 空 区
瓦斯 涌 出是 瓦斯 超 限 的主 要 因 素 。因 此 ， 对 采空 区 瓦斯 进行抽 放是 保 障煤矿ｌ Ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｇａ ｓ Ｄｒ ａ ｉ ｎａ ｇ ｅ ｗｉ ｔ ｈ Ｈｉ ｇ ｈ－ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ Ｂｏ ｒ ｅ ｈｏ ｌ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｇｏ ｂ
Ｗｕ Ｐｅ ｎ ｇ ｈ ｕｉ ， Ｓ ｕ ｎ Ｂａ ｏ ｘ ｕ ｅ
为 一６ ０ ０～一 ６ ５ ０ ｍ。煤层厚 度 ２ ． ２～７ ． ２ ｍ， 平 均 厚
４ ． ６ ｍ。煤层 结 构简单 ， 煤层 黑 色 ， 强 玻璃 光泽 ， 中一
宽条 带状结 构 ， 亮煤 为 主 ， 夹 矸 为 ｌ层厚 ０ ． ４ ５ ｍ 的
泥岩 ， 夹矸 下 为厚 ３ ． ６ ５ ｍ 的煤 ， 煤 层倾 角 ２ 。 ～ｌ ０ 。 ， 平均 倾角 ５ 。 。该 工 作 面 采 用 走 向长 壁 一 次 采 全 高 后退 式综 合 机 械 化 采 煤 法 ， 全部垮 落法控制顶板。 该工 作 面 布 置 了 ３条 巷 道 ， 为“ 两 进 一 回” 通 风 方
（ Ｓ ｈ ｏ ｕ ｓ ｈ ａ ｎ Ｎ ｏ ． １ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｍｉ ｎ ｅ ｉ ｎ Ｐ ｉ ｎ ｇ ｂ ａ ｏ Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｎ ｙ ， Ｐ ｉ ｎ ｇ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ｎ Ｃ ｏ ａ ｌ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｘ ｕ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ４ ５ ２ ６ ７ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
基于COMOSOL的顺层钻孔有效抽采半径的数值模拟
同抽采条件下的有效抽采半径， 还能够大大地节省 。 测定抽采半径的时间 1 矿井概况
是指在规定时间内以抽
采钻孔为中心， 该半径范围内的瓦斯压力或含量降 到安全容许值的范围。钻孔的有效抽采半径是抽采 时间、 抽采负压、 瓦斯压力、 煤层透气性系数以及煤 吸附性能、 抽采负压的函数。 层原始瓦斯压力、 2． 2 瓦斯流动理论方程 根据 周 世 宁 院 士 的 煤 层 瓦 斯 赋 存 与 渗 透 理
· 4·
（ 第 43 卷第 10 期）
试验·研究
基于 COMOSOL 的顺层钻孔有效抽采半径 的数值模拟
王兆丰， 李炎涛， 夏会辉， 谭蓉晖
（ 河南理工大学， 河南 焦作 454003 ）
摘
要： 为了能够准确地确定顺层瓦斯抽采钻孔的有效抽采半径 ， 以煤层瓦斯赋存及瓦斯流动理 论为基础， 根据达西定律和质量守恒定律， 以钻孔周围煤体瓦斯流动场为研究对象， 建立了顺层
［6 ］
（ 2012 － 10 ）
· 5·
间有关） 和稳定流场（ 瓦斯流动与时间无关） 2 类。 这里采用不稳定流动理论来推导瓦斯流动方程 ， 并 做出以下假设： ① 顺层瓦斯抽采钻孔假设为单向不 因 稳定流动； ②煤层顶底板透气性比煤层要小得多 ， 此， 将煤层顶底板视为不透气岩层； ③瓦斯可视为理 想气体， 瓦斯渗流过程按等温过程来处理 ； ④吸附瓦 斯符合朗格缪尔方程， 瓦斯解吸在瞬间完成； ⑤煤层 各向同性， 透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力 变化的影响， 但在巷道及钻孔周围的卸压范围内增 大； ⑥瓦斯在煤层中的流动服从达西定律 。 2． 3 瓦斯流动方程的建立 根据达西定律和质量守恒定律， 瓦斯在煤层孔 ［7 ］ 隙裂隙系统中进行单向非稳定线性渗透流动 ， 在 流场中存在如下方程： K p M + （ （ ） ） = 0 t μ x — —煤层瓦斯含量， m3 / t ； 式中： M— t— — —瓦斯在煤层中的流动时间， d； K— — —煤层透气率， m2 ； — —瓦斯动力黏度， Pa·s； μ— p— — —计算煤层透气性系数地点的瓦斯压力 ， MPa。 而煤层瓦斯含量与瓦斯压力存在如下关系 ： M = c· abp + 10 φp 1 + bp γ 1 100 － W － A （ 2） c = 1 + 0 ． 31 W · 100 λ = K 2 μp0 — —吸附常数， m / （ t ·r ） ； 式中： a— b— — —吸附常数， MPa － 1 ； W— — —水分， %； A— — —灰分， %； — —孔隙率， %； φ— — —视密度， m3 / t ； γ— — —煤层透气性系数， m2 / （ MPa2 ·d） ； λ— p0 — — —标 准 状 况 下 的 大 气 压 力， 0． 101 325 MPa。 令U=p ， 则式（ 2 ） 可化为： abc 5 φ U M =（ + ） 2 t 2槡 U（ 1 + b 槡 U） U γ t 槡 将式（ 1 ） 、 式（ 3 ） 联立可得：
顺层单钻孔抽采瓦斯的数值模拟分析
顺层单钻孔抽采瓦斯的数值模拟分析孙志刚【摘要】本文根据中兴煤业315 工作面运输巷实际情况,利用Comsol-Multiphysics 软件建立相关的流固耦合模型.通过数值模拟,得出顺层单钻孔形成的卸压带、钻孔瓦斯流量以及钻孔瓦斯流量衰减系数三个方面的相关数据,并将所得数据与现场实测数据对比.结果表明:煤体单钻孔在12MPa 上覆地层压力作用下形成的卸压区约为0.3m;钻孔瓦斯流量随时间衰减先快后慢,大约在50min 后趋于稳定;钻孔瓦斯流量速度随时间先快后慢.瓦斯钻孔及瓦斯参数与现场实际规律相符合.%According to the actual situation of the transportation lane in Zhongxing coal industry 315 working face, this paper establishes the relevant fluid-solid coupling model with Comsol-Multiphysics software. By numerical simulation, the data related to pressure relief belt, borehole gas flow rate and gas flow attenuation is obtained and a comparison is made between obtained data and field measured data. The results show that the pressure relief zone formed under the effect of the overlying strata pressure on 12MPa is about 0. 3m; The borehole gas flow decreases with time and then slows down, and tends to stabilize after about 50min. The velocity of borehole gas flow is slow after time. The gas drilling and gas parameters are in accordance with the actual laws of the field.【期刊名称】《山东煤炭科技》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】4页(P94-96,99)【关键词】顺层钻孔;抽采瓦斯;数值模拟【作者】孙志刚【作者单位】山西汾西矿业集团中兴煤业,山西交城 030500【正文语种】中文【中图分类】TD712+.6利用计算机对钻孔瓦斯抽采下的瓦斯渗流进行数值模拟的，可以方便快捷地得出与实际物理过程相接近的模拟结果，对工程中实际钻孔抽采瓦斯具有普遍的理论指导意义[1-3]。
钻孔直径影响瓦斯抽采效果的数值模拟
钻孔直径影响瓦斯抽采效果的数值模拟陈波仁【摘要】瓦斯抽采效果的优劣直接关系到工作面瓦斯抽采时间的长短，进而影响到整个矿井工作面的接替。
文章采用数值模拟的方法分析钻孔直径对瓦斯抽采效果的影响，为瓦斯抽采效果的提升提供科学的依据，对缓解矿井工作面接替紧张局面具有重要价值。
%The merits of gas extraction effect is directly related to the duration of gas drainage ,thereby affecting the entire mine face to succeed.In this paper,the numerical simulation is used to analysis the effect of gas drainage under different hole diameter ,to provide a scientific basis for enhance the effect of gas drainage ,there is great value in relieving tensions of mine face to succeed .【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】3页(P13-15)【关键词】钻孔直径;数值模拟;瓦斯抽采【作者】陈波仁【作者单位】保利能源山西分公司通防部，山西晋中 031300【正文语种】中文【中图分类】TD712.62我国具备开采保护层条件的突出矿井较少，大约仅有三分之一［1］。
《防治煤与瓦斯突出规定》［2］第四十一条第一款规定:“突出危险区的煤层不具备开采保护层条件的，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施”。
因此，瓦斯抽采效果的优劣成为制约区域防突措施是否有效的关键因素，瓦斯抽采效果的提升对缓解矿井工作面接替紧张局面、提高煤矿效益起着至关重要的作用。
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煤层钻孔瓦斯抽采半径数值模拟
为了寻求合理的钻孔抽采半径，采用数值模拟方法，应用Comsol Multiphysics软件对所建立的钻孔瓦斯抽采几何模型进行数值解算。
由数值解算结果可知：随着抽采时间的延长，钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐减小；对钻孔周围煤体瓦斯流动的时效性进行了研究，确定了不同抽采时间段的有效半径，为合理确定抽采钻孔数量和提高抽采量提供依据。
标签：抽采钻孔；数值模拟；渗透率；瓦斯压力
1 模型的建立
假设钻孔周围煤体瓦斯流动符合Darcy Law，视瓦斯为理想气体，按照等温过程来处理瓦斯气体流动过程，煤层顶底板为不透气岩层，瓦斯仅在煤层中流动，基于理想气体状态方程和Darcy Law建立钻孔周围煤体瓦斯运动的动力力学模型，用于模拟钻孔周围煤体的瓦斯流动规律[4，6]。
1.1 几何模型
本次抽采半径的数值模拟可采取二维平面模型进行模拟计算。
建立模型如图l所示：模型高（煤层厚度）为3m，长为80m，模型底部的边界固定，左右两侧的边界为竖直自由边界，顶部加载上覆岩层重力，顶部应力为8.04MPa，钻孔半径为94mm，抽采负压为13kPa，瓦斯压力为1.03MPa，钻孔布置在模型中心位置，取H方向为y轴方向，L方向为x轴方向。
1.1.1 数值计算模型
选取抽采钻孔的俯视方向断面对其进行研究，几何模型如图1所示。
图1 均质煤层单孔抽采模型
1.1.2 网格划分
网格为默认自由网格并进行细化，如图2所示。
1.2 模型选择和边界条件
初始条件：煤体内部初始瓦斯压力P（x，y）=1.03MPa，初始应力场位移ui=0，（i=1，2）。
边界条件：根据假设条件瓦斯气体只在煤层中流动，渗流场边界条件为：
（1）
2 应用实例
为了能够得到钻孔周围煤体的抽采有效半径，依据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽采规范》的规定，煤层预抽率要求为30%，即残余瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%，此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力值的49%，瓦斯压力下降51%。
该矿煤层瓦斯压力为1.03MPa，即采取抽采措施后，瓦斯压力下降到0.50MPa的区域为有效抽采半径[7]，利用模拟软件对所建立的几何模型进行数值计算，在对瓦斯抽采半径进行数值计算前，依据煤层的初始地应力、初始瓦斯压力、煤的单轴抗压强度、内摩擦角、泊松比、煤的初始孔隙率、透气性系数等参数对抽采时间为0d、30d、60d、90d、120d的钻孔周围瓦斯压力分布规律和抽采半径进行数值模拟，如图3和图4所示。
图3 不同抽采时间钻孔瓦斯压力分布曲线图
图4 抽采时间与抽采半径关系曲线
从图3和图4可以看出，随着抽采时间的延长，钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐降低；同时，钻孔抽采半径逐渐增大，抽采30d时半径为0.36m，抽采60d时半径为0.58m，抽采90d时达到0.81m，抽采120d时增大到1.04m。
3 结束语
文章利用Comsol Multiphysics软件对煤层抽采钻孔进行了模拟，得到以下结论：通过对不同抽采时间钻孔周围煤体瓦斯压力分布规律进行分析，得出了随着时间的延长，煤层中的瓦斯压力逐渐下降；同时，随着抽采时间的延长，钻孔抽采瓦斯的抽采半径均逐渐增大，抽采半径增大的速率逐渐减缓。
参考文献
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