基于COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟
瓦斯隧道快速揭煤钻孔布置优化设计新方法
（a）传统钻孔布置方式（b）三花眼钻孔布置方式图1 煤层钻孔布置图图2 圆内接六边形绘制过程图作图步骤：（1）绘制有效抽采半径为R的圆O。
作圆O的圆内接六边形ABCDEF。
（2）连接线段AC，线段EF，作相切线段ACEF，有效抽采半径为R的圆J。
（3）连接线段BD，作相切于线段AC和线段有效抽采半径为R的圆K。
（4）依次连接各线段，依据相同作法，作圆L，I，即圆内接六边形钻孔布置图。
传统钻孔布置间距过大会形成瓦斯抽采空白带，导致部分区域瓦斯含量和瓦斯压力未降到安全值，影响施工过程安全生产。
钻孔布置间距过小，会造成钻孔数量增多，从而导致部分区域重复抽采，造成大量资源的浪费。
本次优化依据分析同一区域上的钻孔数量和抽采面积冗余度进行分析，优选出最佳实施方案。
抽采钻孔个数分析图3 圆内接四边形钻孔布置圆内接四边形为消除图1a沿煤层走向单排布置钻孔，沿煤层倾向单排布置n个钻孔所形成的空白带，需要沿煤层走向单排需多布置（m-1）个，沿煤层倾向单排需多布置（n-1）个，则圆内接四边形钻孔数量1mn m n−−+式中，Y为钻孔数量，个；m为沿煤层走向单排布置钻孔数量，个；n为沿煤层倾向单排布置钻孔数量，个。
（2）作圆内接六边形的钻孔布置方式，确定优化钻由图4几何关系可知三角形MNQ为等边三角形，故根据几何关系求得NQ=3R，MP=1.5R，煤层沿走向，倾向的布孔数分别为：M、N、Q-有效抽采半径的圆心O-M、N、Q为圆心的三个圆的交点，P-线段NQ交点图4 圆内接六边形钻孔布置(1)22=(1)33m R mR−×−（2）(1)24(1)1.53n R nR−×=−（3）式中，R为有效抽采半径，m。
式（2）和式（3）相乘得到圆内接六边形钻孔数量：8(1)33Y mn m n−−+（4）（3）作圆内接八边形钻孔布置方式，利用圆内接八边形优化钻孔间距（图5所示）可确定圆内接八边形优化钻孔个数。
依据相同的构造几何关系方式，易求得圆内接八边形构造的三角形为顶角（∠WUV）为45°的等腰三角形。
定向长钻孔孔内负压分布及其有效抽采半径研究
霍晶晶;王斌宇;吴泽平
【期刊名称】《煤炭技术》
【年(卷),期】2024(43)4
【摘 要】为了解决定向长钻孔孔内负压分布模型不准确,长钻孔瓦斯抽采参数理论依据不足等问题,通过分析抽采负压与煤层瓦斯流动的关系,构建了定向长钻孔孔内负压分布模型,利用COMSOL软件数值模拟了定向长钻孔孔内负压非定常分布的有效抽采半径,并提出了“压茬效应”这一概念。研究结果表明:孔口负压与定向长钻孔孔内负压大小呈正比。在不同孔口负压下,分支长钻孔孔内负压与钻孔长度均呈线性关系,负压损失量和百米负压损失均随钻孔长度的增大而增大。提出了“压茬效应”这一概念,将定向长钻孔末端100 m的钻孔作为压茬钻孔,在瓦斯抽采效果检验时不做检验。同时,将钻孔孔深700 m处的有效抽采半径作为定向长钻孔的最终有效抽采半径。最后,利用残余瓦斯含量法得出某矿定向长钻孔抽采180 d的有效抽采半径为5.0 m,与数值模拟结果保持一致。
【总页数】5页(P204-208)
【作 者】霍晶晶;王斌宇;吴泽平
【作者单位】潞安化工集团寺家庄公司;河南理工大学安全科学与工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TD712
【相关文献】Βιβλιοθήκη 1.突出煤层瓦斯抽采钻孔有效半径与孔壁变形关系研究2.负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究3.群孔瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的模拟与优化4.坚硬顶板定向长钻孔水力压裂卸压瓦斯抽采研究5.顺层钻孔有效抽采半径影响因素及布孔间距研究
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高位钻孔瓦斯抽采参数的优化
高位钻孔瓦斯抽采参数的优化
张国华;柳杨;李子波;李豫波;荆珂
【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》
【年(卷),期】2024(34)2
【摘要】为防治综采工作面上隅角瓦斯超限,提高瓦斯抽采效率,以平岗煤矿为例对象,依据采动裂隙“O”形圈理论确定高位钻场及钻孔位置,采用COMSOL模拟软件分析钻孔参数对瓦斯抽采效果的影响,优化钻孔参数,并进行现场应用。
结果表明:高位钻场位置为煤层上方20 m,钻场间距70 m,压茬长度不小于35 m,钻孔平距不大于37 m;钻孔仰角控制在-3°~6°,钻孔方位角控制在0°~16°,钻孔数量为4;现场应用表明,经钻孔抽采参数优化,抽采瓦斯纯流量由3.8 m^(3)/min提升至8.1
m^(3)/min;钻孔抽取瓦斯浓度由17.53%增加到45.99%,工作面上隅角瓦斯浓度由0.94%下降到0.33%,工作面瓦斯浓度由0.88%减少到0.27%,回风巷瓦斯浓度由0.83%下降到0.24%。
【总页数】9页(P163-170)
【作者】张国华;柳杨;李子波;李豫波;荆珂
【作者单位】黑龙江科技大学;黑龙江科技大学矿业工程学院;黑龙江科技大学安全工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD712
【相关文献】
1.顶板来压规律对高位钻孔瓦斯抽采浓度的影响及抽采钻孔参数优化
2.瓦斯抽采高位钻孔参数优化技术研究与应用
3.水压预裂工作面瓦斯抽采高位钻孔参数优化及应用
4.综放工作面高位瓦斯抽采钻孔布置参数优化
5.基于主应力判定的高位钻孔抽采瓦斯参数优化研究
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瓦斯抽放钻孔有效性抽放半径的测定方法
瓦斯抽放钻孔有效性抽放半径的测定方法
目前应用的钻孔瓦斯抽放影响半径的测试方法主要有钻孔测试法和计算机模拟法及二者相结合的方法。
在有效性指标的确定上，钻孔测试法国内外采用的指标主要有以下三种：瓦斯压力指标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指标。
计算机模拟法主要应用的指标有含量指标和压力指标。
压力指标法
用压力指标来测定钻孔的有效半径的方法：首先在煤层打一排测压孔，如图l 所示( 2 、3 、4 ⋯⋯均为测压孔，d 、d ⋯⋯d 为相邻测压孔之间的距离) ；然后在测压孔上装入压力表，再将测压孔封闭严密，当压力稳定后在2号孔一侧打抽放钻孔，为1 号孔，并在1 号孔进行抽放，定期观察测压孔的瓦斯压力。
如果n( n = 2 、3 ⋯⋯n) 号测压孔以及a号测压孔之前的测压孔的压力均小于预抽瓦斯有效性指标，而。
号孔之后的测压孔的压力大于P0，那么d = d + d2 + d3+ ⋯⋯+ d a，这里的d 就是钻孔的有效抽放半径。
1
图
根据进行瓦斯含量测定同时进行的瓦斯压力测定结果显示，抽放钻孔间距三米完全符合压力指标测定钻孔有效半径控制范围，11332运输巷和回风巷所施工钻孔控制范围符合有效半径控制要求。
基于COMSOL的采空区瓦斯抽采数值模拟研究
基于COMSOL的采空区瓦斯抽采数值模拟研究胡延伟;孙路路;江城浩;黄腾瑶;陈连军【摘要】为了研究采空区内瓦斯达到稳定后的分布规律,从而确定瓦斯抽采巷道的位置,结合孔庄煤矿7433工作面实例,基于“O型圈”理论,采用分块赋值孔隙率的方法,通过COMSOL有限元分析软件对采空区瓦斯分布规律进行了数值模拟.模拟结果表明:工作面漏风不断流入采空区与瓦斯持续解吸涌出形成了1个动态平衡结果;7433工作面回采至180 m处时瓦斯富集,可以确定瓦斯抽采巷处于裂隙带上,瓦斯抽采巷道内错距离在10～30 m范围时抽采效果达到最优.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】5页(P167-170,174)【关键词】采空区;瓦斯分布;瓦斯抽采;瓦斯涌出;数值模拟【作者】胡延伟;孙路路;江城浩;黄腾瑶;陈连军【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TD712随着我国煤矿开采逐渐向深部发展，地质环境受多种因素影响，瓦斯已经成为威胁煤矿安全生产及工人生命安全的最重要因素[1-3]。
瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的主要技术措施之一，但由于相应的瓦斯抽采理论的匮乏以及研究手段的制约，导致采空区瓦斯抽采这一手段的利用相对滞后，尤其是对位于工作面后方的采空区，其具有人员不能进入且很难被常规方法处理的特殊性及困难性，应用模拟仿真的方法来解决这一问题已经成为当前研究领域一种主流研究方法[4-6]，除此以外采空区内的瓦斯涌出运移过程极其其复杂，往往涉及到高阶非线性的偏微分方程，针对以上所提主要问题，采用多物理场仿真模拟软件COMSOL Multiphysics来模拟[7]采空区内瓦斯动态平衡后的分布规律，为确定采空区瓦斯治理提供依据使采空区瓦斯分布规律特征的理论讨论更趋向于完善。
comsol软件文档资料集锦(四)
瓦斯流动特征出发，采用数值模拟方法对保护层工作面上覆岩层和被保护层
应力分布、瓦斯运移规律进行深入研究，并利用平面应变压缩实验得出了二1 煤应力作用下煤体渗透性特征。在此基础上，结合瓦斯卸压流动理论，构建
了基于COMSOL的近距离下保护层开采瓦斯流动耦合模型；通过孔隙度、孔隙
压力传递煤层变形与瓦斯运移之间耦合作用，将Navier-Stokes和Brinkman
于封孔、测试过程繁琐等缺点,能够简便且较准确的确定抽采有效半径,为工
程实际提供理论依据。
11.基于COMSOL的波纹管孔道压浆缺陷仿真分析
通过超声波信号检测波纹管孔道压浆密实度,运用COMSOL Multiphysics软件 对有无空气泡缺陷及不同空气泡缺陷位置的4种模型进行了仿真.研究了4种模 型对接收透射信号时域波形及频谱的影响及不同模型对接收信号能量的影响. 结果表明,在无缺陷的钢绞线模型中,超声波能量主要集中在钢绞线的中后方; 在有缺陷钢绞线模型中,超声波能量主要集中在空气泡缺陷的左方.换能器接 收到的无缺陷模型信号的时频域幅值远大于有缺陷模型的幅值,不同位置处的 空气泡缺陷模型接收的时频域信号幅值相差不大,该方法可以有效地判断出孔 道中有无缺陷.
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流动形式与瓦斯扩散的菲克定律有机联系在一起；利用COMSOL Multiphysics 软件求解得到整个流场瓦斯分布与运移规律，并实现了结果的可视化；利用
该模型对豫西矿区不同覆岩条件下保护层开采效果进行预测，证明了模型的
合理性，并将模型扩展应用到瓦斯专排巷的位置选择、工作面通风方式优劣 的对比判断中。
comsol软件文档资料集锦 （四）
更新时间：2014-12-10
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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
平行钻孔有效抽采半径及合理钻孔间距研究
平行钻孔有效抽采半径及合理钻孔间距研究桑乃文;杨胜强;宋亚伟【摘要】为确定平行钻孔瓦斯抽采合理钻孔间距,通过推导煤层瓦斯运移方程、煤岩体变形方程及渗流场与应力场耦合方程,建立了瓦斯抽采流固耦合模型;根据某矿21219工作面实际地质条件,利用COMSOLMultiphysics软件对平行钻孔间抽采叠加效应影响下瓦斯压力、有效抽采半径的变化规律进行了数值模拟研究,并结合钻孔有效抽采半径,得出了合理的钻孔间距.数值模拟结果表明,随着钻孔间距的增大,抽采后煤体瓦斯压力增大;随着煤体距钻孔距离减小,煤体瓦斯压力呈先缓慢减小、后快速下降的趋势;随着抽采时间的增加,瓦斯压力不断降低,钻孔有效抽采半径变大.现场应用结果验证了钻孔间距布置的合理性.【期刊名称】《工矿自动化》【年(卷),期】2019(045)006【总页数】5页(P58-62)【关键词】煤炭开采;瓦斯抽采;平行钻孔抽采;有效抽采半径;抽采叠加效应;钻孔间距【作者】桑乃文;杨胜强;宋亚伟【作者单位】中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TD712.60 引言平行钻孔抽采是针对无保护层开采突出矿井的一种基本防突措施。
在钻孔抽采设计中，钻孔间距是重要参数。
当钻孔间距过大，在抽采范围内容易导致瓦斯抽采不彻底、回采过程中瓦斯涌出量较大甚至瓦斯超限等问题；当钻孔间距过小，在工程上造成浪费，还可能出现“串孔”等问题。
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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
I S S N１６７１－２９００
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
．c o m .
５
５㊀乔飞云:㊀基于C OM S O L 的瓦斯抽采半径数值模拟。