基于COMOSOL的顺层钻孔有效抽采半径的数值模拟
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;李永军;刘飞【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.【期刊名称】《煤矿现代化》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】3页(P194-196)【关键词】开采煤层;瓦斯抽采;数值模拟;抽采半径【作者】崔永青;李永军;刘飞【作者单位】山西马堡煤业有限公司, 山西长治046013;山西马堡煤业有限公司, 山西长治046013;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【正文语种】中文【中图分类】TD7120 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]。
钻孔有效可抽范围：在规定或允许的时间内，煤层瓦斯压力下降到安全容许值的点到抽采钻孔中心的距离。
抽采钻孔间距的选择是影响瓦斯抽采效率的一个重要的因素[2]。
钻孔间距合理，对钻孔布置和提高整个煤层的瓦斯抽采率具有重要意义。
每个钻孔在某一流动时间内都有自己控制的一个瓦斯流动场[3]，所以只有在流动场内相互不受干扰时增加钻孔密度，才能经济有效的提高煤层瓦斯抽采量[4]。
1 概况马堡矿隶属于晋能集团，目前主采煤层为15号煤层，生产规模150万t/a，开采深度标高由+1220m～+660m，批准开采面积为12.8688km2，矿井绝对斯涌出量高达58.17m3/min。
矿井现阶段开采进入井田深部区域，生产期间瓦斯问题是矿井面临的主要问题之一。
司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践
收稿日期:2023 05 21基金项目:国家自然科学基金(52274192)作者简介:牛金明(1973-),男,山西高平人,工程师,从事煤矿技术管理工作㊂doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.12.001司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践牛金明,李金华(山西潞安集团司马煤业公司,山西长治㊀047105)摘㊀要:司马煤矿井下瓦斯抽采缺乏理论以及实践支持,导致矿井3号煤层的瓦斯抽采效果时常达不到预期㊂因此,文章利用了COMSOL Multiphysics 数值模拟软件对3号煤层瓦斯抽采半径进行了模拟优化,并利用瓦斯压力降低法,在1208运巷进行了工程验证,最终得到该3号煤层的最佳瓦斯抽采天数为60~80d,同时选择抽采半径为2~3m 时较为合适㊂综合考虑抽采成本和抽采标准要求,最终确定抽采时间为60d,钻孔间距为4~5m,1208工作面的煤层瓦斯压力可以降至原始压力的60%以下㊂关键词:数值模拟;瓦斯治理;有效抽采半径;压降法中图分类号:TD712㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1005 2798(2023)12 0001 05Optimization and Practice of Gas Extraction Radius in No.3Coal Seam of Sima Coal MineNIU Jinming,LI Jinhua(Sima Mining Company of Shanxi Lu 'an Group ,Changzhi ㊀047105,China )Abstract :The lack of theoretical and practical support for underground gas extraction in Sima Coal Mine leads to the effect of gas ex-traction in No.3coal seam often fails to meet expectations.Therefore,in this paper,COMSOL Multiphysics numerical simulation soft-ware was used to simulate and optimize the gas extraction radius of No.3coal seam,and the gas pressure reduction method was used to carry out engineering verification in roadway 1208.Finally,the optimal gas extraction days of the No.3coal seam were 60~80days.At the same time,it is more suitable when the extraction radius is 2~3m.Considering the extraction cost and extraction standard require-ments,it is finally determined that the extraction time is 60days,the drilling distance is 4~5m,and the coal seam gas pressure at the working face of 1208can be less than 60%of the original pressure.Key words :numerical simulation;gas control;effective extraction radius;pressure drop method㊀㊀瓦斯抽采技术在我国历经几十年发展,煤矿瓦斯灾害防治方面具有举足轻重的作用[1-2]㊂瓦斯灾害严重威胁煤矿安全生产,目前多采用瓦斯抽采的方法从根本上对瓦斯灾害进行治理[3-4]㊂其中,钻孔抽采是最常用的抽采技术措施[5-6],钻孔间距是影响瓦斯抽采效果的重要参数,合理的钻孔间距布置既可以避免抽采空白区,又可以有效降低抽采成本[7-8]㊂基于此,Wu Bing 等[9]利用FLAC 3D 软件,进行了井下瓦斯抽采模拟,并通过现场试验进行验证,发现模拟结果与测试结果基本一致㊂王兆丰等[10]通过数值模拟的方法计算了瓦斯抽采钻孔的合理抽采负压和有效抽采半径㊂Liu 等[11]分析瓦斯抽采过程中多个钻孔的叠加效应,发现多个钻孔同时抽采会影响单个钻孔的抽采效率和影响范围㊂陈月霞等[12]以有效抽采半径㊁叠加效应㊁三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法,为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考㊂综上所述,瓦斯抽采钻孔的布置应基于其有效抽采半径,并兼顾瓦斯抽采效果和工程成本[13]㊂司马煤业由于煤层地质构造复杂㊁透气性差,是低瓦斯难抽采煤层的典型代表[14-15]㊂由于缺乏理论以及实践支撑,导致矿井的瓦斯抽采效果达不到预期,影响煤矿的安全开采㊂因此本文依据实测储层参数,采用了COMSOL Multiphysics 数值模拟软件对司马煤业3号瓦斯有效抽采半径进行模拟优化,㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷㊀第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年12月并通过瓦斯压力降低法,在1208运巷610~710m处展开试验,得到该3号煤层的瓦斯抽采有效半径,对模拟优化结果进行了验证,为司马煤业3号煤层瓦斯抽采方案设计提供借鉴㊂1㊀瓦斯地质特征1.1㊀构造特征司马煤业位于山西省东南部,沁水煤田的东部,长治以南4km,井田位于晋(城)~获(鹿)褶断带南段的主要构造形迹长治大断裂的西侧,西接武~阳凹褶带,构造形迹呈 多 字型排列规律㊂井田总体呈一走向NNE,倾向NW,倾角4ʎ的单斜构造,并伴有宽缓褶曲和少量断裂构造,无岩浆岩侵入[16]㊂1.2㊀煤层及瓦斯3号煤层位于山西组中下部,为当前主采煤层[17],煤层平均埋深440m,煤层厚5.47~7.80m,平均6.62m.3号煤最大镜质组反射率为1.67%~ 1.83%,属贫煤-贫瘦煤;煤体结构以碎裂煤为主,实测煤体坚固性系数为0.60~0.68,瓦斯放散初速度为12.8~16.0;3号煤层瓦斯吸附常数a介于34.15~38.36m3/t,b介于0.58~0.68MPa-1.矿井在3号煤层1208运输巷和1303回风巷实测瓦斯含量4.38~6.02m3/t,实测瓦斯压力0.20~ 0.43MPa.2㊀瓦斯抽采半径数值模拟优化2.1㊀物理模型建立本文主要利用了COMSOL Multiphysics数值模拟软件对瓦斯抽采半径模拟优化,通过建立模型,对实测参数进行数值模拟计算,并根据数值模拟计算的结果进行分析,确定合适的钻孔间距以及抽采时间㊂模型模型长ˑ高为20mˑ6m,孔径深度和直径分别为120m和94mm,煤层埋深440m,垂直方向承载上覆岩层的重力作用于图中AB面,为10MPa,两侧边界AC面㊁BD面受侧压力影响,为2.5MPa,煤层初始瓦斯压力赋值0.51MPa,煤层瓦斯含量6.02m3/t.图1㊀垂直于钻孔的煤体几何模型依据实验室测试以及现场实测数据确定数值计算的关键参数如表1所示㊂表1㊀3号煤层基本参数物理量含义参数值φ0初始孔隙度 6.39%p0初始瓦斯压力/MPa0.51ρs0煤初始密度/(g㊃cm-3) 1.47k m煤岩基质的弹性模量/MPa 2.15ˑ103μ0瓦斯初始动力粘度/(Pa㊃s-1) 1.43ˑ10-5k0煤层初始渗透率/mD 4.453 2.2㊀数值模拟结果分析本次建立孔群抽采的数值模型,分析不同钻孔间距(4m㊁5m㊁6m)条件下的钻孔周边煤层瓦斯压力实时数据㊂图2为抽采过程中1d㊁15d㊁30d和90d 时,不同间距抽采下垂向煤层瓦斯压力分布云图㊂图2㊀不同孔距垂向钻孔瓦斯抽采压力分布㊀㊀不同孔距抽采瓦斯监测点瓦斯压力变化曲线如图3所示㊂由图可知:1)㊀测试点的瓦斯压力随抽采时间的增大而降低,且瓦斯压力的降低速率整体上随时间的增大而减小,即呈现出减速降低的趋势㊂2)㊀抽采前7d瓦斯压力降低的趋势较为明2㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷显,当超过30d后,瓦斯压力降低的速率变化较小,基本呈现出线性减低的趋势㊂3)㊀不同钻孔间距情况下,瓦斯压力降低基本呈现出相同的降低趋势㊂钻孔间距越小,瓦斯压力越小,即增加抽采孔的密度可有效减低瓦斯压力㊂图3㊀不同孔距抽采瓦斯监测点瓦斯压力变化曲线不同孔距抽采瓦斯压力随时间变化曲线如图4所示,由图可知:1)㊀煤层内的瓦斯残存压力随钻孔间距的增大而增大,并随抽采时间的增大而减小;2)㊀相比于抽采30~60d,抽采60~90d的煤层残存压力变化较小,这表明在抽采60d后煤层残存压力趋向于稳定;3)㊀‘煤矿瓦斯抽采达标暂行规定“要求抽采后的瓦斯压力应降低至原煤层瓦斯压力的60%以下,在抽采60d后,孔距为4m㊁5m和6m的情况下,瓦斯压力分别降低至初始值的47%㊁53%和63%.图4㊀不同孔距抽采瓦斯压力随时间变化曲线3㊀瓦斯抽采半径测试采用有效抽采半径的方法对司马煤矿3号煤层二采区1208运巷进行模拟研究㊂3.1㊀测试方法可以按照不同矿井的实际条件选择合适的瓦斯抽采半径测试方法,目前对钻孔瓦斯抽采有效半径的测定应用主要为现场测试法,但考虑到司马煤业的现场实际操作条件复杂,选用钻孔瓦斯压力下降法对3号煤层的瓦斯抽采半径进行考察,选用抛物线方程来近似取代煤层瓦斯含量曲线:X=a P(1)式中:X为瓦斯含量,kg/m3;a为煤层瓦斯含量系数;P为瓦斯压力,MPa.3第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀牛金明,等:司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀按照‘煤矿安全规程“㊁‘煤矿瓦斯抽采基本指标“等要求煤层瓦斯预抽率要大于30%.瓦斯压力代入瓦斯含量可得,当瓦斯预抽率为30%以上时,抽采后的残余瓦斯压力应小于原始瓦斯压力49%.即瓦斯压力下降量应大于原始瓦斯压力的51%,基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术依据该原理来得出㊂3.2㊀施工方案根据司马煤业实际生产情况进行抽采钻孔设计,钻孔布置如图5所示㊂测试地点位于二采区在1208运巷610~710m 处,共布置15个钻孔,其中抽采孔10个,测压孔5个(分别为1~5号孔)㊂各组测压孔与抽采孔间距依次取1.5m㊁2m㊁2.5m㊁3m 和3.5m,每组间隔25m,抽采孔和测压孔倾角均为5ʎ,方位垂直于煤壁,封孔长度均为50m,孔深均为65m,开孔高度1.7m,钻孔直径94mm.首先施工Φ94mm 的测压钻孔,压力测定采用4分无缝钢管,封孔深度为45m,采用1.0MPa 标准压力表㊂测试点钻孔布置如图5所示,每天测试次数不少于1次,观测不少于80d,抽放期间要保证抽放负压基本维持稳定㊂3.3㊀测试结果测压钻孔采用被动测压法观测25d 左右,瓦斯压力稳定后,施工抽采孔并接入矿井已有的预抽管路进行瓦斯抽采㊂由于预抽钻孔的瓦斯抽采半径会受到很多因素的影响,包括煤层瓦斯压力㊁钻孔直径㊁抽采时间㊁抽采负压等因素㊂因此,本次压力测试过程中的钻孔直径为Φ94mm,测定煤层相对瓦斯压力介于0.36~0.43MPa,抽采负压为23kPa 左右,考察抽采时间最大为80d.同时对司马煤业1208运巷5个测压钻孔压力值数据进行统计,分别对测压钻孔抽采40d㊁60d㊁80d 的数据进行分析,统计数据如表2所示㊂通过数据分析得出:当抽采天数为60d 时,1号和2号压力测试钻孔中瓦斯压力下降幅度均超过51%,抽采半径为1.5m 和2m 均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,因此确定3#煤层抽采半径为2m;当抽采天数为80d 时,1号㊁2号㊁3号和4号压力测试钻孔中瓦斯压力下降幅度均超过51%,抽采半径为1.5m㊁2m㊁2.5m 和3m 均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,因此确定3号煤层抽采半径为3m.图5㊀钻孔布置图表2㊀测压钻孔瓦斯压力统计分析观察时间1号压力/MPa 降幅/%2号压力/MPa 降幅/%3号压力/MPa 降幅/%4号压力/MPa 降幅/%5号压力/MPa 降幅/%初始压力0.39-0.36-0.40-0.43-0.38-40d0.14640.16570.27320.31260.321660d0.11730.12680.21480.26380.263180d0.08790.10730.15620.24430.2436㊀㊀综合以上可知,司马煤业3号煤层抽采天数为60d 以下,选择抽采半径为2m 时较为合适;3号煤层抽采天数为60~80d,选择抽采半径为2~3m 时较为合适;3号煤层抽采天数为80d 以上,选择抽采半径为3m 时较为合适㊂通过以上对3号煤层瓦斯抽采半径实测数据统计,得到测压钻孔瓦斯压力统计表,见表3.表3㊀测压钻孔瓦斯压力统计分析参数钻孔编号1号2号3号4号考察半径/m 1.522.53初始压力/MPa 0.390.360.400.43最终压力/MPa 0.080.100.150.20下降幅度/%79.572.262.553.5下降51%天数/d273365684㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第32卷通过对表3中数据进行线性回归,得到3号煤层瓦斯抽采有效半径与抽采天数的对应关系,对应曲线图如图6所示㊂根据司马煤业3号煤层瓦斯抽采半径和抽采天数关系图得出回归方程:Y=1.5184ln(x)-3.4914,相关性为0.9724.由于本次瓦斯抽半径现场测定时间为80d,测定时间较短㊂矿方在实际生产中,可根据以上公式按照实际抽采天数判定煤层瓦斯抽采半径数值,但3号煤层最大瓦斯抽采半径不超过4.72m.图6㊀3号煤层瓦斯抽采半径与天数关系图通过现场实测3号煤层瓦斯抽采半径与数值模拟分析结果进行比较,当抽采天数为60d时,抽采半径为2.5m时满足瓦斯抽采有效半径的确定指标;当抽采天数达到90d时,抽采半径为2.5m和3m时均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标㊂现场实际测定结果与瓦斯抽采半径数值模拟结果基本相符㊂4㊀结㊀语1)㊀根据模拟结果,司马煤业3号煤层在抽采60d以后,瓦斯压力的下降幅度趋于缓慢,从经济角度考虑合理抽采时间为60d.抽采60d后,在钻孔间距为4m以及5m的情况下,瓦斯压力可降至煤层瓦斯原始压力的60%以下,布置4~5m孔距符合瓦斯抽采标准㊂2)㊀根据实测数据,当抽采天数为60d时,抽采半径为1.5m和2m均满足瓦斯抽采有效半径的确定指标,确定3号煤层抽采半径为2m;当抽采天数为80d时,抽采半径3m可满足瓦斯抽采有效半径的确定指标㊂3)㊀模拟结果与实测数据基本吻合,可确定为司马煤业3号煤层最佳抽采天数为60~80d,同时选择抽采半径为2~3m时较为合适;可按照实际抽采天数判定煤层瓦斯抽采半径数值,但3号煤层最大瓦斯抽采半径不超过4.72m.参考文献:[1]㊀王登科,唐家豪,魏建平,等.煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析[J].煤炭学报,2023,48(2):763-775.[2]㊀周福宝,刘㊀春,夏同强,等.煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略[J].煤炭学报,2019,44(8):2377-2387.[3]㊀杜文辉.多煤层快速立体瓦斯抽采工艺研究与应用[J].煤炭技术,2023,42(1):184-187.[4]㊀李泉新,姚㊀克,方㊀俊,等.煤矿井下瓦斯高效精准抽采定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术,2023,51(S1):65-72.[5]㊀李㊀波,孙东辉,张路路.煤矿顺层钻孔瓦斯抽采合理布孔间距研究[J].煤炭科学技术,2016,44(8):121-126,155.[6]㊀王耀锋.中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望[J].煤矿安全,2020,51(10):67-77.[7]㊀杨相玉,杨胜强,路培超.顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的理论计算与现场应用[J].煤矿安全,2013,44(3):5-8,13.[8]㊀刘三钧,马㊀耕,卢㊀杰,等.基于瓦斯含量的相对压力测定有效半径技术[J].煤炭学报,2011,36(10):1715-1719.[9]㊀Wu 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[15]㊀刘㊀军,赵㊀勇.司马矿1206综采工作面瓦斯治理技术研究[J].煤炭工程,2019,51(1):60-63. [16]㊀邱有鑫.司马煤矿3~号煤层瓦斯赋存规律研究[J].煤炭技术,2015,34(7):180-181.[17]㊀崔洪庆,贾宝珊.司马煤矿瓦斯地质规律研究及突出危险区预测[J].河南理工大学学报(自然科学版),2011,30(2):131-136.[本期编辑:王伟瑾]5第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀牛金明,等:司马煤矿3号煤层瓦斯抽采半径优化与实践㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。
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。
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。
王坪矿顺层瓦斯钻孔有效抽采半径的确定
王坪矿顺层瓦斯钻孔有效抽采半径的确定王腾飞【摘要】为了提高本煤层顺层钻孔预抽瓦斯的效率,基于顺层钻孔抽采瓦斯的原理,以王坪矿8308工作面为工程背景对顺层钻孔的有效抽采半径进行了现场实测研究.试验结果表明,顺层钻孔抽采影响范围在前期随着抽采时间的延长而增加,但后期随着抽采时间的延长影响范围不再变化,顺层钻孔有效抽采半径为2.0m＜R＜2.5m,且钻孔瓦斯抽采浓度与压力存在相关性.【期刊名称】《山东煤炭科技》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P90-92,98)【关键词】顺层钻孔;有效半径;相对压力;瓦斯浓度【作者】王腾飞【作者单位】大同煤矿集团朔州煤电有限责任公司王坪煤矿,山西怀仁038300【正文语种】中文【中图分类】TD712+.61 矿井概况王坪矿生产能力为260万t/a，矿井采用中央并列式通风。
8308工作面位于王坪井田北部，该工作面西部为303盘区皮带巷、回风巷和轨道巷，北部为小峪煤矿417大巷，南部、东部均为实体煤。
工作面走向长度为1225m，倾向长度为196m，煤层属不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性。
水文地质类型为中等，3号煤层开采时，采煤方法为综合机械化一次采全高。
初始煤层渗透率为1.125×10-3，初始基质孔隙率为6%，为低透气性煤层。
为了达到预抽瓦斯的效果，8308工作面回风顺槽布置有若干顺层钻孔，如图1所示。
图1 8308工作面瓦斯治理示意图2 钻孔有效抽采半径测定原理基于瓦斯流动理论和煤层中的瓦斯流动状态产生了很多测定瓦斯抽采影响半径的方法，如压力变化、瓦斯含量变化、敏感气体检测等。
根据王坪矿的煤层地质以及现场条件拟采用相对压力法测定抽采钻孔的有效影响半径。
根据瓦斯压力与含量的关系式，确定钻孔瓦斯抽采影响半径的指标为瓦斯压力下降10%，确定抽采有效半径的指标为瓦斯压力下降51%。
单个顺层钻孔抽采瓦斯的原理如图2所示，钻孔垂直于煤壁打进一定距离，在抽采负压和煤层瓦斯压力的作用下，钻孔内外形成压力差，煤层瓦斯从吸附状态转变为游离态，沿着煤层裂隙流向顺层钻孔。
顺层钻孔有效抽采半径的确定
（山西煤炭运销集团野川煤业有限公司，山西晋城048400）顺层钻孔有效抽采半径的确定冯长红【摘要】文章为了确定采用顺层抽采时的有效半径，以优化抽采钻孔的布置方案，通过数值模拟和现场试验相结合的方式进行了研究。
结果表明，采用数值模拟时，113mm 钻孔抽采30d 时有效抽采半径为3.9m ；现场试验确定钻孔抽采32d 时有效抽采半径为4m ，与模拟结果基本一致，可为相似条件下顺层钻孔有效抽采半径的确定提供借鉴。
【关键词】顺层钻孔；有效半径；瓦斯抽采；数值模拟【中图分类号】TD712【文献标识码】A【文章编号】2096-4102（2018）04-0042-02·煤电技术研究·随着煤炭开采深度的增加，瓦斯事故发生的可能性也越来越大，采用瓦斯抽采能够有效避免瓦斯事故的发生。
但是进行瓦斯预抽时，如果抽采参数的设置不合理，不仅造成大量的人力、物力的浪费，还很难达到瓦斯预先抽放的效果。
因此，瓦斯抽采钻孔参数的设置是否合理，直接影响着瓦斯抽采的效果。
1有效抽采半径测定当采用钻孔对煤层进行瓦斯抽采时，会对周围的煤层气体产生影响，影响范围可根据影响的程度分为有效半径和影响半径。
影响半径是指抽采孔与煤层内部压力最初受到影响的位置之间的距离。
对于有效半径的确定，有多种测定方式。
最为常用的有瓦斯压力降低法、瓦斯流量法等。
瓦斯压力降低法是通过每隔抽采孔一定距离施工测压孔，在进行抽采一段时间后，测量不同测压孔中的瓦斯压力，其中残余瓦斯压力小于0.74Mpa 的测压孔都在有效抽采范围内，从而确定出钻孔抽采的有效半径。
或者通过测定抽采前后钻孔内的瓦斯含量，当抽采后瓦斯含量下降超过35%可视为在有效抽采半径内。
2数值模拟分析2.1模型的建立采用COMSOL 数值仿真软件建立模型，为方便建模，可忽略钻孔长度方向上的瓦斯流动状态，建立二维瓦斯抽采模型，如图1所示。
钻孔简化为一个圆，直径为113mm ，其中心即为模型中心，模型尺寸为5m 伊100m ，瓦斯抽采压力和抽采负压分别设置为1.2Mpa 、15Kpa ，其余参数的设置均与11-2号煤层的实际资料为依据，工程地质概况见表1。
《顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔参数研究》范文
《顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔参数研究》篇一一、引言随着煤炭资源的开采，瓦斯问题逐渐成为煤矿安全生产的重要问题之一。
顺层瓦斯抽采技术是解决瓦斯问题的有效途径之一，而封孔参数的合理设置是保证瓦斯抽采效果的关键因素。
因此，本文以顺层瓦斯抽采钻孔的封孔参数为研究对象，通过理论分析、实验研究和数值模拟等方法，探讨合理的封孔参数，为煤矿瓦斯治理提供理论支持和实践指导。
二、文献综述前人对于瓦斯抽采钻孔的封孔技术进行了大量研究，主要从封孔材料、封孔工艺、封孔深度等方面进行了探讨。
其中，封孔材料主要包括水泥、砂浆、聚氨酯等，封孔工艺则包括机械封孔、注浆封孔等。
在封孔深度的研究方面，认为随着封孔深度的增加，瓦斯抽采效果会逐渐提高，但同时也需要考虑到钻孔的稳定性、钻井成本等因素。
三、研究方法本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法进行研究。
首先，通过理论分析，探讨封孔参数对瓦斯抽采效果的影响机制；其次，进行实验研究，对比不同封孔参数下的瓦斯抽采效果；最后，利用数值模拟方法，对实验结果进行验证和补充。
四、理论分析在理论分析中，本文从瓦斯的运移规律、钻孔的封闭性能、封孔材料的性质等方面出发，分析了封孔参数对瓦斯抽采效果的影响机制。
研究表明，合理的封孔参数应该考虑到瓦斯的运移路径、钻孔的稳定性、封孔材料的密封性能等因素。
同时，封孔深度也是影响瓦斯抽采效果的重要因素之一。
五、实验研究在实验研究中，本文设计了不同封孔参数的钻孔，并进行了瓦斯抽采实验。
实验结果表明，合理的封孔参数可以提高瓦斯的抽采效率，降低瓦斯浓度。
同时，不同封孔材料和工艺对瓦斯抽采效果也有一定的影响。
例如，采用聚氨酯等新型封孔材料可以显著提高封孔效果和瓦斯抽采效率。
六、数值模拟为了进一步验证实验结果和深入探讨封孔参数的影响机制，本文利用数值模拟方法进行了研究。
数值模拟结果表明，合理的封孔参数可以有效地控制瓦斯的运移和扩散，提高瓦斯的抽采效率。
同时，模拟结果也表明了封孔深度对瓦斯抽采效果的影响最为显著。
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 ．
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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
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（ 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
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（ 2012 － 10 ）
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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：
沁新煤矿是山西沁新能源集团股份有限公司的 一个中型矿井， 井田位于山西省沁源县西部， 东距沁 源县城约 17 km， 隶属于李元镇管辖。 矿井生产能 2 # 力 1． 50 Mt / a， 井田面积 18． 936 9 km ， 现开采 2 煤
试验·研究
论 ， 瓦斯 在 煤 层 中 的 流 动 按 空 间 流 场 类 型 可 分 为： 单向流动、 径向流动和球向流动； 按煤层中的瓦 斯流动与时间关系分为不稳定流场 （ 瓦斯流动与时
［3 － 4 ］ 。井下实测法的测试周期 和理论计算法 较长， 而随着数学模拟软件的发展， 不仅可以模拟不 ［1 － 2 ］
层， 煤层赋存稳定， 煤质优良， 开采技术条件优越。 矿井采用斜井开拓方式， 共布置 6 个井筒， 分别为主 斜井、 副斜井、 行人斜井、 进风斜井、 郭罗峪回风立井 和北沟回风立井。矿井采用长壁式综合机械化采煤 全部垮落法管理顶板， 采用分区对角式通风方 方法， 式， 机械抽出式通风方法， 其中主斜井、 副斜井、 行人 斜井、 进风斜井进风， 郭罗峪回风立井、 北沟回风立 井回风。 2 2． 1 顺层瓦斯抽采钻孔瓦斯流动方程 钻孔有效抽采半径的定义 钻孔有效抽采半径
瓦斯抽采钻孔的瓦斯流动方程， 并以沁新煤矿为例， 利用 COMOSOL 软件对抽采钻孔在不同的抽 采负压和抽采时间下的瓦斯流动方程进行了数值模拟 ， 确定出了合理的抽采负压、 抽采时间及有 效抽采半径。 关键词： 瓦斯抽采； 顺层钻孔； 有效抽采半径； 抽采负压； 数值模拟
+ 中图分类号： TD712 ． 6
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X（ 2012 ） 10 － 0004 － 03
Numerical Simulation on Effective Drainage Radius of Drill Hole Along Coal Seam Based on COMSOL
WANG Zhao － feng，LI Yan － tao，XIA Hui － hui， TAN Rong － hui （ Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003 ， China） Abstract： In order to accurately determine the effective drainage radius of drill hole along coal seam，according to the Darcy＇s law and the law of conservation of mass as well as the theory of gas flow and occurrence，the gas flow equation of gas extraction drill hole along coal seam was established to study the flow field of coal seam gas around the drilling． Taking Qinxin mine as an example，the gas flow equation was simulated under different drainage negative － pressure and drainage time by using COMSOL software，and the reasonable drainage negative － pressure，drainage time and the effective drainage radius were determined． Key words： gas extraction； drill hole along coal seam； effective gas drainage radius； drainage negative － pressure； numerical simulation
预抽煤层瓦斯是防治煤与瓦斯突出的重要措 施， 通过预抽可降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量 ， 使煤 层透气性增加、 煤的坚固性系数增大、 地应力下降， 从而消除突出危险性。煤层瓦斯抽采设计的关键就 是抽采钻孔瓦斯布置间距的确定，而钻孔瓦斯布置 间距与钻孔有效抽采半径有关， 因此确定矿井的有 效抽采半径具有十分重要的的意义。 目前， 我国测 定有 效 抽 采 半 径 的 方 法 主 要 有 2 种： 井 下 实 测 法