漳村煤礦不同條件下的瓦斯抽采效果模擬分析

岳學功

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

礦井瓦斯抽采作為煤礦瓦斯治理的根本方法，在瓦斯治理工作體系中占十分重要的地位，而影響瓦斯抽采效果的因素有很多，比如煤體的滲透率、鉆孔的直徑、孔間距、抽采負壓、瓦斯壓力、封孔的位置、封孔的長度、封孔的材料、封孔的工藝等。國內許多礦井在設計瓦斯抽采鉆孔的參數(shù)時，通常僅依靠日常經驗來確定，然而由于煤層本身復雜的地質條件和礦井開采深度的增加，以經驗確定的瓦斯抽采鉆孔的參數(shù)不可能總是合理的，還存在很多問題亟待解決。而通過現(xiàn)場實測的方式來獲得瓦斯抽采參數(shù)對抽采效果的影響一般工程量較大，并且不一定能夠達到預期的效果，因此，根據試驗礦井的實際參數(shù)，利用數(shù)值模擬的方式開展不同瓦斯抽采參數(shù)對抽采效果的研究就成了一個很好的選擇，對有效提高煤層瓦斯抽采效率以及對指導煤礦瓦斯防治工作都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

因此，本文主要針對試驗礦井的具體情況，利用Comsol Multiphysics軟件，研究其他條件不變時，漳村煤礦試驗區(qū)域內不同瓦斯壓力、抽采負壓和煤體滲透率條件下的鉆孔瓦斯抽采效果的模擬分析[1]。

1 試驗地點概況

漳村礦2802運巷位于28采區(qū)南部，其東側為28采區(qū)大巷，南側為漳村-常村井田邊界，西側為漳村-余吾井田邊界，相鄰常村、余吾井田不存在采空區(qū)，2802運巷北側為未采區(qū)。2802運巷地面東北側為邕子村，北側為暴莊、安溝村，其余基本為農田、植被。2802運巷掘進區(qū)域地面標高約為+950～+1 020 m。井下位置：2802運巷位于28采區(qū)南部，其東側為28采區(qū)大巷，南側為漳村-常村井田邊界，西側為漳村-余吾井田邊界，相鄰常村、余吾井田不存在采空區(qū)，2802運巷北側為未采區(qū)。

2802工作面開采煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組下部的3號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結構較簡單。層內主要含1層夾矸，夾矸連續(xù)穩(wěn)定，厚度變化不大；煤層厚度5.53～6.69 m，平均厚度6.03 m，煤層結構：4.54(0.31)1.18，頂?shù)装迕簬r柱狀圖見圖1。

圖1 頂?shù)装迕簬r柱狀圖

2 漳村礦瓦斯封孔模擬分析

2.1 鉆孔抽采瓦斯壓力變化規(guī)律

筆者根據漳村礦生產實際情況，通過建立有限元數(shù)值模型分析漳村煤礦順層鉆孔瓦斯預抽技術的抽采效果，根據現(xiàn)場收集的部分參數(shù)如下。

1) 各煤巖層厚度、各層參數(shù)包括密度、楊氏模量、泊松比、內聚力、抗壓抗拉強度等，及煤層地質構造特征。漳村煤礦3號煤層，普氏系數(shù)f=1.5～2，容重為1.35 t/m3，結構簡單，煤層厚度為6.34～7.28 m，平均厚度為6.8 m，密度1.4 kg/m3。煤層總體呈單斜構造，傾角6°32′～10°，平均傾角8°31′。

2) 煤體孔隙率、滲透率、吸附解吸參數(shù)及微觀結構參數(shù)：孔隙率3.9%～4.76%，透氣率系數(shù)0.049 3～0.054 2。

3) 瓦斯賦存情況：瓦斯含量、壓力。瓦斯含量：7.8 m3/t，壓力為0.2 MPa，不突出。

4) 巷道施工參數(shù)：巷道形狀、長寬高，巷道支護情況。巷道為矩形、尺寸5.4 m×3.8 m、巷道為錨網支護。

5) 鉆孔布置方案：順層鉆孔間距2.5 m，一組4個鉆孔，鉆孔長度為150 m，孔徑113 mm，負壓20 kPa，封孔方式兩堵一注/全長囊袋，水泥封孔，封孔段為8～12 m，單孔濃度為15%左右，流量平均單孔純流量為0.01 m3/min。

2.2 建立模型的控制方程

建立瓦斯運移控制方程，煤層中裂隙系統(tǒng)將煤體切割分離為基質單元體，煤基質內吸附瓦斯作為氣體源經過解吸、基質擴散到裂隙系統(tǒng)中，然后以滲流的形式在裂隙系統(tǒng)內運動，即雙重孔隙介質瓦斯運移模型。運用此模型時將煤層中的瓦斯運移簡化為了串聯(lián)的過程，且僅考慮了裂隙滲透率的動態(tài)變化，認為基質滲透率恒定為常數(shù)。

本文采用了有限元法求解方法，由基于偏微分方程模擬求解的COMSOL Multiphysics對控制方程組進行求解。本文利用了該軟件的Solid模塊(嵌入應力場方程)和PDE偏微分方程求解模塊(嵌入基質瓦斯擴散場方程與裂隙瓦斯?jié)B流場方程)分別對瓦斯抽采時的煤巖應力應變以及煤層瓦斯運移控制方程進行求解，通過模型參數(shù)之間的相互傳遞來實現(xiàn)煤與瓦斯的氣固耦合。

使用COMSOL Multiphysics軟件建立了漳村礦3號煤層本煤層鉆孔瓦斯抽采模型，該模型的長寬分別為260 m和150 m，煤體瓦斯含量為7.8 m3/t，鉆孔直徑為113 mm，抽采負壓為20 kPa。開展相關模擬分析，結果見圖2。

圖2 本煤層鉆孔瓦斯抽采模型

2.3 鉆孔抽采瓦斯負壓對瓦斯?jié)舛茸兓挠绊?/h3>

為了研究抽采負壓對瓦斯抽采濃度的影響，此部分我們選取13 kPa、23 kPa、33 kPa、43 kPa與之進行對比分析。結果表明，當抽采負壓增大時，鉆孔周圍瓦斯壓力降低幅度亦變大，抽采速度提高，見圖3。但是由于模擬煤體本身的低透氣性，負壓增大所帶來的抽采速度提高是有限的。同時較大的負壓值反而會加劇鉆孔密封段的漏風程度(這從封孔段周圍瓦斯壓力的下降情況就可以看出，較大的負壓值會增加鉆孔周圍裂隙漏風的可能性)，降低瓦斯抽采濃度及抽采效果。

圖3 不同負壓情況下的瓦斯壓力變化(400 d后)

2.4 不同煤體滲透率對瓦斯?jié)舛茸兓挠绊?/h3>

滲透率是決定煤體瓦斯流動能力的主要參數(shù)。此部分模擬分析了3種不同滲透率(0.385 mD、3.85 mD和 38.5 mD)煤體的瓦斯抽采效果。依據Darcy定律，煤體滲透率越大，瓦斯流動性越強，抽采效率越高[2]。如圖 4所示，當滲透率為0.385 mD時，抽采80 d后，鉆孔周圍僅出現(xiàn)很小的壓力降低區(qū)域，抽采760 d后，壓降區(qū)域仍未明顯增大。當滲透率為3.85 mD時，鉆孔周圍壓降范圍及程度均增大。對于38.5 mD的滲透率，瓦斯抽采效率最高，抽采760 d后，已基本實現(xiàn)理想狀態(tài)下的完全抽采。滲透率為0.385 mD和3.85 mD煤體的抽采達標時間分別在80 d和760 d左右。而當滲透率為0.385 mD時，經過760 d的抽采，抽采效果有限。所以對于滲透性很低的煤體，需要采取水力割縫、松動爆破等卸壓增透措施，以提高抽采速度、縮短抽采時間。

圖4 不同滲透率煤體的鉆孔周圍壓力變化

3 結 語

本文利用COMSOL數(shù)值模擬軟件[3]，對漳村礦3號煤層建立了本煤層鉆孔瓦斯抽采模型，模擬了抽采瓦斯壓力的變化，可知在抽采初期，鉆孔抽采影響范圍較小，多維持在原始壓力值附近，但隨著抽采的進行，鉆孔影響范圍逐漸變大，瓦斯壓力值不斷降低，而且抽采前期瓦斯壓力的降低幅度較后期大，鉆孔中部的抽采效果比兩端好。對于目前采用的抽采參數(shù)，抽采600 d后，鉆孔周圍約2.5 m范圍內，達到了瓦斯抽采目標。