煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析

煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析

刘鑫

鹤壁煤电股份有限公司第八煤矿     河南鹤壁        458000

摘要：为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用ＣＯＭＳＯｌ数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。

关键词：煤层钻孔；瓦斯抽采；效果；影响因素；分析

1瓦斯流动的流固耦合模型

考虑有效应力平衡方程以及本构方程可以得到煤体的变形控制方程见式（１）。

式中：Ｇ为剪切模量；ｕｉ，ｋｋ为ｘ方向上的位移分量；ｕｋ，ｉｉ为ｙ方向上的位移分量；ｖ为泊松比；α为Ｂｉｏｔ数；ｐ，ｉ为孔隙压力；Ｋ为体积模量；εＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ体积应变；ＰＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ压力常数；ｆ，ｉ为体力。考虑吸附瓦斯与游离瓦斯，结合达西定律以及气体质量平衡方程得到瓦斯流动控制方程见式（２）。

式中：ｐ为瓦斯压力；ｔ为时间；ρｃ为煤体密度；ｋ为渗透率；μ为瓦斯动力黏度。忽略煤层内瓦斯压力变化而引起的煤固体颗粒的体积变化，煤层渗透率以及煤层孔隙率见式（３）。

式中：φ０为初始孔隙率；εｖ为煤基质的体积应变。式（３）与式（４）为耦合项，联立式（１）～式（４），即可得到考虑煤体变形与瓦斯流动的流固耦合模型。

式中，ｋ０为初始渗透率。

2数值模型

采用ＣＯＭＳＯＬ数值模拟软件，选取偏微分方程、多孔介质模块以及固体力学模块，按照式（１）～式（４）定义所需参数，即可将瓦斯流动的流固耦合模型应用到模拟计算中，分析不同初始条件下瓦斯抽采效果，数值模拟区域尺寸为长度为３０ｍ×５ｍ，钻孔位于模型中央位置。模型的瓦斯渗流场边界条件设定为：瓦斯压力２ＭＰａ，模型上下边界、左右边界均为无流动边界，钻孔内边界为自由边界。模型的应力场边界为垂直方向上受到上覆岩层的应力，垂直方向下侧以及左右两侧均设置为无位移边界。为保证模拟结果的可靠性，结合煤矿现场煤层条件。

３模拟结果分析

3.1初始地应力对瓦斯抽采的影响

不同初始地应力瓦斯抽采效果。在同一时间，随着初始地应力的减小，瓦斯抽采速率与累积瓦斯抽采量均随之增大。抽采到第４００ｄ时，初始地应力１０ＭＰａ的累计抽采量为１６５４５ｍ３，而初始地应力２ＭＰａ的累计抽采量为１８６５８ｍ３，比前者提高了１２．７７％，这是因为减小煤层所受的地应力，可以使煤层中的孔隙率更加趋于开放，增大渗透率，使瓦斯的运移速度发生改变，从而提高瓦斯抽采速率以及累积瓦斯抽采量

为不同初始地应力条件下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。在不同初始地应力下，钻孔抽采的有效半径随抽采时间的增加逐渐变大。在抽采初始阶段，不同地应力下的抽采有效半径差别不大，但是随着抽采时间的增加，初始地应力对抽采半径的影响越来越大。在第４００ｄ时，初始地应力１０ＭＰａ抽采有效半径为３．６５８ｍ，初始地应力２ＭＰａ的抽采有效半径为４．３２２ｍ，比前者增大了１８．１５％。

3.2初始渗透率对瓦斯抽采的影响

不同初始渗透率条件下瓦斯抽采效果。初始渗透率较小时，瓦斯抽采速率较低，且随着抽采时间的推移基本保持不变，累计瓦斯抽采量增长缓慢。这表明渗透率较低时，瓦斯难以抽采；初始渗透率较大时，瓦斯抽采速率显著增大。抽采总量随抽采时间的推移增加明显，这是因为煤层的渗透率越大，瓦斯能更好地从较远位置渗流到钻孔周围，从而提高抽采速率以及抽采量。

不同初始渗透率条件下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。随着抽采时间的增大，抽采有效半径随之增大，且初始渗透率越大，抽采有效半径增大的趋势越明显。在抽采第４００ｄ时，初始渗透率为１×１０－１９ｍ２的抽采有效半径为０．２２４ｍ，初始渗透率为１×１０－１６ｍ２的抽采有效半径半径为１３．２９１ｍ，比前者增大了５８３３．４８％。由此可见，初始渗透率对抽采有效半径的影响较大。

3.3钻孔直径对瓦斯抽采的影响

不同钻孔直径条件下瓦斯抽采效果。对比不同的钻孔直径，瓦斯抽采效果变化规律基本相似。当抽采时间超过２００ｄ时，钻孔直径为４２ｍｍ、７６ｍｍ、１０８ｍｍ的瓦斯抽采速率接近，且随着抽采时间的增加始终保持较小差距，而当钻孔直径为１３３ｍｍ时，瓦斯抽采速率明显高于另外三种钻孔直径。此外，钻孔直径为４２ｍｍ、７６ｍｍ、１０８ｍｍ时的累计瓦斯抽采量差距较小，而钻孔直径为１３３ｍｍ时，累计瓦斯抽采量明显高于另外三种钻孔直径，且随着抽采时间的增加，抽采总量差距随之增大。因此，在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高。因此，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。

不同钻孔直径下抽采有效半径随抽采时间的变化曲线。随着抽采时间的推移，抽采有效半径随之增大。在抽采初始阶段，不同钻孔直径下的抽采有效半径差别不大，但是随着抽采时间的增加，不同钻孔直径下的抽采有效半径差距增大。在抽采到第４００ｄ时，钻孔直径４２ｍｍ时有效半径为３．７６９ｍ，钻孔直径１３３ｍｍ时有效半径为４．９７２ｍ，涨幅为３１．９２％。因此，钻孔直径对抽采有效半径的影响较大。

4结语

我国煤炭资源以１０～２５ｍ／ａ的速度向深部扩展，煤层瓦斯压力和瓦斯含量增高，导致瓦斯灾害风险剧增。钻孔瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的有效手段，但我国瓦斯抽采效率普遍较低，瓦斯抽采效果受多种因素影响。因此，探明不同因素对瓦斯抽采的影响对于保证煤矿安全生产具有现实意义。

参考文献

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