高瓦斯厚煤层顺层钻孔有效抽采区及参数优化研究.docx

? ? 高瓦斯厚煤层顺层钻孔有效抽采区及参数优化研究 ? ? 王一琦，杨 雷，范超军 （辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000） 瓦斯是煤炭的伴生产物。随着煤炭的回采，瓦斯从煤壁中涌出，诱发瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害，危害煤矿安全生产。瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的重要手段，然而实际抽采设计中多依靠经验确定钻孔布置参数，给瓦斯高效精准抽采造成误差。因此，研究对抽采效果存在关键影响的钻孔直径、抽采负压、钻孔间距等参数，并根据实际煤层地质条件确定这些参数至关重要。 学者们对瓦斯抽采开展了多方面的研究。陈月霞等[1]采用三维数值模拟方法，指出煤层瓦斯压力在单排钻孔抽采时具有显著的时空响应特征，且钻孔之间具有明显的叠加效应；范超军等[2]建立了考虑煤层渗透率各向异性的瓦斯抽采流固耦合模型，揭示了钻孔布置方向对抽采效果的影响，得到了等效抽采半径的变化规律；李胜等[3]将煤层假设为双孔双弹性介质，分析了三花眼钻孔抽采时，间距对瓦斯压力变化和消突时间的影响；郭欣等[4]提出了压力差提高比的概念，研究抽采负压对瓦斯有效抽采半径的影响，并给出了相应机理的解释；袁欣鹏[5]分析了不同钻孔数量抽采下煤层瓦斯抽采效果，以及瓦斯压力等参数的变化规律；王国鸿[6]研究了影响穿层和顺层钻孔瓦斯抽采效果的关键因素，并验证了瓦斯抽采流量衰减特征；李川等[7]、范亚飞[8]各自利用不同软件数值模拟了钻孔周边瓦斯压力变化规律,获得了钻孔尺寸、抽采负压、抽采时间和透气性系数对有效抽采半径的影响规律。 以上研究对瓦斯抽采钻孔设计具有指导作用，然而，这些研究未考虑煤层变形和煤层水对抽采的综合影响。为此，基于多物理场耦合理论，建立气水两相流的流-固耦合瓦斯抽采数学模型，以山西漳村煤矿为研究背景，利用COMSOL Multiphysics 软件进行数值模拟，研究顺层抽采时不同抽采参数对有效抽采区域和瓦斯压力变化的影响规律，并归纳分析得出最佳抽采参数，以期对同类高瓦斯煤层瓦斯抽采和安全生产提供参考。 1 流固耦合数学模型 1.1 基本假设 根据煤层赋存瓦斯和水的特点，在建立煤层瓦斯流固耦合数学模型前，作出如下假设[8-10]：①煤体是由裂隙-孔隙构成的多孔弹性连续介质；②瓦斯可以看作是理想状态气体；③煤层中瓦斯以游离态和吸附态存在，吸附瓦斯服从朗格缪尔（Langmuir）单分子层吸附理论且瓦斯在煤岩体中的吸附解吸都是在恒温的条件下进行的，即不考虑瓦斯解吸造成的温度变化；④基质中的瓦斯运移满足Fick 扩散定律，裂隙中瓦斯和水运移过程满足Darcy 定律；⑤煤岩的孔隙度受有效应力的影响，即孔隙可压缩，煤体渗透率随孔隙度和煤体应力变化而变化。 1.2 瓦斯和水的赋存-运移特性及耦合表现 煤的基质孔隙（简称孔隙）和裂缝孔隙（简称裂隙）构成煤的双重孔隙系统。瓦斯在煤层中的赋存形态主要有2 种[11-12]：在裂隙中的瓦斯主要呈自由气态，称为自由瓦斯或游离瓦斯，这种状态的瓦斯服从达西定律和理想气体状态方程；另一种称为吸附瓦斯，它吸附在煤基质中，占据着煤分子结构中的空位或煤分子之间的空间，服从朗格缪尔单分子层吸附理论。水只赋存于裂隙中，并伴随裂隙中的游离瓦斯进行运移。单孔抽采煤层中瓦斯和水的运移过程如图1。 图1 单孔抽采煤层中瓦斯和水的运移过程Fig.1 The migration process of gas and water in single hole coal seam 图1 中：a 为初始基质宽度；b 为初始裂隙宽度。瓦斯运移特性表现为互相联系的3 个过程[5]：①由于周围压力降低使瓦斯从煤基质孔隙的内表面上发生解吸；②由于基质与裂隙间存在瓦斯浓度差，解吸瓦斯穿过基质和孔隙扩散到裂隙中；③在压力差作用下以达西流方式和煤层水共同在裂隙中渗流至抽采孔被抽出。这3 个过程是连续统一的过程，不能割裂开来单独进行。 瓦斯流动是煤层变形和瓦斯与水相互作用的结果，其流固动态耦合的主要表现为[13]：①由于煤层瓦斯的抽采，使孔隙和裂隙中流体压力发生变化，引起孔壁煤体骨架有效应力的改变及其重新分布，从而引起煤体骨架的压缩变形；②煤岩体固体骨架的变形，又导致煤岩体孔隙体积的改变，引起煤层物理参数，特别是孔隙度、渗透率的变化，反过来影响孔隙瓦斯的渗流和抽采，同时瓦斯和水的饱和度以及两者的相对渗透率也在不断地变化。 1.3 应力场控制方程 煤体为双重孔隙介质，其力学特性受到孔隙和裂隙的影响。煤体的总应变是应力引起的应变、瓦斯和水引起应变、瓦斯吸附解吸引起应变的应变之和，煤体应力-应变关系为[14]： 式中：εij为ij 面法线方向的应变；i、j 为空间坐标方向x、y、z；G 为煤体剪切模量，GPa；D 为等效煤体弹性模量，GPa；ν 为泊松比；Es为煤骨架弹性模量，MPa；a 为初始