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摘 要：为了确定合适的瓦斯抽采参数，本文采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合模拟软件建立了煤岩-瓦斯固气耦合数值分析模型，对瓦斯抽采钻孔周围的瓦斯含量变化规律进行了模拟。模拟结果与山西麦捷煤业有限公司15号煤层150205工作面倾向钻孔瓦斯抽采现场实测数据进行比较，结果趋势基本一致，进一步验证了该模型的可行性，为推广该模型更大范围的应用于现场提供了可靠的实践支持。
关键词：钻孔、瓦斯抽采、数值模拟
中图分类号：TD712 文献标志码：A
目前，在煤炭开采深度不断增加的过程中，瓦斯的安全问题也越来越严重，瓦斯含量、瓦斯涌出量突然增大和瓦斯突出成为最为棘手的问题。公认的最有效的治理和利用瓦斯的方法和途径是钻孔抽采瓦斯技术。
在抽放工程的施工过程中，特别是抽放钻孔的施工过程中，抽放钻孔的布置方式、孔间距、抽放时间等参数往往根据实践经验进行设计，存在较大的随意性和盲目性，造成抽采效果不理想和人力物力的浪费等现象，如何在保证安全的前提下，准确测定抽放参数，合理布置抽放工程，将抽放工程的投入和取得的经济效益有效结合是一个急需研究的问题。
一、数值计算软件简介
COMSOL Multiphysics固气耦合模拟软件，是一个基于偏微分方程对科学和工程问题进行建模和仿真计算的大型高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。
二、模型建立
1、几何模型设定
几何模型以麦捷煤业15号煤层瓦斯抽采工程为原型，同时为了保证运算速度以及模拟文件大小不超出模拟计算机实际内存范围，本报告将几何模型进行如下设定：
（1）15号煤层为近水平煤层，忽略煤层倾角的影响，将几何模型设定为水平模型；
（2）15号煤层平均厚度为3.5m。
（3）煤体范围远大于研究范围，为了将无限流场模型转化为有限流场模型，同时考虑到边界效应，将模型设置为长为30m高为3.5m的矩形；
（4）钻孔直径为113mm；
（5）钻孔破坏半径为0.48m；
（6）封孔长度为10m。
2、模型的主要参数
3、抽放指标
依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和《煤矿安全规程》的要求，考虑一定的安全系数，确定麦捷煤业150205工作面15号煤层瓦斯有效抽放半径的指标为：抽采一定时间后，钻孔周围一定范围内的煤层瓦斯含量降至4m3/t以下。
4、建立数值模型
考虑到计算机运算的特点、钻孔瓦斯抽放半径和顺层钻孔的施工条件、钻孔的分布对称性，若进行二维数值模型建立的，首先必须对物理环境进行合理的简化：
（1）假设煤层是各向同性并且连续的，而且是水平分布，对于煤体中存在的断层和裂隙发育暂不考虑；
（2）只将截取的部分钻孔进行模拟。
模拟区域取工作面前方受采动影响较小区域，煤层瓦斯分布均匀，钻孔取在煤层中部，模拟钻孔间距为2m条件下的瓦斯抽放效果。模拟计算过程按平面问题求解，模型尺寸取30m×3.5m（长×宽），模拟过程取4个钻孔，瓦斯渗透只需考虑在煤层中的渗透，处理边界条件如下：
1）顶部岩层看作为隔绝体无渗透，左右边界均为自由界面；
2）钻孔的抽放负压为20KPa。
三、数值模拟结果分析
1、数值模拟分析
本文以顺层钻孔间距为2m为例进行分析。
顺层钻孔间距为2m，在抽采20天和40天的条件下， 15号煤层钻孔周围瓦斯含量分布云图如图4-1和图4-2所示。
从图中可以看出，钻孔周围瓦斯含量分布曲线近似漏斗状，越靠近钻孔，瓦斯含量越低，越远离钻孔，瓦斯含量越高。钻孔周围瓦斯含量随抽采时间的增大而有明显降低。
钻孔间距为2m时，钻孔控制范围的瓦斯含量，在抽采20天后，水平方向上降至4.5m3/t以下，垂直方向上降至4.6m3/t以下；抽采40天后，水平方向上降至4m3/t以下，垂直方向上降至4m3/t以下；
2、模擬结果
研究结论如下：
抽采40天，顺层钻孔有效抽采半径为1.0m，钻孔间距2.0m。
4 150205工作面瓦斯综合治理现场试验研究
150205工作面采用采前预抽的方式，在150205轨道顺槽巷道内施工本煤层钻孔进行瓦斯抽采。在2013年11月完成全部钻孔的施工。钻孔间距2m，孔径113mm，孔深130m，共布置钻孔522个。
抽采40天后，150205工作面实测瓦斯含量如表5-1
经分析，150205工作面实测的瓦斯含量基本与模拟结果一致，进一步验证了该模型的可行性。
四、结论
本文根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论，建立了煤岩-瓦斯固气耦合的数学模型，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件模拟了麦捷煤业15号煤层150205工作面瓦斯抽采参数。结果表明，抽采40天，顺层钻孔有效抽采半径为1.0m，钻孔间距2.0m。
根据上述理论分析与数值模拟结果，在麦捷煤业150205工作面进行了现场试验研究，抽采后工作面实测瓦斯含量结果表明，数值模拟结果基本正确，符合实践要求，该模型具有推广可行性。
参考文献：
[1] 周世宁，林柏泉.《煤层瓦斯赋存与流动理论》[M]，北京：煤炭工业出版社，1999.2.
[2] 郭培红，李海霞，朱建安.《煤层钻孔瓦斯抽放数值模拟》[J]，辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2009，28：260-262.
[3] 马耕，苏现波，魏庆喜.《基于瓦斯流态的抽放半径确定方法》[J]，煤炭学报，2009，34：501-504.
[4] 林柏泉，张建国.《矿井瓦斯抽放理论与技术》[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1996.8.165
[5] 俞启香.《矿井瓦斯防治》[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1992.2.
[6] 吴世跃.《煤层中的耦合运动理论及其应用》[M]，北京：科学出版社，2009.3.
[7] 杨宏民，魏晨慧，王兆丰.《基于多物理场耦合的井下注气驱替煤层甲烷的数值模拟》[J]，煤炭学报，2010，35：109-114.
[8] 刘鹤年.《流体力学》[M]，北京：中国建筑工业出版社，2001.6.昂温 G，昂温 P S. 陈生铮，译. 外出版史. 北京：中国书籍出版社，1988： 12-15
关键词：钻孔、瓦斯抽采、数值模拟
中图分类号：TD712 文献标志码：A
目前，在煤炭开采深度不断增加的过程中，瓦斯的安全问题也越来越严重，瓦斯含量、瓦斯涌出量突然增大和瓦斯突出成为最为棘手的问题。公认的最有效的治理和利用瓦斯的方法和途径是钻孔抽采瓦斯技术。
在抽放工程的施工过程中，特别是抽放钻孔的施工过程中，抽放钻孔的布置方式、孔间距、抽放时间等参数往往根据实践经验进行设计，存在较大的随意性和盲目性，造成抽采效果不理想和人力物力的浪费等现象，如何在保证安全的前提下，准确测定抽放参数，合理布置抽放工程，将抽放工程的投入和取得的经济效益有效结合是一个急需研究的问题。
一、数值计算软件简介
COMSOL Multiphysics固气耦合模拟软件，是一个基于偏微分方程对科学和工程问题进行建模和仿真计算的大型高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。
二、模型建立
1、几何模型设定
几何模型以麦捷煤业15号煤层瓦斯抽采工程为原型，同时为了保证运算速度以及模拟文件大小不超出模拟计算机实际内存范围，本报告将几何模型进行如下设定：
（1）15号煤层为近水平煤层，忽略煤层倾角的影响，将几何模型设定为水平模型；
（2）15号煤层平均厚度为3.5m。
（3）煤体范围远大于研究范围，为了将无限流场模型转化为有限流场模型，同时考虑到边界效应，将模型设置为长为30m高为3.5m的矩形；
（4）钻孔直径为113mm；
（5）钻孔破坏半径为0.48m；
（6）封孔长度为10m。
2、模型的主要参数
3、抽放指标
依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》和《煤矿安全规程》的要求，考虑一定的安全系数，确定麦捷煤业150205工作面15号煤层瓦斯有效抽放半径的指标为：抽采一定时间后，钻孔周围一定范围内的煤层瓦斯含量降至4m3/t以下。
4、建立数值模型
考虑到计算机运算的特点、钻孔瓦斯抽放半径和顺层钻孔的施工条件、钻孔的分布对称性，若进行二维数值模型建立的，首先必须对物理环境进行合理的简化：
（1）假设煤层是各向同性并且连续的，而且是水平分布，对于煤体中存在的断层和裂隙发育暂不考虑；
（2）只将截取的部分钻孔进行模拟。
模拟区域取工作面前方受采动影响较小区域，煤层瓦斯分布均匀，钻孔取在煤层中部，模拟钻孔间距为2m条件下的瓦斯抽放效果。模拟计算过程按平面问题求解，模型尺寸取30m×3.5m（长×宽），模拟过程取4个钻孔，瓦斯渗透只需考虑在煤层中的渗透，处理边界条件如下：
1）顶部岩层看作为隔绝体无渗透，左右边界均为自由界面；
2）钻孔的抽放负压为20KPa。
三、数值模拟结果分析
1、数值模拟分析
本文以顺层钻孔间距为2m为例进行分析。
顺层钻孔间距为2m，在抽采20天和40天的条件下， 15号煤层钻孔周围瓦斯含量分布云图如图4-1和图4-2所示。
从图中可以看出，钻孔周围瓦斯含量分布曲线近似漏斗状，越靠近钻孔，瓦斯含量越低，越远离钻孔，瓦斯含量越高。钻孔周围瓦斯含量随抽采时间的增大而有明显降低。
钻孔间距为2m时，钻孔控制范围的瓦斯含量，在抽采20天后，水平方向上降至4.5m3/t以下，垂直方向上降至4.6m3/t以下；抽采40天后，水平方向上降至4m3/t以下，垂直方向上降至4m3/t以下；
2、模擬结果
研究结论如下：
抽采40天，顺层钻孔有效抽采半径为1.0m，钻孔间距2.0m。
4 150205工作面瓦斯综合治理现场试验研究
150205工作面采用采前预抽的方式，在150205轨道顺槽巷道内施工本煤层钻孔进行瓦斯抽采。在2013年11月完成全部钻孔的施工。钻孔间距2m，孔径113mm，孔深130m，共布置钻孔522个。
抽采40天后，150205工作面实测瓦斯含量如表5-1
经分析，150205工作面实测的瓦斯含量基本与模拟结果一致，进一步验证了该模型的可行性。
四、结论
本文根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论，建立了煤岩-瓦斯固气耦合的数学模型，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件模拟了麦捷煤业15号煤层150205工作面瓦斯抽采参数。结果表明，抽采40天，顺层钻孔有效抽采半径为1.0m，钻孔间距2.0m。
根据上述理论分析与数值模拟结果，在麦捷煤业150205工作面进行了现场试验研究，抽采后工作面实测瓦斯含量结果表明，数值模拟结果基本正确，符合实践要求，该模型具有推广可行性。
参考文献：
[1] 周世宁，林柏泉.《煤层瓦斯赋存与流动理论》[M]，北京：煤炭工业出版社，1999.2.
[2] 郭培红，李海霞，朱建安.《煤层钻孔瓦斯抽放数值模拟》[J]，辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2009，28：260-262.
[3] 马耕，苏现波，魏庆喜.《基于瓦斯流态的抽放半径确定方法》[J]，煤炭学报，2009，34：501-504.
[4] 林柏泉，张建国.《矿井瓦斯抽放理论与技术》[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1996.8.165
[5] 俞启香.《矿井瓦斯防治》[M]，徐州：中国矿业大学出版社，1992.2.
[6] 吴世跃.《煤层中的耦合运动理论及其应用》[M]，北京：科学出版社，2009.3.
[7] 杨宏民，魏晨慧，王兆丰.《基于多物理场耦合的井下注气驱替煤层甲烷的数值模拟》[J]，煤炭学报，2010，35：109-114.
[8] 刘鹤年.《流体力学》[M]，北京：中国建筑工业出版社，2001.6.昂温 G，昂温 P S. 陈生铮，译. 外出版史. 北京：中国书籍出版社，1988： 12-15