［ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ］
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