D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.11.005 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2008 顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 丁厚成) 蒋仲安)韩云龙) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)安微工业大学建筑工程学院，马鞍山243006 摘要为获取顺煤层钻孔抽放瓦斯的合理参数，依据煤层瓦斯流动理论和质量守恒定律，以顺煤层抽放钻孔周围瓦斯流场 为研究对象，建立了钻孔抽放瓦斯流动方程的数学模型.以新庄孜煤矿旷5213掘进工作面为例，采用MATLAB对钻孔瓦斯流 场进行数值模拟，并与矿井的实际抽放情况进行了比较和分析，得出了适合该矿煤层的瓦斯抽放参数·抽放参数可以在淮南 矿区相近煤层赋存条件下推广应用，以利于矿区高瓦斯矿井的安全生产. 关键词瓦斯抽放：钻孔抽放：数学模型；数值模拟 分类号TD712+.6 Numerical simulation and application of boreholes along coal seam for methane drainage DING Houcheng.IANG Zhongan,HAN Yunlong?) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)School of construction Engineering Anhui University of Technology.Ma'anshan 243006.China ABSTRACI In order to gain ideal parameters of boreholes along coal seam for methane drainage.based on the gas flow theory in coal seam and the law of mass conservation,a mathematical model of the flow equation for draining methane through boreholes was established to study the methane flow field around drainage boreholes along coal seam.No.5213 working face of Xinzhuangi Coal Mine was taken as the field for simulating methane flow with MATLAB software.The simulation result was compared with actual drainage effect of the mine.Finally.the methane drainage parameters suitable to coal seam of the mine were obtained through analy- sis.The parameters can be applied and popularized in Huainan Mining Area with similar conditions of coal seam storage,which is beneficial to safety production for high methane mines. KEY WORDS methane drainage:borehole drainage:mathematical model:numerical simulation 在煤矿开采中，瓦斯灾害一直是煤矿的主要灾 煤层透气性普遍较低、资金投入不足、瓦斯利用率不 害，在我国煤矿的重大灾害事故中约70%是瓦斯事 高、封孔质量差、抽放时间短、钻孔工程量不足 故，随着矿井开采向深部发展，煤层瓦斯含量和矿 等)]，这都直接影响瓦斯抽放率和抽放量。目前， 井瓦斯涌出都将随之增大，加大了瓦斯灾害治理的 顺煤层钻孔抽放瓦斯是淮南矿区的主要防治瓦斯措 难度山；瓦斯抽放是积极防治瓦斯灾害的有效措 施，其中以工作面顺煤层结孔抽放瓦斯及煤巷掘进 施，先抽后采、煤与瓦斯共采是当务之急，已成为确 工作面边抽边掘方式应用较多；但在实际应用中，钻 保煤矿安全生产、提高煤矿效益的关键环节]，国 孔抽放参数的选取还没有形成统一的认识并带有一 家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监 定的主观经验性·因此，针对淮南矿区瓦斯突出危 测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽放治理 险煤层，以煤层瓦斯流动理论为基础，建立钻孔周围 瓦斯灾害的地位) 煤体瓦斯流动的数学模型，并对抽放钻孔周围瓦斯 我国煤矿瓦斯抽放效果总体不佳，具体表现为 流动状态进行数值模拟研究，以期寻求出顺煤层钻 收稿日期：2007-09-22修回日期：2007-11-08 基金项目：北京市教有委员会共建项目建设计划资助项目(N。·XK100080432) 作者简介：丁厚成(1973-)，男，博士研究生，E-mail:hnhoucheng @yahoo:com.cn;蒋仲安(1963一)，男，教授，博士
顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 丁厚成1） 蒋仲安1） 韩云龙2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 安徽工业大学建筑工程学院马鞍山243006 摘 要 为获取顺煤层钻孔抽放瓦斯的合理参数依据煤层瓦斯流动理论和质量守恒定律以顺煤层抽放钻孔周围瓦斯流场 为研究对象建立了钻孔抽放瓦斯流动方程的数学模型．以新庄孜煤矿5213掘进工作面为例采用 MAT LAB 对钻孔瓦斯流 场进行数值模拟并与矿井的实际抽放情况进行了比较和分析得出了适合该矿煤层的瓦斯抽放参数．抽放参数可以在淮南 矿区相近煤层赋存条件下推广应用以利于矿区高瓦斯矿井的安全生产． 关键词 瓦斯抽放；钻孔抽放；数学模型；数值模拟 分类号 TD712＋∙6 Numerical simulation and application of boreholes along coal seam for methane drainage DING Houcheng 1）JIA NG Zhongan 1）HA N Y unlong 2） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of construction EngineeringAnhui University of TechnologyMa’anshan243006China ABSTRACT In order to gain ideal parameters of boreholes along coal seam for methane drainagebased on the gas flow theory in coal seam and the law of mass conservationa mathematical model of the flow equation for draining methane through boreholes was established to study the methane flow field around drainage boreholes along coal seam．No．5213working face of Xinzhuangzi Coal Mine was taken as the field for simulating methane flow with MAT LAB software．T he simulation result was compared with actual drainage effect of the mine．Finallythe methane drainage parameters suitable to coal seam of the mine were obtained through analysis．T he parameters can be applied and popularized in Huainan Mining Area with similar conditions of coal seam storagewhich is beneficial to safety production for high methane mines． KEY WORDS methane drainage；borehole drainage；mathematical model；numerical simulation 收稿日期：2007-09-22 修回日期：2007-11-08 基金项目：北京市教育委员会共建项目建设计划资助项目（No．XK100080432） 作者简介：丁厚成 （1973—）男博士研究生E-mail：hnhoucheng＠yahoo．com．cn；蒋仲安（1963—）男教授博士 在煤矿开采中瓦斯灾害一直是煤矿的主要灾 害在我国煤矿的重大灾害事故中约70％是瓦斯事 故．随着矿井开采向深部发展煤层瓦斯含量和矿 井瓦斯涌出都将随之增大加大了瓦斯灾害治理的 难度［1］；瓦斯抽放是积极防治瓦斯灾害的有效措 施先抽后采、煤与瓦斯共采是当务之急已成为确 保煤矿安全生产、提高煤矿效益的关键环节［2］．国 家煤矿安全监察局制定了“先抽后采以风定产监 测监控”的煤矿瓦斯防治方针强化了瓦斯抽放治理 瓦斯灾害的地位［3］． 我国煤矿瓦斯抽放效果总体不佳具体表现为 煤层透气性普遍较低、资金投入不足、瓦斯利用率不 高、封孔质量差、抽放时间短、钻孔工程量不足 等［4—5］这都直接影响瓦斯抽放率和抽放量．目前 顺煤层钻孔抽放瓦斯是淮南矿区的主要防治瓦斯措 施其中以工作面顺煤层钻孔抽放瓦斯及煤巷掘进 工作面边抽边掘方式应用较多；但在实际应用中钻 孔抽放参数的选取还没有形成统一的认识并带有一 定的主观经验性．因此针对淮南矿区瓦斯突出危 险煤层以煤层瓦斯流动理论为基础建立钻孔周围 煤体瓦斯流动的数学模型并对抽放钻孔周围瓦斯 流动状态进行数值模拟研究以期寻求出顺煤层钻 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．005
,1206 北京科技大学学报 第30卷 孔周围瓦斯流动规律及符合准南矿区煤层赋存条件 程.由 的合理的瓦斯抽放参数，以达到较少的钻孔布置、较 M=Pw T (5) 短的瓦斯抽放时间来实现提高瓦斯抽放量的目的， 式中，Pw为煤层中瓦斯密度，tm一3 这对煤矿的安全生产及提高经济效益无疑都具有重 将式(1)~(4)与式(5)联立得： 大意义 段=9(p)di(gradp) (6) 1顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的建立及 求解 ·Cc= (273+t)/273;t为瓦斯在流动过程中的温度，℃； 1.1顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的建立 煤在形成过程中受到很多因素的影响，这使煤 入为煤层透气系数，m(MPd),A一2攻、 层具有非均质性，但从宏观上看，在一个较大的区 令式(6)中的p2=U,得： 域内，除断层等地质构造带外，可以看作是均质的： 煤层内的原始瓦斯压力在一定的区域内也可以看作 U)div(Agrad U) at (7) 是均匀的，因此，为使问题简化，按以下假设来推导 abr 瓦斯流动方程， (1)基本假设.煤层各向同性，透气系数及孔 井下大多数瓦斯流场都可以简化为一维平行流 隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响，但在巷道及 动、一维径向流动和二维平面流动的有限流场及无 钻孔周围的卸压范围内增大；瓦斯可视为理想气体， 限流场或者它们的组合，本文所研究的是二维平面 瓦斯渗流过程按等温过程来处理；吸附瓦斯符合朗 流动的有限流场，因此有： 格缪尔方程，煤层中瓦斯解析在瞬间完成；瓦斯在煤 +] 8 层中的流动服从达西定律 式中λ=f(x,y) (2)瓦斯流动方程的建立，在以上假设的基础 1,2顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的求解 上，根据流体在多孔介质中的质量守恒定律，得到如 (1)钻孔抽放瓦斯流动方程的定解条件.瓦斯 下方程组： 流动属于弹性驱动方式下的渗流，特点是流动最先 div(V)=-M 发生在煤层的暴露面，然后不断向纵深发展，设煤 层暴露面外界压力为常压p1;在原始状态，煤层内 v=-女gradp (2) 各点瓦斯压力为p0, p=Os 本文应用二维平面流动有限流场，如图1所示 (3) PN 的顺煤层抽放瓦斯钻孔模型，其流场的定解条件如 =+=+p/ 下所示 (4) 式中，P为瓦斯压力为p时的瓦斯密度，tm3; V为瓦斯流动的速度向量，md-;M为单位体积 煤体所含的瓦斯量，tm3:k为煤的渗透率，m2; μ为瓦斯的黏度，MPad;P为瓦斯压力为pN时的 图1抽放瓦斯钻孔模型 瓦斯密度，tm-3;pN=101.3kPap为煤层瓦斯压 Fig.I Borehole model of methane drainage 力，MPa:T为煤的瓦斯含量，mt；1为煤的游 其初始条件为： 离瓦斯含量，m3t1;2为煤的吸附瓦斯含量， t=0,U=U0=p. m3t-1;n为煤层孔隙率，%；a为煤的最大吸附瓦 其边界条件为： 斯量，m3t-1;b为吸附常数；Y为煤的容重，tm-3: U=U1=p1,t>0,x2+y2>吊 y为煤的等效容重，tm一3，Y=KY,K为水分、灰 au/ax=0,aU/ay=0 (9) 分校正系数 t>0,x=士R,y=士m 式(1)~(4)分别为瓦斯在煤层中流动时的连续 式中，o为钴孔半径，m;Uo为煤层中原始瓦斯压 性方程、运动方程、状态方程和煤的瓦斯含量方 力的平方，MPa;U1为钻孔中瓦斯压力的平方
孔周围瓦斯流动规律及符合淮南矿区煤层赋存条件 的合理的瓦斯抽放参数以达到较少的钻孔布置、较 短的瓦斯抽放时间来实现提高瓦斯抽放量的目的 这对煤矿的安全生产及提高经济效益无疑都具有重 大意义． 1 顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的建立及 求解 1∙1 顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的建立 煤在形成过程中受到很多因素的影响这使煤 层具有非均质性．但从宏观上看在一个较大的区 域内除断层等地质构造带外可以看作是均质的； 煤层内的原始瓦斯压力在一定的区域内也可以看作 是均匀的．因此为使问题简化按以下假设来推导 瓦斯流动方程． （1） 基本假设．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；瓦斯可视为理想气体 瓦斯渗流过程按等温过程来处理；吸附瓦斯符合朗 格缪尔方程煤层中瓦斯解析在瞬间完成；瓦斯在煤 层中的流动服从达西定律． （2） 瓦斯流动方程的建立．在以上假设的基础 上根据流体在多孔介质中的质量守恒定律得到如 下方程组： div（ρV）＝— ∂M ∂t （1） V＝— k μ grad p （2） ρ＝ ρN p N （3） Γ＝Γ1＋Γ2＝ np／p N＋ abp 1＋bp γ′ （4） 式中ρ为瓦斯压力为 p 时的瓦斯密度t·m —3 ； V 为瓦斯流动的速度向量m·d —1 ；M 为单位体积 煤体所含的瓦斯量t·m —3 ；k 为煤的渗透率m 2 ； μ为瓦斯的黏度MPa·d；ρN 为瓦斯压力为 p N 时的 瓦斯密度t·m —3 ；p N＝101∙3kPa；p 为煤层瓦斯压 力MPa；Γ为煤的瓦斯含量m 3·t —1 ；Γ1 为煤的游 离瓦斯含量m 3·t —1 ；Γ2 为煤的吸附瓦斯含量 m 3·t —1 ；n 为煤层孔隙率％；a 为煤的最大吸附瓦 斯量m 3·t —1 ；b 为吸附常数；γ为煤的容重t·m —3 ； γ′为煤的等效容重t·m —3γ′＝ KγK 为水分、灰 分校正系数． 式（1）～（4）分别为瓦斯在煤层中流动时的连续 性方程、运动方程、状态方程和煤的瓦斯含量方 程［6—8］．由 M＝ρWΓ （5） 式中ρW 为煤层中瓦斯密度t·m —3． 将式（1）～（4）与式（5）联立得： ∂p 2 ∂t ＝φ（ p）div（λgrad p 2） （6） 式中φ（ p ） ＝2p n ＋ abr′ （1＋bp） 2 ·C ；C＝ （273＋t）／273；t 为瓦斯在流动过程中的温度℃； λ为煤层透气系数m 2（MPa 2·d） —1λ＝ K 2μp N ． 令式（6）中的 p 2＝ U得： ∂U ∂t ＝φ（ U）div（λgrad U） （7） 式中 φ（ U）＝2 U n＋ abr （1＋b U） 2 C ． 井下大多数瓦斯流场都可以简化为一维平行流 动、一维径向流动和二维平面流动的有限流场及无 限流场或者它们的组合．本文所研究的是二维平面 流动的有限流场因此有： ∂U ∂t ＝φ（ U） ∂ ∂x λ ∂U ∂x ＋ ∂ ∂y λ ∂U ∂y （8） 式中 λ＝ f （ xy）． 1∙2 顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的求解 （1） 钻孔抽放瓦斯流动方程的定解条件．瓦斯 流动属于弹性驱动方式下的渗流特点是流动最先 发生在煤层的暴露面然后不断向纵深发展．设煤 层暴露面外界压力为常压 p1；在原始状态煤层内 各点瓦斯压力为 p0． 本文应用二维平面流动有限流场如图1所示 的顺煤层抽放瓦斯钻孔模型其流场的定解条件如 下所示． 图1 抽放瓦斯钻孔模型 Fig．1 Borehole model of methane drainage 其初始条件为： t＝0U＝ U0＝ p 2 0． 其边界条件为： U＝ U1＝ p 2 1t＞0x 2＋y 2＞ r 2 0 ∂U／∂x＝0∂U／∂y＝0 t＞0x＝± Ry＝± m （9） 式中r0 为钻孔半径m；U0 为煤层中原始瓦斯压 力的平方MPa 2 ；U1 为钻孔中瓦斯压力的平方 ·1206· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 丁厚成等：顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 .1207. MPa2;po为煤层中原始瓦斯压力，MPa;p1为钻孔 流动方程，采用有限差分法的交替方向隐式方法 中的瓦斯压力，MPa;m为煤层厚度之半，m;R为 为了简化计算，采用等距差分格式，x、y方向的空 钻孔间距之半，m 间步长都为h,时间步长都为t,则有如下的差分格 (2)钻孔抽放瓦斯流动方程的解算，对于二维 式： ”,9=9u99--f》uS+fΨ h2 fi09--+f+)0的+f+309n h (10) u”u-9u99=e》u9+f用+ -v-广+f+)U++ftU h2 (11) 引入式(9)的定解条件及x、y方向上的有限空间步 数；L为时间总步数 数，式(10)的差分问题化为： 式(11)可差分为： A:UK+B:U+C:US=D AU+BUt)+CU》=D (i=1,2,…,m-1;j=1,2,…,n-1; (=1,2,…,m-1;j=1,2,…,n-1; K=1,2,…,L) K=1,2,…,L) Ug=Uo(=1,2,…,m-1;j=1,2,…n-1) Ug=Uo(=1,2,…,m-1;j=1,2,…n-1) U69=U9,09-=U31.(K=1,2,…,L) U69=U19,U9=U1,(K=1,2,,L) U8=U9,U9=U9-1(K=1,2,,L) U=U,U9=U9-1(K=1,2,…,L) (12) (14) 写成矩阵形式为： 写成矩阵形式为： B1C1 c.e 0 U1 Bi Cl … 0 U1 A2 B2 C2 … 0 U2 A2 B2 C2 0 U2 0 A3 B3 C3 0 U3 0 A3 B3 Cs U3 0 0 0 Am-1 Bm-1) Um-一y 0 0 0 An一 Bn-1 Um-1 Di Di D2 D D3 (13) Ds (15) Dn-1 Dn- 式中， 式中， A:=-fB,=1+j(f十f+1,) A=一efB=1+(fi十fi+1): C:=一f+1,j D:=U9+e[f.U91-(f十f+1)U9+ C=一e,fijt1 f+1U9]: D=U四+e[fU91- =(U9)/h2: (f.+f+1,i)U9+f+1,U1,] f=f-”f+1=f+ 2顺煤层钻孔抽放现场实验 fi,一fi-支fit1=f+ 2.1实验矿井 m为x方向的空间总步数；n为y方向的空间总步 准南矿业集团新庄孜煤矿是煤与瓦斯突出矿
MPa 2 ；p0 为煤层中原始瓦斯压力MPa；p1 为钻孔 中的瓦斯压力MPa；m 为煤层厚度之半m；R 为 钻孔间距之半m． （2） 钻孔抽放瓦斯流动方程的解算．对于二维 流动方程采用有限差分法的交替方向隐式方法． 为了简化计算采用等距差分格式x、y 方向的空 间步长都为 h时间步长都为 τ则有如下的差分格 式： U （ K＋1） ij — U （ K） ij τ ＝φ（ U （ K） ij ） f i— 1 2jU （ K＋1） i—1j —（ f i— 1 2j＋ f i＋ 1 2j ） U （ K＋1） ij ＋ f i＋ 1 2jU （ K＋1） i＋1j h 2 ＋ f ij— 1 2 U （ K） ij—1—（ f ij— 1 2 ＋ f ij＋ 1 2 ） U （ K） ij ＋ f ij＋ 1 2 U （ K） ij＋1 h 2 （10） U （ K＋1） ij — U （ K） ij τ ＝φ（ U （ K） ij ） f i— 1 2jU （ K） i—1j—（ f i— 1 2j＋ f i＋ 1 2j ） U （ K） ij ＋ f i＋ 1 2jU （ K） i＋1j h 2 ＋ f ij— 1 2 U （ K＋1） ij—1 —（ f ij— 1 2 ＋ f ij＋ 1 2 ） U （ K＋1） ij ＋ f ij＋ 1 2 U （ K＋1） ij＋1 h 2 （11） 引入式（9）的定解条件及 x、y 方向上的有限空间步 数式（10）的差分问题化为： A iU （ K＋1） i—1j ＋BiU （ K＋1） ij ＋CiU （ K＋1） i＋1j ＝ Dj （ i＝12…m—1；j＝12…n—1； K＝12…L） U （0） ij＝ U0（ i＝12…m—1；j＝12… n—1） U （ K） 0j ＝ U （ K） 1j U （ K） mj＝ U （ K） m—1j（ K＝12…L） U （ K） i0 ＝ U （ K） i1 U （ K） in ＝ U （ K） in—1（ K＝12…L） （12） 写成矩阵形式为： B1 C1 … … … 0 A2 B2 C2 … … 0 0 A3 B3 C3 … 0 0 0 0 … A m—1 Bm—1 U1 U2 U3 Um—1 ＝ D1 D2 D3 Dm—1 （13） 式中 A i＝—εijf ij；Bi＝1＋εij（ f ij＋ f i＋1j）； Ci＝—εijf i＋1j； Di＝ U （ K） ij ＋εij ［ f ijU （ K） ij—1—（ f ij＋ f ij＋1） U （ K） ij ＋ f ij＋1U （ K） ij＋1］； εij＝τφ（ U （ K） ij ）／h 2 ； f ij＝ f i— 1 2jf i＋1j＝ f i＋ 1 2j； f ij＝ f ij— 1 2 f ij＋1＝ f ij＋ 1 2 ； m 为 x 方向的空间总步数；n 为 y 方向的空间总步 数；L 为时间总步数． 式（11）可差分为： A′iU （ K＋1） i—1j ＋B′iU （ K＋1） ij ＋C′iU （ K＋1） i＋1j ＝ D′i （ i＝12…m—1；j＝12…n—1； K＝12…L） U （0） ij＝ U0（ i＝12…m—1；j＝12… n—1） U （ K） 0j ＝ U （ K） 1j U （ K） mj＝ U （ K） m—1j（ K＝12…L） U （ K） i0 ＝ U （ K） i1 U （ K） in ＝ U （ K） in—1（ K＝12…L） （14） 写成矩阵形式为： B′1 C′1 … … … 0 A′2 B′2 C′2 … … 0 0 A′3 B′3 C′3 … 0 0 0 0 … A′m—1 B′m—1 U1 U2 U3 Um—1 ＝ D′1 D′2 D′3 D′m—1 （15） 式中 A′i＝—εijf ij；B′i＝1＋εij（ f ij＋ f ij＋1）； C′i＝—εijf ij＋1； D′i＝ U （ K） ij ＋εij ［ f ijU （ K） ij—1— （ f ij＋ f i＋1j） U （ K） ij ＋ f i＋1jU （ K） i＋1j ］． 2 顺煤层钻孔抽放现场实验 2∙1 实验矿井 淮南矿业集团新庄孜煤矿是煤与瓦斯突出矿 第11期 丁厚成等： 顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 ·1207·
.1208 北京科技大学学报 第30卷 井，年设计生产能力为2.4Mt,井田走向长5.4km, 根据抽放设备的实际情况，选择抽放负压为 倾斜宽3.75km,开采面积20.23km2,可采煤层 0.05 MPa- 1317层，总厚度32.9m,本次现场实验选在 0.55 m.min-1 5213掘进工作面，此掘进工作面走向长275m,采用 旦0.45 2.731 全负压通风，瓦斯绝对涌出量为2.7m3min1,煤 -2.5579- 0.35 层平均厚度为6m,煤层平均倾角为24°. -2.3788 0.25 2.1997 2.5579 2.2边抽边掘抽放瓦斯钻孔参数的确定 2.02 51.8414 MATLAB是Math Works公司开发的一个高 0.15 8 度集成的系统，集科学计算、图像处理、声音处理于 0.080s0.100.150200250.300.35 一体，它在应用科学领域具有极强的适应能 水平方向抽放半径/m 力[0).依据顺煤层钻孔抽放瓦斯模型，利用 图3抽放负压为0.05MPa时瓦斯流场 MATLAB图像处理的优势，模拟瓦斯流场的二维等 Fig-3 Methane flow field under the 0.05 MPa pressure 值线图（等值线表示绝对瓦斯涌出量，m3·min1), 从而确定钻孔最佳抽放参数 0.42m 针对5213掘进工作面，选择各项原始参数如 0.41 0.40 下：煤的灰分为19.5%，煤的水分2.22%，煤的容重 是 1.42m3t-1,煤的最大吸附瓦斯量17.78m3t-1,吸 年 0.39 0.38 5 附常数1.224，煤的孔隙率0.38%，钻孔长度30m, 0.05 MPa 0.37 MPa 煤层原始瓦斯压力3.2MPa,煤层原始透气性系数 0.36 0.5 MPa 1 MPa 0.05≈0.36m2.MPa-2d-1 0.350 10 15 20 25 根据上述基础参数，由该软件解算出不同时刻 瓦斯抽放时间h 瓦斯压力与抽放负压、钻孔距离的关系、抽放率比较 图4不同抽放负压下抽放率随时间的变化 图和瓦斯抽放量图.由于对称性，瓦斯流场参考图 Fig.4 Change of drainage rate under different drainage pressures 只取1/4图形. (2)钻孔间距的确定.为了确定合理的钻孔间 (1)抽放负压的选择，图2和图3分别为不同 距，应首先知道钻孔的有效抽放半径，钻孔的有效 抽放负压下的瓦斯流场图，图4为抽放率比较图， 抽放半径是指在规定的抽放时间内钻孔抽放瓦斯的 从中可以看出抽放负压为OMPa时比抽放负压为 有效影响范围，从图5可知，有效抽放影响半径大 0.05MPa时的瓦斯流场的变化幅度反而小，抽放率 约为0.5m,这与该巷道掘进过程中实测数据0.5m 也较抽放负压为0.05MPa时小，其原因可能是瓦斯 相符，图5给出了不同钻孔间距的抽放效果， 供给源贫乏及钻孔漏气严重，这时就需要调整抽放 0.8 负压，抽放瓦斯的实践经验表明，由于受管路及钻 07 m'.min 孔密封性的影响，提高负压会增加巷道空气量的漏 90.6-2.9941- 入；另外由于抽瓦斯泵所能达到的负压值也有一定 2.7978 -2.9941 的限度，因此要想把抽放负压提得很高是有困难的， 0.4 -2.6018- 0.55 0.3 m.min 2.797 2.7338- 0.2 2.994 旦0.45 0.1 -2.5516 .2403 0.1 0.2 030.4 0.5 0.6 0.35 -2.5516 水平方向抽放半径m -2.3693 0.25 2.1871 1.8225 图5钻孔间距选取参考图 0.15 2 o2625 2551 Fig.5 Reference graph of borehole interval 0.100.150.200.250.300.35 为了确定合理的钻孔间距，分别对0.7m和lm 水平方向抽放半径m 的钴孔间距进行了瓦斯流场与抽放率的模拟分析， 图2抽放负压为0MPa时瓦斯流场 如图6~图8所示.从中可以看出，钻孔直径为 Fig.2 Methane flow field under the 0 MPa pressure 75mm、抽放时间为1d时，钴孔间距为0.7m比1m
井年设计生产能力为2∙4Mt井田走向长5∙4km 倾斜宽3∙75km开采面积20∙23km 2可采煤层 13～17 层总厚度 32∙9m．本次现场实验选在 5213掘进工作面此掘进工作面走向长275m采用 全负压通风瓦斯绝对涌出量为2∙7m 3·min —1煤 层平均厚度为6m煤层平均倾角为24°． 2∙2 边抽边掘抽放瓦斯钻孔参数的确定 MATLAB 是 Math Works 公司开发的一个高 度集成的系统集科学计算、图像处理、声音处理于 一体它 在 应 用 科 学 领 域 具 有 极 强 的 适 应 能 力［9—10］．依 据 顺 煤 层 钻 孔 抽 放 瓦 斯 模 型利 用 MATLAB 图像处理的优势模拟瓦斯流场的二维等 值线图（等值线表示绝对瓦斯涌出量m 3·min —1） 从而确定钻孔最佳抽放参数． 针对5213掘进工作面选择各项原始参数如 下：煤的灰分为19∙5％煤的水分2∙22％煤的容重 1∙42m 3·t —1煤的最大吸附瓦斯量17∙78m 3·t —1吸 附常数1∙224煤的孔隙率0∙38％钻孔长度30m 煤层原始瓦斯压力3∙2MPa煤层原始透气性系数 0∙05～0∙36m 2·MPa —2·d —1． 根据上述基础参数由该软件解算出不同时刻 瓦斯压力与抽放负压、钻孔距离的关系、抽放率比较 图和瓦斯抽放量图．由于对称性瓦斯流场参考图 只取1／4图形． 图2 抽放负压为0MPa 时瓦斯流场 Fig．2 Methane flow field under the0MPa pressure （1） 抽放负压的选择．图2和图3分别为不同 抽放负压下的瓦斯流场图图4为抽放率比较图． 从中可以看出抽放负压为0MPa 时比抽放负压为 0∙05MPa 时的瓦斯流场的变化幅度反而小抽放率 也较抽放负压为0∙05MPa 时小其原因可能是瓦斯 供给源贫乏及钻孔漏气严重这时就需要调整抽放 负压．抽放瓦斯的实践经验表明由于受管路及钻 孔密封性的影响提高负压会增加巷道空气量的漏 入；另外由于抽瓦斯泵所能达到的负压值也有一定 的限度因此要想把抽放负压提得很高是有困难的． 根据 抽 放 设 备 的 实 际 情 况选 择 抽 放 负 压 为 0∙05MPa． 图3 抽放负压为0∙05MPa 时瓦斯流场 Fig．3 Methane flow field under the0∙05MPa pressure 图4 不同抽放负压下抽放率随时间的变化 Fig．4 Change of drainage rate under different drainage pressures （2） 钻孔间距的确定．为了确定合理的钻孔间 距应首先知道钻孔的有效抽放半径．钻孔的有效 抽放半径是指在规定的抽放时间内钻孔抽放瓦斯的 有效影响范围．从图5可知有效抽放影响半径大 约为0∙5m这与该巷道掘进过程中实测数据0∙5m 相符．图5给出了不同钻孔间距的抽放效果． 图5 钻孔间距选取参考图 Fig．5 Reference graph of borehole interval 为了确定合理的钻孔间距分别对0∙7m 和1m 的钻孔间距进行了瓦斯流场与抽放率的模拟分析 如图6～图8所示．从中可以看出钻孔直径为 75mm、抽放时间为1d 时钻孔间距为0∙7m 比1m ·1208· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 丁厚成等：顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 ,1209 的瓦斯流场变化幅度大得多；抽放率的变化更为明 75mm较合适；随着钴孔直径的增大，孔壁煤的暴露 显，钻孔间距为0.7m比1m的抽放率大了2倍还 面亦增大，瓦斯涌出量也会增加，因此有条件时可采 多，并且还有随时间增加的趋势，因此，钻孔间距为 用大直径钻孔抽放瓦斯 0.7m是合理的 4 0.55 40 m'.min 且0.45 g365 是 0.35 20 1-0.075m 2.3549 -2.5519 744 2-0.10m 0.25 2.1670 3-0.15m 10 4-0.20m 5-0.25m 0.15 2354 0 0 50010001500200025003000 抽放时间小 0.15 0.250.350.45 水平方向抽放半径m 图9不同钻孔直径下抽放率比较 图6钻孔间距之半为0.5m时瓦斯流场 Fig9 Contrast of drainage rate at different bore diameters Fig.6 Methane flow field at the 1m borehole interval (4)抽放时间的确定.瓦斯抽放量与抽放时间 0.55 呈负指数关系，即g=goe[山.由此可知，瓦斯抽 m2.min- 0.45 放量并不是随时间而无限增加的，而是趋于一个极 2.5579 限值，对于透气性较低的煤层，由于衰减系数较大， 0.35 2.378 2.5579 一 般抽放0.5~1a时间，钻孔抽放瓦斯总量就已达 0.252.0205 2.1997 0.15 44 到钻孔极限瓦斯抽放量的80%~90%，在这样的情 2.378 2.557 况下，再增加抽放时间已没有实际意义，对提高瓦斯 0.05 抽放量的作用不明显，图10和图11为不同抽放时 .050.100.15 0.200.250.300.35 水平方向抽放半径m 间下的瓦斯抽放总量比较图，从图中可看出，随着 600 图7钻孔间距之半为0.35m时瓦斯流场 500 Fig.7 Methane flow field at the 0.7m borehole interval 日 400 300 0.80 0.75 200 0.70 0.65 100 0.60 0.55 50010001500200025003000 0.50 2 瓦斯抽放时间 0.45 1一钻孔间距为0.7m 0.40 2一钻孔间距为1m 0.35 图10抽放2880h抽放量与时间的变化关系 10 152025 瓦斯抽放时间小 Fig10 Relationship between drainage capacity and time in 2880h 图8抽放率对比 Fig.8 Contrast of drainage rate 800 600 (③)抽放钻孔直径的确定.，为了研究钻孔直径 对瓦斯抽放率的影响，以工作面顺层预抽钻孔为例， 400 煤层瓦斯基本参数与5213掘进工作面边抽边掘情 200 况下相同，抽放负压0.05MPa,抽放时间为120d进 行模拟，结果如图9所示，图9给出了不同钻孔直 003001500250035004500 瓦斯抽放时间h 径时，瓦斯抽放率随时间变化曲线.由图可知，在时 间相同时，直径越大抽放率越高，但其增长的幅度远 图11抽放4800h抽放量与时间的变化关系 比直径增长的幅度小，结合现场实际钻孔直径取 Fig.11 Relationship between drainage capacity and time in 4800h
的瓦斯流场变化幅度大得多；抽放率的变化更为明 显钻孔间距为0∙7m 比1m 的抽放率大了2倍还 多并且还有随时间增加的趋势．因此钻孔间距为 0∙7m 是合理的． 图6 钻孔间距之半为0∙5m 时瓦斯流场 Fig．6 Methane flow field at the1m borehole interval 图7 钻孔间距之半为0∙35m 时瓦斯流场 Fig．7 Methane flow field at the0∙7m borehole interval 图8 抽放率对比 Fig．8 Contrast of drainage rate （3） 抽放钻孔直径的确定．为了研究钻孔直径 对瓦斯抽放率的影响以工作面顺层预抽钻孔为例 煤层瓦斯基本参数与5213掘进工作面边抽边掘情 况下相同抽放负压0∙05MPa抽放时间为120d 进 行模拟结果如图9所示．图9给出了不同钻孔直 径时瓦斯抽放率随时间变化曲线．由图可知在时 间相同时直径越大抽放率越高但其增长的幅度远 比直径增长的幅度小结合现场实际钻孔直径取 75mm较合适；随着钻孔直径的增大孔壁煤的暴露 面亦增大瓦斯涌出量也会增加因此有条件时可采 用大直径钻孔抽放瓦斯． 图9 不同钻孔直径下抽放率比较 Fig．9 Contrast of drainage rate at different bore diameters （4） 抽放时间的确定．瓦斯抽放量与抽放时间 呈负指数关系即 q＝q0e —αt ［11］．由此可知瓦斯抽 放量并不是随时间而无限增加的而是趋于一个极 限值．对于透气性较低的煤层由于衰减系数较大 一般抽放0∙5～1a 时间钻孔抽放瓦斯总量就已达 到钻孔极限瓦斯抽放量的80％～90％在这样的情 况下再增加抽放时间已没有实际意义对提高瓦斯 抽放量的作用不明显．图10和图11为不同抽放时 间下的瓦斯抽放总量比较图．从图中可看出随着 图10 抽放2880h 抽放量与时间的变化关系 Fig．10 Relationship between drainage capacity and time in2880h 图11 抽放4800h 抽放量与时间的变化关系 Fig．11 Relationship between drainage capacity and time in4800h 第11期 丁厚成等： 顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用 ·1209·
,1210 北京科技大学学报 第30卷 抽放时间的增长，瓦斯抽放量也相应增加，但随着时 (王兆丰，刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨煤 间增长抽放量的曲线变化逐渐变缓，有达到一稳定 矿安全，2005,36(3)：29) 值的趋势.从模拟结果来看，以120~200d为宜， [4]Cheng JJ.Cheng S R.The problem and countermeasure of gas drainage in coal mine.Coal Eng,2005(1):33 3结论 (程建军，程绍仁，煤矿瓦斯抽放存在问题及对策，煤炭工程， 2005(1):33) (1)提出顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的数学 [5]Ma P L.The present status and prospect of gas drainage in Chi- 模型，并利用数值模拟来确定合理的抽放参数，从 na.China Coal Mine,2004.30(2):5 实验效果来看，该种方法是可行、有效的 (马丕梁.我国煤矿抽放瓦斯现状及展望.中国煤炭，2004,30 (2)5) (2)钻孔间距越小，抽放率越高；钻孔直径越 [6]Li Z X.Study on numerical simulation of gas emission regularity 大，抽放率越高；抽放时间越长，抽放率越高：在相同 and boundary condition of the goaf in coal caving of the fully 条件下，要想提高瓦斯抽放率，缩小钴孔间距比增大 mechanized.JChina Coal Soe.2002.27(2):174 钻孔直径效果更明显， (李宗翔综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究·煤 (③)从模拟计算结果可知，现场抽放负压应在 炭学报，2002,27(2)：174) 0.05~0.1MPa范围内为宜，钻孔间距取0.7m,钻 [7]Zhou W J.Fang X W.Research on gas leakage from high level borehole gas drainage.Coal Sci Technol,2006,34(1):76 孔直径取75mm,抽放时间以120~200d为宜. (周卫金，方小伟·高位钻孔抽放的瓦斯渗流研究·煤炭科学技 (4)该矿煤层的瓦斯抽放参数可以在矿区相近 术，2006,34(1)：76) 煤层赋存条件下推广应用，有利于高瓦斯矿井的安 [8]Li T L.Tao Y M.Gas flow patterns and treatment in goaf.Saf 全生产 Coal Mines,2003,34(5):14 (李铁良，陶玉梅采空区瓦斯运移规律与治理方法煤矿安全， 2003,34(5):14) 参考文献 [9]Zhang SQ.Applied Tutorial of MATLAB 7.0.Beijing:China [1]Lu L N.Wang X S,Yu HH,et al.Gas drainage is an efficient Machine Press.2006 method of gas treatment.Saf Coal Mines.2001(5):1 (张圣勤.MATLAB7.0实用教程.北京：机械工业出版社，2006) (卢连宁，王秀山，于辉华，等.瓦斯抽放是治理瓦斯的有效方 [10]Zhang D F.Numerical Analysis and Application of MAT- 法.煤矿安全，2001(5)：1) LAB.Beijing:China National Defence Press,2007 [2]Wu C F.Ceng Y.Qin Y.Present situation.application.and de- (张德丰.MATLAB数值分析与应用·北京：国防工业出版社， velopment of simultaneous extraction of coal and gas.J China 2007) Univ Min Technol,2004,33(2):137 [11]Li G,Lie B S.Xue E L.et al.The effect and analysis of gas (吴财芳，曾勇，素勇煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用 drainage in advance for the working face.Coal Eng.2006(7): 发展.中国矿业大学学报，2004,33(2)：137) 31 [3]Wang Z F,Liu J.The problem and countermeasure of gas (李钢，聂百胜，薛二龙，等.工作面瓦斯预抽效果考察与分析 drainage in China coal mine.Saf Coal Mines.2005.36(3):29 煤炭工程，2006(7)：31)
抽放时间的增长瓦斯抽放量也相应增加但随着时 间增长抽放量的曲线变化逐渐变缓有达到一稳定 值的趋势．从模拟结果来看以120～200d 为宜． 3 结论 （1） 提出顺煤层钻孔抽放瓦斯流动方程的数学 模型并利用数值模拟来确定合理的抽放参数．从 实验效果来看该种方法是可行、有效的． （2） 钻孔间距越小抽放率越高；钻孔直径越 大抽放率越高；抽放时间越长抽放率越高；在相同 条件下要想提高瓦斯抽放率缩小钻孔间距比增大 钻孔直径效果更明显． （3） 从模拟计算结果可知现场抽放负压应在 0∙05～0∙1MPa 范围内为宜钻孔间距取0∙7m钻 孔直径取75mm抽放时间以120～200d 为宜． （4） 该矿煤层的瓦斯抽放参数可以在矿区相近 煤层赋存条件下推广应用有利于高瓦斯矿井的安 全生产． 参 考 文 献 ［1］ Lu L NWang X SYu H Het al．Gas drainage is an efficient method of gas treatment．Saf Coal Mines2001（5）：1 （卢连宁王秀山于辉华等．瓦斯抽放是治理瓦斯的有效方 法．煤矿安全2001（5）：1） ［2］ Wu C FCeng YQin Y．Present situationapplicationand development of simultaneous extraction of coal and gas． J China Univ Min Technol200433（2）：137 （吴财芳曾勇秦勇．煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用 发展．中国矿业大学学报200433（2）：137） ［3］ Wang Z FLiu J．The problem and countermeasure of gas drainage in China coal mine．Saf Coal Mines200536（3）：29 （王兆丰刘军．我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨．煤 矿安全200536（3）：29） ［4］ Cheng J JCheng S R．The problem and countermeasure of gas drainage in coal mine．Coal Eng2005（1）：33 （程建军程绍仁．煤矿瓦斯抽放存在问题及对策．煤炭工程 2005（1）：33） ［5］ Ma P L．The present status and prospect of gas drainage in Ch-i na．China Coal Mine200430（2）：5 （马丕梁．我国煤矿抽放瓦斯现状及展望．中国煤炭200430 （2）：5） ［6］ Li Z X．Study on numerical simulation of gas emission regularity and boundary condition of the goaf in coal caving of the fullymechanized．J China Coal Soc200227（2）：174 （李宗翔．综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究．煤 炭学报200227（2）：174） ［7］ Zhou W JFang X W．Research on gas leakage from high level borehole gas drainage．Coal Sci Technol200634（1）：76 （周卫金方小伟．高位钻孔抽放的瓦斯渗流研究．煤炭科学技 术200634（1）：76） ［8］ Li T LTao Y M．Gas flow patterns and treatment in goaf．Saf Coal Mines200334（5）：14 （李铁良陶玉梅．采空区瓦斯运移规律与治理方法．煤矿安全 200334（5）：14） ［9］ Zhang S Q．Applied T utorial of MATL AB7∙0．Beijing：China Machine Press2006 （张圣勤．MATLAB 7∙0实用教程．北京：机械工业出版社2006） ［10］ Zhang D F． Numerical A nalysis and Application of MATL AB．Beijing：China National Defence Press2007 （张德丰．MATLAB 数值分析与应用．北京：国防工业出版社 2007） ［11］ Li GLie B SXue E Let al．The effect and analysis of gas drainage in advance for the working face．Coal Eng2006（7）： 31 （李钢聂百胜薛二龙等．工作面瓦斯预抽效果考察与分析． 煤炭工程2006（7）：31） ·1210· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷