摘 要：为了寻求合理的钻孔抽采半径，采用数值模拟方法，应用Comsol Multiphysics软件对所建立的钻孔瓦斯抽采几何模型进行数值解算。由数值解算结果可知：随着抽采时间的延长，钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐减小；对钻孔周围煤体瓦斯流动的时效性进行了研究，确定了不同抽采时间段的有效半径，为合理确定抽采钻孔数量和提高抽采量提供依据。
关键词：抽采钻孔；数值模拟；渗透率；瓦斯压力
1 模型的建立
假设钻孔周围煤体瓦斯流动符合Darcy Law，视瓦斯为理想气体，按照等温过程来处理瓦斯气体流动过程，煤层顶底板为不透气岩层，瓦斯仅在煤层中流动，基于理想气体状态方程和Darcy Law建立钻孔周围煤体瓦斯运动的动力力学模型，用于模拟钻孔周围煤体的瓦斯流动规律[4，6]。
1.1 几何模型
本次抽采半径的数值模拟可采取二维平面模型进行模拟计算。建立模型如图l所示：模型高（煤层厚度）为3m，长为80m，模型底部的边界固定，左右两侧的边界为竖直自由边界，顶部加载上覆岩层重力，顶部应力为8.04MPa，钻孔半径为94mm，抽采负压为13kPa，瓦斯压力为1.03MPa，钻孔布置在模型中心位置，取H方向为y轴方向，L方向为x轴方向。
1.1.1 数值计算模型
选取抽采钻孔的俯视方向断面对其进行研究，几何模型如图1所示。
图1 均质煤层单孔抽采模型
1.1.2 网格划分
网格为默认自由网格并进行细化，如图2所示。
1.2 模型选择和边界条件
初始条件：煤体内部初始瓦斯压力P（x，y）=1.03MPa，初始应力场位移ui=0，（i=1，2）。边界条件：根据假设条件瓦斯气体只在煤层中流动，渗流场边界条件为：
（1）
2 应用实例
为了能够得到钻孔周围煤体的抽采有效半径，依据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽采规范》的规定，煤层预抽率要求为30%，即残余瓦斯含量为原始瓦斯含量的70%，此时残余瓦斯压力为原始瓦斯压力值的49%，瓦斯压力下降51%。该矿煤层瓦斯压力为1.03MPa，即采取抽采措施后，瓦斯压力下降到0.50MPa的区域为有效抽采半径[7]，利用模拟软件对所建立的几何模型进行数值计算，在对瓦斯抽采半径进行数值计算前，依据煤层的初始地应力、初始瓦斯压力、煤的单轴抗压强度、内摩擦角、泊松比、煤的初始孔隙率、透气性系数等参数对抽采时间为0d、30d、60d、90d、120d的钻孔周围瓦斯压力分布规律和抽采半径进行数值模拟，如图3和图4所示。
图3 不同抽采时间钻孔瓦斯压力分布曲线图
图4 抽采时间与抽采半径关系曲线
从图3和图4可以看出，随着抽采时间的延长，钻孔周围煤层瓦斯压力逐渐降低；同时，钻孔抽采半径逐渐增大，抽采30d时半径为0.36m，抽采60d时半径为0.58m，抽采90d时达到0.81m，抽采120d时增大到1.04m。
3 结束语
文章利用Comsol Multiphysics软件对煤层抽采钻孔进行了模拟，得到以下结论：通过对不同抽采时间钻孔周围煤体瓦斯压力分布规律进行分析，得出了随着时间的延长，煤层中的瓦斯压力逐渐下降；同时，随着抽采时间的延长，钻孔抽采瓦斯的抽采半径均逐渐增大，抽采半径增大的速率逐渐减缓。
参考文献
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