夹矸对煤层瓦斯抽采影响的数值模拟研究.pdf

第 4 4卷 第 2 期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t omat i o n V0 L 4 4 NO ． 2 Fe b ． 2 O1 8 ◆ ’ ◆ ◆ ’ ◆ i实验研究 - ．◆ ◆ ． ． 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 5 5 0 8 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 1 0 0 0 4 6 夹矸对煤层瓦斯抽采影响的数值模拟研究 刘泉霖 ， 王恩元 。 ， 李忠辉 。 ， 孔祥国 1 ． 中 国矿 业大 学 煤矿 瓦斯 与火 灾 防治 教育 部重 点实 验 室 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中 国矿 业 大学 安 全工 程学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 为解决含 夹矸 煤层 瓦斯抽采钻 孔的合 理布 置 问题 ， 通 过建 立 瓦斯抽 采 的煤岩 体 变形控 制 方程 、 瓦斯 运移控 制方程 和孔 隙率 与渗 透 率 演化 方程 ， 结合 瓦斯抽 采 的初 始及 边界 条件 ， 推 导 出 了瓦斯抽 采 固气耦 合 模 型 。利 用 多物 理场分析软件 C O MS OL Mu l t i p h y s i c s ， 并结合 某矿 I vl 。 煤 层 的实 际地 质条 件 ， 对 煤层 单一抽 采 钻 孔周围煤体的瓦斯压力、 渗透率、 位移的分布规律进行 了数值模拟与分析， 确定 了含夹矸煤层瓦斯抽采钻孔的 孔 间距 ， 从 而为含 夹矸煤层抽 采钻孔 的优 化 布置提 供 了依 据 。研 究 结果表 明 ， 在 瓦斯 抽 采过程 中， 随 着煤体 距 钻孔距 离的减小， 煤层不合夹矸时钻孔周 围煤体瓦斯压力下降幅度、 渗透率上升幅度最小， 钻孔周 围煤体位移 量最大； 钻孔未穿过夹矸时钻孔周围煤体瓦斯压力下降幅度、 渗透率上升幅度最大， 钻孔周围煤体位移量最小。 关键 词 煤炭 开采 ；含 夹矸 煤 层 ；瓦斯抽 采 ；固气耦 合模 型 ；抽采 钻 孔 ；孔 间距 中图分类号 T D7 1 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 8 0 1 1 8 1 6 0 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 8 0 1 1 8 ． 1 4 0 3 ． 0 0 1 ． h t r n l 收稿 日期 2 0 1 7 1 0 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 7 1 2 2 9 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 5 7 4 2 3 1 。 作者简介 刘泉霖 1 9 9 3 一 ， 男 ， 江苏东海人 ， 硕士研究生 ， 主要研究 方向为煤岩瓦斯动力灾害及 多场耦合 ， E ma i l L i u q l s e c u r i t r } 1 2 6 ． c o rn。 引用格式 刘泉霖 ， 王恩元 ， 李忠辉， 等． 夹矸对煤层 瓦斯 抽采影 响的数 值模拟研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 5 5 6 2 ． L I U Qu a n l i n ， WANG E n y u a n ， L I Z h o n g h u i ， e t a 1 ．Nu me r i c a l s i mu l a t i o n s t u d y o n i n f l u e n c e o f g a n g u e o n c o a l s e a m g a s d r a i n a g e [ J ] I nd u s t r y a n d Mi ne Au t o ma t i o n， 2 01 8， 4 4 2 55 6 2 [6] [7] [8] [ 9] LI U Ya n g，YANG J i e mi n g ．S t u d y o n p o s i t i o n i n g me t h o d f o r u n d e r p i t o p e r a t o r s b a s e d o n C C 2 4 3 1 [ J ] ． Co a l Mi n e Ma c h i n e r y， 2 0 1 0 ， 3 1 6 4 9 5 1 ． 朱煜钰 ， 王增胜． 基 于物 联 网 R F I D的人员 定位 研 究 [ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 1 0 2 2 1 9 2 0 ． 顾 煊． 基 于 R F I D 的定 位跟 踪 管理 技 术研 究 与 开 发 [ D ] ． 上海 上 海交通大学 ， 2 0 0 7 ． 祖军 ， 郝润科 ， 杨光． UWB技术在 消 防员位置 定位 系 统研 究 与 应 用 [ J ] ． 计 算 机 系 统 应 用 ， 2 0 1 2 ， 2 1 8 1 56 15 9 ． Z U J u n， HAO Ru n k e ， YANG Gu a n g ． S y s t e m r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n b a s e d o n UW B t e c h n o l o g y i n f i r e l o c a t i o n[ J ] ．C o mp u t e r S y s t e ms 8 L Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 1 2， 2 1 8 1 5 6 1 5 9 ． 肖竹 ， 王勇超 ， 田斌 ， 等． 超宽带定位研究 与应 用 回顾 和展望[ J ] ． 电子学报 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 3 3 1 4 1 ． XI AO Z h u，W ANG Yo n g c h a o ，TI AN Bi n，e t a 1 ． De v e l o p me n t a n d p r o s p e c t o f u l t r a - wi d e b a n d l o c a l i z a t i o n r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n [ J] ． Ac t a E l e c t r o n i c a S i n i c a ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 3 3 - 1 4 1 ． r i o ] 包 建军 ， 霍振 龙 ， 徐炜 ， 等． 一种高 精度 井下人 员无 线 定位方法口] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 O 1 8 2 1 ． B AO J i a n j u n，HUO Z h e n l o n g，XU W e i ，e t a 1 ．A wi r e l e s s l o c a t i o n me t h o d wi t h h i g h p r e c i s i o n f o r u n d e r g r o u n d p e r s o n n e l t r a c k i n g[ J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 0 9 ， 3 5 1 0 1 8 - 2 1 ． [ 1 1 ] 孙恩吉 ， 李 仲学 ， 李翠 平． 基于 R F I D及 WS N技 术 的 矿 山实 时三维定 位及灾 害预 警平 台[ J ] ． 中国安 全生 产科学技术 ， 2 0 0 9 ， 5 3 3 6 4 0 ． S UN En j i ， L I Z h o n g x u e ， L I Cu i p i n g ． Th e r e a l t i me 3 D l o c a l i z a t i o n a n d h a z a r d wa r n i n g“p l a t f o r m b a s e d o n t h e R F I D a n d WS N i n u n d e r g r o u n d mi n e [ J ] ． J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 9 ， 5 3 3 6 4 0 ． [ 1 2 ] 包建军． 煤矿 井下装备接近探测方法 研究[ J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 - 4 ． BAO J i a n j u n ． Re s e a r c h o n p r o x i mi t y d e t e c t i o n me t h o d f o r ma c h i n e s i n c o a l mi n e [ J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 - 4 ． 5 6 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n s t u d y o n i n f l ue n c e o f ga n g ue o n c o a l s e a m g a s d r a i n a g e L I U Qu a n l i n 一， W ANG En y u a n 一， LI Z h o n g h u i 一， KONG Xi a n g g u o 1． Ke y La bo r a t o r y o f Coa l M i n e Ga s a nd Fi r e Pr e v e n t i o n a nd Co nt r o l ，M i ni s t r y of Edu c a t i o n，Chi na U n i v e r s i t y o f M i ni n g a n d Te c hn o l og y，Xuz ho u 2 21 1 1 6，Ch i n a； 2． Sc h oo l o f Sa f e t y En gi n e e r i ng，Ch i na Uni v e r s i t y of M i ni ng a n d Te c h no l o gy，Xu z ho u 2 21 1 1 6，Chi n a Ab s t r a c t I n o r de r t o s o l ve p r o bl e m of r e a s o na b l e a r r a n ge m e nt o f g a s d r a i na g e bo r e ho l e i n c o a l s e a m c o nt a i ni n g g a n gu e， a s ol i d ga s c o u pl i n g mod e l o f g a s d r a i na ge wa s d e d uc e d wi t h i n i t i a l a nd b ou nd a r y c on di t i o ns b y e s t a bl i s hi n g c on t r o l e qu a t i o n of c o a 1 a n d r o c k d e f or ma t i on，c o nt r o 1 e q ua t i o n o f g a s mi g r a t i o n a n d e vo l ut i o n e qu a t i o n o f po r o s i t y a nd pe r m e a bi l i t y．Di s t r i b ut i on l a ws o f ga s p r e s s u r e ， p e r me a bi l i t y a nd d i s p l a c e me n t d e f or ma t i o n o f c o a l b o dy a r o un d s i ng l e bo r e h ol e we r e nu m e r i c a l s i mul a t e d a nd a na l y z e d b y us e o f m u l t i p hy s i c s f i e l d a na l ys i s s o f t wa r e COM SOL M uhi phy s i c s c o m b i ni n g wi t h a c t ua l g e o l o gi c a l c o n d i t i o n s o f I V1 3 c o a l s e a m o f a mi n e ． Ho l e s p a c i n g o f g a s d r a i n a g e b o r e h o l e s i n c o a l s e a m c o n t a i n i n g ga ng ue wa s a l s o d e t e r mi ne d，whi c h pr o vi d e d b a s i s f or o p t i ma l a r r a ng e m e nt o f d r a i n a g e b or e ho l e s i n c oa l s e a m c o nt a i ni n g ga ng ue ．Th e r e s e a r c h r e s u l t s s ho w t ha t du r i ng g a s d r a i n a g e pr o c e s s ，a l on g wi t h d e c r e a s e o f di s t a n c e b e t we e n c o a l b o dy a nd b o r e ho l e，f a l l i n g r a ng e o f g a s p r e s s u r e a n d r i s i n g r a ng e o f pe r me a b i l i t y o f c o a l b o d y a r o u n d b o r e h o l e a r e t h e mi n i mu m，a n d d i s p l a c e me n t o f c o a l b o d y a r o u n d b o r e h o l e i s t h e m a x i mum whe n c o a l s e a m c o nt a i ns no g a n gu e； f a l l i ng r a n ge o f g a s p r e s s ur e a nd r i s i ng r a n ge of pe r me ab i l i t y o f c o a l b od y a r o un d bo r e ho l e a r e t he m a x i mu m ， a n d d i s pl a c e m e nt o f c o a l bo d y a r ou nd b o r e ho l e i s t he m i n i m u m whe n b o r e ho l e do e s no t c r o s s g a n gu e． Ke y wo r d sc o a l mi ni ng； c o a l s e a m c o nt a i ni n g g a ng ue； g a s dr a i n a g e； s o l i d g a s c o up l i ng m o d e l ； d r a i n a g e b o r e ho l e；ho l e s p a c i ng 0 引言 中国煤层 瓦斯赋存丰富， 但随着煤炭开采条件 的恶化 ， 瓦斯灾害 日趋严重l 1 ] 。瓦斯抽采作为防范 瓦斯 事故 的重要 手 段 ， 不仅 可大 幅 降低 煤 层 瓦斯 含 量 ， 还 可将 瓦斯 作 为 一 种 清洁 能 源加 以利 用 。由 于煤 层成煤 时期 或 成煤 环 境 不 同 ， 许 多地 区煤 层结 构 中含有 少量夹 矸层 ， 给 瓦斯抽采 工作 带来 困难 ， 影 响矿井 的安 全 、 高 效 生 产。 。 ] 。有必 要 对 瓦 斯 抽采 时 瓦斯 渗 流及煤岩 体 变形 机 理 进 行讨 论 ， 从 而 针 对含 夹矸 煤层 瓦斯抽 采钻 孔设计 提 出合理 布置方 法 。 钻孔抽 采 瓦斯过 程 中瓦斯气 体运 移与煤 岩层 固 体变形之间具有复杂的、 相互影响的耦合关系， 众多 学者 在研 究煤层 瓦斯 渗流规 律 的基础 上对钻 孔抽采 瓦斯的相关机理进行 了分析研究工作 。梁冰等l 4 建 立 了瓦斯 抽采 时 的耦 合渗 流 模 型 ， 模 拟研 究 了抽采 时 瓦斯 在 煤层 中的 运移 规律 ； 张美 红 等 建立 了瓦 斯抽采 固气耦合动态数学模 型； 张迎新等_ 6 建立了 瓦斯 抽采 数学模 型 ， 模 拟 研 究 了抽 采 时 煤层 瓦 斯 演 化规律 ； 王宏 图等l_ 7 建立 了钻孔抽采瓦斯渗流的固 气耦合数学模型， 模拟研究了本煤层单一顺层钻孔 的渗 流场 规 律 ； 鲁义 等 建立 了钻 孔抽 采 条件 下 瓦 斯渗流固气耦合模型 ， 模拟研究 了抽采钻孔 的抽采 半 径 ； 王登科 等 建 立 了煤层 渗 透率动 态变化 模 型 ， 模拟研究了煤层瓦斯抽采过程 中的煤体透气性变化 规律 ； 王青元 等口 叨 模 拟分 析 了瓦斯 抽采 时采 空 区上 覆 岩层 瓦斯 运移规 律 。 对含夹矸煤层的研究主要集中于煤层的固体力 学特性 、 煤壁稳定 性分析等方面口 “ ] ， 对 于含夹矸 煤 层 瓦斯抽 采方 面 的研 究 却 鲜有 报 道 。基 于 此 ， 本 文建立了考虑煤岩体变形、 煤体瓦斯运移 、 孔隙率与 渗透率演化的瓦斯抽采 固气耦合模型 ， 并模拟分析 了单一抽采钻孔周围煤体瓦斯压力 、 渗透率、 位移的 分布 规律 ， 确 定 了含 夹矸 煤 层 瓦斯 抽 采 钻 孔 的孔 间 距， 可为含夹矸煤层抽 采钻孔的合理布置提供理论 依据 。 1瓦斯抽 采 固气 耦合模 型 对瓦斯 抽采 固气 耦合 模 型作 出如下 假设 ① 煤 岩体视为各 向同性均匀介质 ， 煤岩体骨架服从 弹性 变形 ； ② 瓦斯在煤体 中的流动视为等温过程 ； ③ 煤 层内瓦斯流动为单向流动 ， 且煤层中原始瓦斯压力 2 0 1 8年第 2期 刘泉霖等 夹矸对煤层瓦斯抽采影响的数值模拟研究 ．5 7． 分布均匀； ④ 煤体 瓦斯渗流服从 D a r c y定律 ， 煤体 基质系统 中瓦斯只通过吸附解吸与裂隙系统中瓦斯 发生质量交换 ； ⑤ 夹矸视为渗透率较低但仍有瓦斯 流动的岩体 ， 且渗透率无时空演化特征。 1 ． 1 煤 岩体 变形 控制 方程 含 瓦 斯 煤 岩 体 的变 形 控 制 方 程 由应 力 平 衡 方 程 、 几 何方 程 和本 构 方 程 3个 部 分组 成 。含 瓦斯 煤 岩体 的应 力平衡 方 程为 F 一 0 1 式 中 ， ， 为煤岩体总应力分量 对坐标 的一 阶偏 导数 i ， J为 主 方 向 ， N／ m。 ； F 为 体 积 力 分 量 ， N／ m。 。 煤 岩体 变形 的几 何方 程 为 1 e 一 音 ， 2 式 中 为线应变分量； U 分别为位移分量 “ ， 对 坐标 的一 阶偏 导数 。 由广义 Ho o k e 定 律 ， 得 到煤 岩体 的本 构方 程 一 2 Ge 8 v 如 一 a 户 3 式 中 G为煤岩体的剪切模量 ， MP a ； 为泊松 比； e 、 ， 为煤岩体的体积应变 ； 为 Kr o n e c k e r 变量 时 取 1 ， i ≠ 时取 0 ； a 为 B i o t系 数； P为 瓦斯 压 力 ， MP a 。 联 合式 1 一式 3 ， 可 得 以位 移 表示 的考 虑 孔 隙压力 的煤岩体变形控制方程 G U i， 兰 一ff p P F i 一0 4 式 中 ， 分别为位移分量 “ ， 对坐标 的二 阶 偏 导数 。 1 ． 2瓦斯 运移 控 制方程 瓦斯 以游离状态与吸附状态赋存在煤体 中， 煤 体 的裂 隙系统为游离 瓦斯 提供 了赋存 和渗流 的通 道， 单位体积煤体裂隙系统 中瓦斯气体的质量平衡 方 程 为 ％ V p g q 一Q 5 式 中 舰 为 单 位 体 积煤 体 中游 离 瓦斯 质 量 ， k g ／ m3 ； t 为时 间 ， s ； 为 瓦 斯 密度 ， k g ／ m 3 ； q为 忽 略重 力 影 响 的 D a r c y速度， m／ s ； q 一一k V p ／ ， k为煤体 渗透率 ， m 2 ， 为瓦斯动力黏度， P as ； Q为单位体积煤体基 质系统与裂隙系统的质量交换率， k g ／ m s s 。 在 等 温条 件 下 ， 游 离 瓦斯 含 量 仅 与 瓦斯 压 力 有 关 ， 根据 气体 状态 方程 ， 可 得单 位体 积含 瓦斯 煤体 内 游离 瓦斯 质量 为 mf一 9P 一 6 n 式 中 为煤体孔 隙率 ， ； P 为标准大气压下瓦斯 密度 ， k g ／ m。 ； P 为标准大气压 ， MP a 。 瓦 斯 在 煤体 中 的扩 散 以气 相 扩 散 为 主 ， 根据 质 量守恒定律 ， 单位体积煤体基质系统中瓦斯质量随 时间的变化率等于单位体积煤体基质系统与裂隙系 统 的质 量交 换率 一一 Q 7 式中 m 为单位体积煤体中吸附瓦斯质量 ， k g ／ m。 。 考虑煤体内水分 、 灰分 、 可燃物百分 比等因素对 瓦斯吸附的影 响 ， 可 由修正后 的 L a n g mu i r 方程 得 到单位体积煤体中吸附瓦斯质量 优 一 P 告 ㈣ 一 F s c 而 面 式中 a为煤体极限瓦斯吸附量 ， m。 ／ k g ； b为煤体吸 附常数， MP a ～ 为煤体密度 ， k g ／ m。 ； A 为煤体灰 分 ， ； M 为煤体 水 分 ， ％ 。 令 R p P 车 ， 并 联 立 式 5 一 式 8 ， 得 一 警 一 9 1 ． 3孔 隙率与渗 透 率演化 方程 煤 体孔 隙率 与 渗 透率 是 变 形 场 、 瓦斯 运 移 场耦 合中关键 的耦合项 ， 由孔隙率的定义 ， 经推导可得煤 体孔隙率口 一 Vv 一 1 一 1 -2 -V 2。o 1 0 一 一 卜 I 十 J u 式 中 为 孔 隙体 积 ， m。 ； V 为 煤体 外 观 体积 ， m。 ； ∞ 。为初 始孑 L 隙率 ， ； △ V 为煤体 骨架体 积变 化， m。 ； △ V。 。 为初始煤体骨架体积变化 ， m。 。 综合文献 [ 1 6 1 7 ] 的研究 可知 ， 煤 体体积 变形 A V ／ a v。 。 包 括 由 瓦 斯 压 力 变 化 引 起 的 变 形 △ V ／ A V 煤 体 颗 粒 吸 附 瓦 斯 膨 胀 引 起 的 变 形 △ V ／ △ 。 。 和 煤 体 骨 架 颗 粒 热 膨 胀 引 起 的 变 形 △V ／ △ 、 ／ r 。 o AV。 一 △ V p △ V f A V 一 △V。 o △V o 一 △ 户 研 a △ T 11 式 中 E 为煤体 弹 性模 量 ， MP a ； A p为 瓦斯压 力 改变 量 ， MP a ； e L为 L a n g mu i r体 积 应 变 常 数 ； P L为 5 8 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 I ． a n g mu i r 力 常 数 ， M P a ； 口为 煤 体 体 膨 胀 系 数 ， K ； △1 ’ 为绝 对 温度改 变 量 ， K。 依 据文 献[ 1 8 ] 可 推导 出描 述孔 隙率 与渗 透率 最 常用 的 立方 定律 一 是 ＼ ／ ⋯ 式 中 志 。为煤 体初 始渗 透率 ， m 。 m前 文所 述 的假 设 ， 瓦斯 在 煤 体 中 的 流动 为 等 温过 程 ， 故可忽 略 △丁， 联 立 式 1 0 一 式 1 2 分 别得 煤体 孔 隙率 和渗透 率动 态演 化方 程 一 一 [ 一 △ _ I 1 3 P P I 1 c J 是 一 是 。 { [ 一 △ E1 ．户 P PI 1一 ∞ 1 ． 4 固 气 耦 合 模 型 1 4 巾式 4 、 式 9 、 式 1 3 、 式 1 4 可 得 瓦 斯抽 采 同气 耦合 模型 G“ ， _i 一 p F 一 0 O t V 一 ＼ ／ 一 垦 Ot 一 一 [ 一 △ 兰 ] P Pi 1一 。 J 走 一 是 。 { 一 南[ 一 △ 丽 P P 1 1 一 o J J 2 数 值模 拟 由于所建 立 的瓦斯 抽采 同气 耦合 模 型包 含多个 复杂 的偏 微分 方程 ， 难 以通 过解析 方 法求得 精 确解 ， 所 以 本 文 采 用 多 物 理 场 分 析 软 件 MS I Mu h i p h y s i c s 对 该模 型 进 行 求 解 。其 中 ， 煤 岩 体 变 形 控 制方 程 式 4 用 S o l i d模 块 进 行 解 算 ， 瓦 斯运 移 控 制方 程 式 9 用 I a r c y模 块 进 行 解 算 。在 对 含夹 矸煤 岩层 进行 数 值 模 拟 时 ， 考 虑 夹 矸 巾 的 瓦斯 运 移 ， 用 瓦斯运 移控 制方 程覆 盖整 个 含夹矸 煤层 。 2 ． 1 工 程 背 案 以某 矿 三 采 区 I V 。 煤 层 为地 质 背 景 。该 煤 层 倾 角 为 3 O 。 ， 平 均 厚 度 为 5 ． 0 8 m， 内 含 2层 夹 矸 ， 将 煤 层分 为 上 、 中 、 下 3个 分层 。该 煤层 直接 顶 为细砂 岩 ， 普 氏 系数为 4 ～6 ； 基本 顶 为 中粗 砂 岩 ， 普 氏 系数 为 6 ～8 ； 直接 底 为含 炭细砂 岩 ， 普 氏系数 为 2 ～6 ； 基 本 底为 中粗 砂岩 ， 普 氏系 数 为 5 ～6 。根 据 各 巷道 施 工 期 间揭露 的 I V 。 煤 层 情 况 ， 其 上 分层 煤 层 平 均 厚 度 为 1 ． 7 ～2 ． 4 m， 中间 分层 煤 层平 均 厚度 为 1 ． 9 ～ 2 ． 6 m， 下 分层煤 层 平均 厚度 为 0 ． 7 ～ 1 ． 6 m j 层夹 矸平 均 厚度 为 1 ． 0 m， 下层 夹 矸平 均 厚 度 为 0 ． 3 F I 1 。 该 煤层 最 大原始 瓦斯 压力 为 0 ． 6 7 MP a ， 瓦斯 含 量为 2 ． 7 2 0 0 ～1 2 ． 3 2 2 8 m ／ t ， 透气 性 系数 为 0 ． 4 9 8 6 ～ 3 ． 9 5 7 0 m ／ MPa d 。 2 ． 2 几何模 型 及边 界条 件 对该 矿 I V 煤 层 所 在 区域 合 理 简 化 ， 建 立 2 0 0 m1 0 0 m 的几 何模 型 ， 如 图 1所示 。为研 究瓦 斯 放散 情况 ， 穿 过煤 层 且 沿 煤 层倾 向设 置 1条监 测 线 ， 监 测线端 点 坐 标 为 2 5 ． 7 2 m， 0 ． 1 0 1 ． 9 5 5 m， 4 0 ． 5 8 9 m 。钻 孔 开 孔 点 位 于 下 层 夹 矸 顶 板 中 部 ， 直 径为 9 4 mm， 抽 采 负压 为 1 5 k P a 。 在 初 始 时刻 ， 煤 体 与夹 矸瓦 斯压 力 均 为 0 ． 6 7 MP a 。各物 理 场 的边 界 条件 ① 煤 体 变 形 场 。顶 部 边 界 施 加 l 2 ． 5 MP a 载 荷 ， 模 拟 上 覆 岩 层 的 重 力 作 用 ； 两 侧 边 界 施 加 1 3 MP a载荷 ； 模 型底 部设 置 为 固定 边 界 。② 瓦 斯 运移 场 。整 个煤 层 含 夹 矸 边 界 设 置 为无 流 动 边 界 ； 抽 采 钻孔 四周 施 加 固定 压 力 边 界 。数 值 模 拟 参 数见 表 1 ， 主要 取 自该矿 各煤 岩 层 的 实测 数 据 ， 部 分 参数 参 照文 献[ 1 9 - 2 0 2 。 4 n 1 i n 抽 米 钻 扎 图 1 几 何 模 型 Fi g．1 Ge ome t r i c mod e l 2 ． 3 计算 方案 为 分析 在瓦 斯抽 采过 程 中夹矸 对煤 层 瓦斯运 移 的影 响 ， 根据 以下模 型 对 煤 岩 体 固气 耦 合 模 型 进 行 数值 解 算 ① 模 型 1 ， 煤层 不含 夹矸 ； ② 模型 2 ， 煤 层 含 2层 夹矸 、 钻孔 未 穿 过上 层 夹 矸 ； ③ 模 型 3 ， 煤 层 含 2层夹 矸 、 钻 孔 穿过 上 层 夹 矸 。钻 孔 布 置 方 式 如 图 2所示 。 ●● 、 ，J ]●●J 2 0 l 8年 第 2期 刘泉霖 等 夹矸 对煤层 瓦斯 抽 采影 响的 数值 模拟 研 究 5 9 基本 顶 r 1 接 顶 煤 爽矸 n接 底 荩本 底 3 ． 9 1 0 1 5 ． 5 0 9 ． 8 1 0 9 0． 1 2 f 1 模 型 l b 模 型 2 c 模 型 3 图 2 钻孔 布置 方式 Fi g． 2 Bo r e h ol e l a y out 3模拟 结果 及分 析 3 ． 1 钻 孔 周 围煤体 瓦斯 压 力分布 规律 经 过 3 0 d抽 采 ， 模 型 1 模 型 3钻 孔 周 围煤 体 瓦斯压 力分 布如 图 3所 示 。从 图 3可 看 } f I ． 钻 孔 周 闱煤 体 瓦 斯 压 力 分 布 呈 以钻 孔 为 叶 l 心 的 同 心 圆 环 状 ， 越接 近钻 孔 ， 瓦 斯 压 力越 小 ； 煤层 不 含夹 矸 时 钻 孔 周 }节 1 压 力变化 范 同 明 比煤 层 含夹 矸 时 大 ； 由于 夹 计透 气性 较低 ， 阻 碍 r瓦斯 向上 下分 层煤 层运 移 ， 所 以模 型 2上 下分 层 煤 层 瓦 斯 压 力 分 布较 为 均 匀 ， 模 型 3下 分层煤 层 瓦斯 压力 分 布也无 明 娃差异 。 提取 相 同抽采 时 问 3 0 d 内各 模 型 的瓦 斯 压 力 数据 ， 如 图 4所 示 。可 看 出 随着 煤 体 距 钻 孔 距 离 的 减小 ， 各模 型钻 孔 周 煤体 的瓦 斯 压 力下 降 趋 势一 致， 但下降幅度不同， 其 中钻孑 L 未穿过夹矸时瓦斯压 力下 降幅 度最 大 ， 且 瓦斯 抽 采有效 影 响半 径 瓦斯压 力低 于 0 ． 6 MP a 范 围 最小 ， 模型 l 模 型 3 对 应 的 瓦斯 抽采 有效 影响 半径 分别 为 1 】 ． 1 ， 8 ． 2 ， 9 ． 2 m。 压 力／ MP a 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 4 O 3 0 ． 2 0 ． 1 O 冈 3 钻孑 L 周 围煤休 瓦斯 J E 力分布 3 。 2 钻孔 周 围煤体 渗透 率 分布规 律 瓦斯抽 采过 程 中渗透 率 的变化 是一 个 复杂 的过 程 ， 渗透 牢 的变化 不 仅与煤 岩 体体 积变 形有 关 。 还与 瓦斯压 力有 关 ， 是进 行 钻 孔 周 围 煤 岩体 同气 耦 合 分 析 巾重 要 的一项 。各 模型 钻孔 周 围煤体 渗透 率 分布 c 模 型 3 压力／ MP a O ． 6 O ． 5 0 ． 4 O 3 O ． 2 O ． 1 0 如 图 5所 示 。从 网 5可看 出 ， 随着 煤 体 距 钻 孔 距 离 的减 小 ， 各 模 型钻 孔 周 围煤 体 的渗 透 率 分 布 呈 上 升 趋势 ． 但 上升 幅度 不 同 ． 煤层 不 含夹矸 时 渗透 率上 升 幅度 明显 小 于煤层 含夹 矸 时 ， 而 钻 孔 穿 过 夹 矸 时 渗 透 牢 上升 幅度 小 于钻 孔 未 穿 过 夹 矸 时 ． 渗 透 率 最终 匀 0 3 2 匪 l 。 。 p 6 0 工矿 自动 化 2 0 1 8年 第 4 4卷 都趋于最大值 5 ． 4 1 0 m ； 离钻孑 L 1 6 m左右时 ， 渗透率开始上升 ， 距钻孔 中心大于 1 6 m 区域 的渗 透率 没有 受到影 响 ， 仍 为初 始渗透 率 ， 说 明距钻 孔 中 心小于 1 6 m的区域为渗透率增大区域。 o 1 o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 煤体距钻孔距离／ m 图 4 煤体 瓦斯压力分布 曲线 Fi g． 4 Ga s p r e s s ur e d i s t r i but i o n c u r v e o f c o a l 星 料 魁 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 煤体距钻孔距离／ m 图 5煤 体渗 透率 分 布 曲线 F i g ． 5 P e r me a b i l i t y d i s t r i b