孙景阁　张俊树

摘 要：合理的瓦斯抽采可以降低工作面待开采煤层瓦斯浓度，有利于煤矿高效开采。但是煤田地质构造复杂，提高煤层瓦斯的渗透率对抽采效率有十分重要的意义。本文结合现有的理论分析成果，通过COMSOLMultiphysics数值模拟的方法研究了顺层钻孔抽采瓦斯条件下，煤层温度对瓦斯渗透率的影响效果，研究结果表明：煤层初始孔隙压力、抽采时间一定条件下，当温度从300K上升至350K时，瓦斯影响范围由2.44m增大为6.76m。即在一定温度范围和抽采时间内，煤层温度越高，煤体中的瓦斯越容易解吸，煤层的孔隙裂隙变大，渗透率提升。

关键词：煤层注热；渗透率；数值模拟；顺层钻孔抽采

一、引言

煤矿瓦斯成分以甲烷为主，是优质的清洁能源，它主要以物理吸附态和以游离态少数储存于煤层中，煤层气的开采对于能源的高效利用具有重要意义[1-2]。但是由于我国煤田地质类型多样且构造复杂，煤层透气性普遍较差，特别是豫、皖、云、贵、川、黑、吉、辽等地区分布有较多的松软低透气性煤层，瓦斯抽采难度大[3-4]。因此，低渗透煤层瓦斯的高效开采，仍面临着基础理论和技术创新等诸多方面难题。

现有研究表明，低渗透煤层开采困难主要是瓦斯解吸以及扩散渗流困难[5]。目前常用的通过人为增加煤层透气性是当前提高瓦斯抽采效率的主要方法[6]。另一方面，环境温度对瓦斯的解吸和扩散流动具有重要影响，温度升高，气体分子活跃，吸附气体的解吸量增加，这在其他吸附现象中也普遍存在，一定条件下温度对吸附-解吸起着决定性作用[7]。

本文针对煤体注热抽采瓦斯这一可能成为未来煤层气资源的实际开采方法，在众多学者对瓦斯抽采的研究基础上，研究温度对煤层瓦斯渗透率的影响规律，为指导现场瓦斯抽采率的提高提供借鉴。

二、瓦斯抽采数值模型研究

（一）模型建立

本小节利用COMSOLMultiphysics数值模拟软件，以顺层单钻孔抽采瓦斯为例，研究煤层在不同初始温度下对瓦斯抽采的影响，如图1所示。模型的尺寸为60m×60m×10m，抽采钻孔位于模型中心位置顺层钻孔半径0.1m，长度30m，抽采钻孔与大气连接，边界压力是0.1MPa，且模型四周为应力边界，模型的左右边界是互相对称的位移边界，上边界与下边界是应力边界。

在顺层抽采模型设置一条CD线位于XZ面Y=10m处，模型边界设置为对瓦斯渗流的不流出边界和对温度的不传导边界。煤层瓦斯含量一定，初始温度是300K，煤层的初始孔隙压力为2MPa，根据温度变化设置不同的模拟条件。

（二）模拟方案及参数

数值模拟方案如表1，模型参数如表2。

（三）定解条件

（1）渗流定解条件

t=0时，煤层内部瓦斯压力为p=p0；煤层边界瓦斯流量qs=0；抽采钻孔边界压力p=pa。

（2）温度定解条件

t=0时刻，煤层内部温度T=T0；温度场边界条件：注热点边界温度T=T1。

（3）应力定解条件

t=0时刻，煤层位移场及速度场为零，即：

上边界受边界载荷；两侧边界受辊支撑F=Fa；下边界受固定约束。

三、煤层温度对瓦斯抽采的影响

温度对于瓦斯的初始状态有着重要的影响，温度会打破瓦斯吸附态与游离态的平衡，本小节将通过数值模拟结果分析不同煤层温度对瓦斯抽采中的瓦斯压力以及渗透率的影响。

（一）瓦斯抽采范围分布

设置抽采时间为1000天，分别改变煤层温度T从300K～350K，得到不同温度下，煤层瓦斯连续抽采1000d后，瓦斯抽采范围分布规律。

由图2不同温度下瓦斯压力分布云图可得：当温度为300K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔2.44m处；当温度为310K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔2.82m处；当温度为320K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔3.26m处；当温度为330K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔4.16m处；当温度为340K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔5.46m处；当温度为350K、抽采1000天时，瓦斯抽采影响到的范围为距钻孔6.76m处。所以煤层初始温度越高，抽采相同时间内，抽采影响到的范围在不断增加。

（二）瓦斯抽采压力分布

如图3所示，瓦斯含量与煤层温度呈正相关，由于温度的升高，煤层吸附的瓦斯含量降低，瓦斯压力梯度增大。抽采1000天、距钻孔5m处煤层初始温度为300K时的瓦斯压力为1.8MPa；煤层初始温度为310K时的瓦斯压力为1.95MPa；煤层初始温度为320K时的瓦斯压力为2.27MPa；煤层初始温度为330K时的瓦斯压力为2.87MPa；煤层初始温度为340K时的瓦斯压力为4.13MPa；煤层初始温度为350K时的瓦斯压力为7.85MPa。

四、结论

（1）在一定温度范围和抽采时间内，煤层温度越高，煤体中的瓦斯越容易解吸，煤层的孔隙裂隙变大，瓦斯抽采影响范围增加，渗透率提升。

（2）瓦斯抽采过程中，随着温度的提升，煤层中瓦斯的吸附态与解吸态的动态平衡会打破，吸附态转变为游离态，裂隙中的瓦斯含量升高，瓦斯压力也随之增大。

（3）经过数值模拟来看，顺层钻孔抽采在注热时温度的扩散、注热的效果以及抽采效率等方面都有较好的表现，可以用做现场工程应用。

参考文献：

[1]李五忠，孙斌，孙钦平，等.以煤系天然气开发促进中国煤层气发展的对策分析[J].煤炭学报，2019，36（01）：112-121.

[2]谢和平，周宏伟，薛东杰，等.我国煤与瓦斯共采：理论、技术与工程[J].煤炭学报.2014（08）：1391-1397.

[3]袁亮.我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J].煤炭学报.2016，41（1）：1-6.

[4]王宏图，杜云贵，鲜学福等.地球物理场中的煤层瓦斯渗流方程[J].岩石力学与工程学报，2002，21（5）：644-646.

[5]李祥春，聶百胜，何学秋，等.瓦斯吸附对煤体的影响分析[J].煤炭学报.2011，12（36）：2035-2038.

[6]徐慧刚，刘文杰.基于红外测温的煤体瓦斯吸附-解吸过程温度变化特征研究[J].煤矿现代化，2021（01）：124-128.

[7]马月彬，董利辉，赵越超，李光耀.煤体吸附瓦斯过程温度场变化实验研究[J].煤矿安全，2018，49（09）：14-17+21.