申利军

(长治三元中能煤业股份有限公司,山西 长治 046000)

1 工程概况

山西省某矿3号煤层3210综采工作面位于一水平二采区,工作面走向长571 m,倾向长231 m,煤层均厚3.41 m;瓦斯地质条件复杂,巷向西北0～198 m、233.3～495 m处于瓦斯突出危险区,切巷向西北0～198 m、233.3～495 m也处于瓦斯突出危险区,该面存在较大瓦斯异常隐患,为保障3210回风巷掘进期间的施工安全,进行长距离钻孔预抽技术的应用研究。

2 长距离定向钻孔关键参数研究分析

该矿3号煤层二采区煤层瓦斯含量较高,局部区域存在煤与瓦斯突出危险性,3210回风巷掘进区域瓦斯地质条件复杂,设计采用长距离定向钻孔预抽技术进行消突,为了使设计的预抽方案更加合理有效,借助计算机模拟软件对瓦斯抽采过程进行模拟研究。

2.1 建立数值模型

COMSOL是一款以有限元原理为基础的数值模拟软件[1]。由于实际工程中物理场环境及各种影响因素是非常复杂的,采用有限元软件可通过对实际情况简化求得近似解。该软件本身具有CAD绘图功能,将长距离钻孔抽采简化为沿钻孔径向的二维模型,采用COMSOL-Multiphysics 软件构建二维几何模型,然后进行物理参数定义:煤层孔隙率为0.04,弹性模量为2.632×109Pa,初始瓦斯压力1.33 MPa,煤层密度为1.35×103kg/m3,渗透率2.43×10-15m2,瓦斯动力粘度系数为1.118 7×10-5Pa·s.应用软件自带的网格生成器进行网格单元划分,所建模型宽20 m、高3.4 m,将长钻孔布置在模型中央,钻孔附近网格划分密度较大,所建模型及网格划分如图1所示。

图1 数值模型示意

2.2 钻孔直径对抽采效果的影响

抽采钻孔施工后,将破坏周围一定范围内煤体原有的应力平衡状态,煤体内裂隙、裂缝发育,导致煤层透气性系数增大,钻孔直径越大影响的范围越大,瓦斯抽采量也增大。……