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艾维尔沟矿区突出煤层瓦斯流动规律数值模拟

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煤炭技术Coal Technology Vol.34No.09 Sep.2015第34卷第09期2015年09月艾维尔沟矿区突出煤层瓦斯流动规律数值模拟何明川,王正帅,陈雪明（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）摘要：为了掌握艾维尔沟矿区突出煤层瓦斯抽采钻孔周围的瓦斯流动规律，采用Fluent14.0对抽采钻孔周围的瓦斯流动规律进行数值模拟研究，并分析了钻孔直径、抽采负压及煤层渗透率对抽采半径的影响。

为艾维尔沟矿区和具有相同条件的矿井抽采钻孔周围的瓦斯流动规律研究提供了参考。

关键词：突出煤层；抽采半径；数值模拟；瓦斯流动规律；Fluent中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1008－8725（2015）09－0171－04Numerical Simulation of Gas Flow Regularity at Aiweiergou MiningArea Outburst Coal SeamHE Ming-chuan，WANG Zheng-shuai，CHEN Xue-ming(Chongqing Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing400037,China) Abstract:In order to grasp the gas flow regularity of around drainage borehole at Aiweiergou mining area outburst coal seam,Fluent14.0software is used to study the gas flow regularity of around drainage borehole.Analysis of the impact of drilling diameter,drainage negative pressure and coal permeability on drainage radius.This research provides references for the study on the gas flow regularity of around drainage borehole at Aiweiergou mining area and similar condition mines.Key words:outburst coal;drainage radius;numerical simulation;gas flow regularity;Fluentdoi:10.13301/ki.ct.2015.09.0670前言本文利用ANSYS14.0中基于有限体积法的CFD（计算流体动力学）分析模块Fluent14.0对新疆艾维尔沟矿区某矿突出煤层石门揭煤区域抽采钻孔周围煤体瓦斯流动规律进行研究，模拟分析了钻孔直径、抽采负压及煤层渗透率对抽采半径的影响，为本矿区及具有相同条件的矿井研究抽采钻孔周围的瓦斯流动规律提供参考。

1煤体瓦斯流动CFD模拟的理论基础CFD模拟研究是为了得到流体流动控制方程的数值解法，它通过时空求解得到所关注的整体流场的数学描述。

CFD的基础是建立由一系列描述流体流动守恒定律的偏微分方程组成的Navier-Stokes 方程。

质量守恒方程或称连续性方程坠ρ坠t+▽（ρv）=S m（1）式中ρ———密度；t———时间；▽———哈密顿微分算子；v———速度矢量；S m———从分散次生相和任何其他用户自定义的源加在连续相上的质量。

动量守恒方程坠（ρv）+▽（ρvv）＝-▽p+▽τ+ρgn+F（2）式中静压力τ———应力张量；g n———重力加速度；F———外部体力。

在模拟中，煤体作为多孔介质处理，与标准的流体流动方程相比，采用附加动量源进行模拟。

此源由两部分组成：黏滞损失项和惯性损失项。

第i个（x，y 或z）动量方程的源S i=3j=1ΣD ijμv j+3j=1ΣC ij1ρv mag v j（3）式中D、C———预定义矩阵；μ———分子黏度；v mag———速度向量的模；v j———x，y和z方向的速度分量。

该动量的减弱将有利于孔隙单元中压力梯度的产生，所引起的压力降与单元中的流动速度（或速度平方）成比例。

在多孔介质层流中，压力降一般与速度成比例，可用Darcy定律简化多孔介质模型，即▽p=-μαv（4）式中α———渗透率。

煤体中气体流动的主控因素为由浓度、热梯度引起的分子扩散和由压力梯度引起的黏性流或质量流。

根据Fick定律，第i种气体的扩散流量由浓度梯度、热梯度引起J i=ρD i m坠X i-D i T坠T（5）式中D i m———混和气体的扩散系数；X i———气体i的质量分数；D i T———热扩散系数；T———温度。

以上分析了煤体中气体流动模型的基本方程，在给定模型边界条件之后，可运用数值解法求其解析解，即可得到煤体瓦斯流动及分布规律。

2钻孔周围瓦斯流动数值模型2.1假设条件煤体是一种多孔介质，在煤体的大孔和裂隙中瓦斯的流动遵循Darcy定律，在微孔中服从Fick扩散定律。

做出如下假设：（1）煤体是由均匀孔隙结构的煤粒组成，煤粒内的瓦斯流动遵守Fick扩散定律；（2）煤粒之间的空隙构成煤体裂隙系统，裂隙网中瓦斯流动遵守Darcy渗透定律；（3）煤体均匀，各向同性，煤体中原始瓦斯压力处处相等；（4）煤体中瓦斯含量与瓦斯压力的平方根成正比，基本上服从抛物线方程；（5）煤层顶底板不透气，且不含瓦斯；（6）瓦斯在煤体中的流动为等温过程。

2.2模型建立与网格划分以新疆艾维尔沟矿区某矿突出煤层（2上煤层）为研究对象。

副斜井掘进至距该煤层法距7.31m停掘，施工揭煤防突钻孔。

揭煤区域2上煤层埋深330m，倾角30°，厚度9m，普氏系数0.13，顶、底板以粉砂岩、细砂岩为主，底板个别为炭质泥岩。

利用ANSYS14.0的前处理模块进行二维几何模型创建和网格划分。

几何模型尺寸为10m×10m，钻孔位于模型中部，直径分别为75、94、133mm。

采用四面体划分网格，对钻孔周围的网格细化处理，生成由6000多个网格组成的网格模型。

2.3边界条件2上煤层原始渗透率为5.63×10-16m2，原始瓦斯压力为1.1MPa，原始瓦斯含量为10.73m3/t。

模拟不同钻孔直径（75、94、133mm）、不同抽采负压（-13、-25、-42kPa）、不同渗透率（5.63×10-16、5.63×10-17、5.63×10-18m2）下钻孔抽采半径的变化。

3数值模拟结果分析以抽采范围内瓦斯压力下降到0.74MPa为有效抽采指标，将0.74MPa等压线距抽采钻孔中心的距离作为钻孔的有效抽采半径R（文中简称抽采半径）。

3.1瓦斯流动的压力场和速度场煤层渗透率5.63×10-16m2，钻孔直径75mm、煤层瓦斯压力1.1MPa、抽采负压-25kPa情况下，不同抽采时间下抽采钻孔周围煤层瓦斯流动压力场分布如图1~图3所示。

钻孔抽采1、10、20d后抽采半径分别为0.48、0.96、1.35m，抽采30d后抽采半径为1.61m，此后抽采半径增加缓慢，抽采40d后抽采半径仅增加了0.07m，为1.68m，抽采50d后抽采半径仅增加了0.05m，为1.73m。

图1抽采10d图2抽采20d图3抽采30d沿抽采钻孔径向煤体瓦斯流动压力场和速度场分布如图4所示。

钻孔周围0~7m内煤体中瓦斯压力从钻孔中心向外快速增大，7m外变化较小。

钻孔周围0~2m范围内煤体中瓦斯流动速度从钻孔中心向外急剧减小，2m外变化很小。

图4沿钻孔径向煤体瓦斯流动压力场和速度场分布3.2钻孔直径对抽采半径的影响煤层渗透率5.63×10-16m2、煤层瓦斯压力1.1MPa、抽采负压-25kPa情况下，不同钻孔直径下抽采半径随抽采时间增加的变化情况如表1所示，其变化曲线如图5所示。

在相同抽采时间内，钻孔直径对抽采半径影响很大，随钻孔直径的增大，抽采半径明显增大。

对相同抽采时间、不同钻孔直径下抽采半径的增加量进行比较，94mm和133mm钻孔直径相比于75mm，抽采半径平均增加量分别为0.28m和0.73m。

表1不同钻孔直径下的抽采半径抽采时间/d1510153050孔径75mm0.410.700.961.181.611.73孔径94mm0.690.971.221.431.852.08孔径133mm1.011.421.741.922.322.56抽采半径/m105-5-10Y/m-10-50510X/mPressure/Pa1.0E+069.0E+058.0E+057.0E+056.0E+055.0E+054.0E+05105-5-10Y/m-10-50510X/m105-5-10-10-50510X/mY/mPressure/Pa1.0E+069.0E+058.0E+057.0E+056.0E+055.0E+054.0E+05Pressure/Pa1.0E+069.0E+058.0E+057.0E+056.0E+055.0E+054.0E+051.21.00.80.60.40.20.0瓦斯压力/MPa抽采50d瓦斯压力瓦期流动速度0246810、距钻孔中心的距离/m3.00E-042.50E-042.00E-041.50E-041.00E-045.00E-050.00E+00瓦斯流动速度/m·s-1图5不同钻孔直径下的抽采半径3.3抽采负压对抽采半径的影响煤层渗透率5.63×10-16m2、煤层瓦斯压力1.1MPa、钻孔直径75mm情况下，不同抽采负压下抽采半径随抽采时间增加的变化情况如表2所示，其变化曲线如图6所示。

在相同抽采时间内，抽采负压对抽采半径具有影响，随抽采负压的增加，抽采半径随之增大。

对抽采相同时间、不同抽采负压下抽采半径的增加量进行比较，-25kPa和-42kPa抽采负压相比于-13kPa，抽采半径平均增加量分别为0.16m 和0.38m。

表2不同抽采负压下的抽采半径图6不同抽采负压下的抽采半径3.4煤层渗透率对抽采半径的影响煤层瓦斯压力1.1MPa、钻孔直径75mm、抽采负压-25kPa情况下，不同煤层渗透率下抽采半径随抽采时间增加的变化情况如表3所示，其变化曲线如图7所示。

在相同抽采时间内，煤层渗透率对抽采半径具有明显影响，随煤层渗透率的增加，抽采半径明显增大。

对相同抽采时间、不同渗透率下抽采半径的增加量进行比较，5.63×10-16m2和5.63×10-17m2渗透率相比于5.63×10-18m2，抽采半径平均增加量分别为0.59m和0.25m。

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新疆库拜煤田阿艾矿区煤层气地质特征分析

新疆库拜煤田阿艾矿区煤层气地质特征分析

新疆库拜煤田阿艾矿区煤层气地质特征分析摘要：库车县阿艾矿区地处新疆四大煤化工基地之一的库拜煤田，矿区的区域位置十分优越，从区内钻孔瓦斯测试结果看，该区煤层瓦斯相对较高，特别是有随深度增加而增加的趋势。

故加强矿区煤层气地质特征的分析，对煤层气有利区块进行评价和优选，这对于实现库车煤与煤层气协调开发具有重要的现实意义。

关键词：瓦斯煤层气地质特征评价优选库车县阿艾矿区为正在进行大规模开发建设的矿区，矿区井下瓦斯均采用机械抽出式进行排放，不仅造成环境的污染，还对资源是一种极大的浪费，因此本次选取榆树田煤矿，金沟煤矿，夏阔坦煤矿，明矾沟煤矿，榆树岭煤矿等煤矿区的各项参数进行分析，选取一套符合矿区煤层气地质特征的选区评价研究参数，对矿区煤层气勘探开发具有重大指导意义。

1储层特征库车阿艾矿区内分布的地层主要有三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系。

1.1煤层特征库-拜煤田含煤地层时代为侏罗系中统和下统，含煤地层划分为侏罗系下统塔里奇克组（J1t）、阳霞组（J1y）和侏罗系中统克孜努尔组（J2k）。

在库车县境内主要含煤地层仍然是侏罗系的塔里奇克组，阳霞组含煤2-5层，在走向上厚度变化大，均为局部可采煤层，克孜努尔组仅有一层局部可采煤层。

塔里奇克组共含煤14层，从上向下依次编号，主采煤层为中部和下部的下5、下7、下8、下10、下12煤层，本次工作把主要煤层下5、下10作为煤层气开发重点煤层，煤层厚度在走向和倾向上呈波浪状变化规律，以煤层结构简单-较简单，煤层间距较小，单层厚度大为特征。

（1）下5煤层位于下侏罗统塔里奇克组中段（J1t2 ）的上部，有益厚度在3.26-12.04米，平均8.82米，不含夹矸，煤层结构简单，属于稳定的可采煤层。

（2）下10煤层位于侏罗系下统塔里奇克组下段（J1t1）的上部，有益厚度0.98-10.45米、平均厚度5.33米。

简单结构，属全区可采的稳定煤层。

1.2构造矿区内褶皱较为发育，由北到南依次发育有捷斯德里克向斜、捷斯德里克背斜、夏库坦向斜、比尤勒包古孜复式背斜，整体呈近东西向展布，区内断裂构造不发育，矿区构造复杂程度属简单类型，即“一类”。

数值模拟在采矿工程中的应用

数值模拟在采矿工程中的应用


构破 坏 和失 稳 的全 过 程 ，而 且工 作 面 周 围 不 同 区域 的 体 ， 其 力学 性 能变 化 差 别 很 大 ，采 动 岩 体 是 一 种 连 续 与 非 连 续
相 耦 合 的 复杂 介 质 。对 一 般 的 岩 土 工 程 问 题 ，材 料 和 结 构
呈 现 出非 连 续性 ；从 宏 观 上 看 ，岩 体 是 一 种 脆 性 极 强 的 材
１ 数值 模 拟 方 法 基 本原 理
大部 分 数 值 分 析 软 件 都 是 基 于 弹 性 理 论 解 决 岩 体 非 线 性 变形 与 破 坏 问 题 的 数 值 方 法 。 在 对 岩 体 这 种 特 殊 质 地 材 料 分 析 时 ，其 采 用 了 宏观 非 线 性 与 微 观 线 弹 性 的 划 分 原 则 。 从 微 观 看 ，岩 体 单元 相 对 较 均 质 ，具 有 较 强 的 弹 性 变 形 特 征 ；另 一 方 面 ， 由于 节 理 、裂 隙 的 存 在 ，微 元 问 的 接 触 又
都可以与 Ｃ ＡＤ软 件 无 缝 集 成 ，具 有 可 靠 的 自动 建 模 能 力 ．
可 求解 非 线 性 问 题 和 耦 合 场 ，同时 程 序 具 有 开 放 性 。
就 岩 土 工 程 而 言 ， 采 矿 工 作 面 上 覆 岩 层 的 损 伤 、断 裂 和 失 稳 是 不 可 避 免 的 ，一 定 要 防 止 这 类 现 象 发 生 。 目前 的 固 体 力学 还 只 能对 较 为 理 想 的 弹 性 、塑 性 和 损 伤 体 进 行 町 靠 的 变形 与受 力分 析 ，而 在 采 场 覆 岩 的 变 形 、运 动 与 受 力 分 析 中 ，更 多 的是 材 料 或 结 构 破 坏 后 的 力 学 行 为 ． 以 及 结
矿井瓦斯涌出量预测方法

矿井瓦斯涌出量预测方法

矿井瓦斯涌出量预测方法1.统计预测方法统计预测方法是基于矿井历史数据进行分析和建模，通过对历史数据的趋势分析和统计特征提取，来预测矿井瓦斯涌出量。

常用的统计预测方法包括回归分析、时间序列分析和灰色系统理论等。

其中，回归分析是一种常见的方法，通过分析因变量（瓦斯涌出量）和自变量（如矿井开采量、煤层厚度、开采深度等）之间的关系，建立数学模型进行预测。

2.神经网络方法神经网络方法是通过模拟人脑神经网络的工作原理，对复杂的非线性问题进行建模和预测的方法。

在矿井瓦斯涌出量预测中，可以利用神经网络方法建立瓦斯涌出量与各种因素间的映射关系。

通过输入瓦斯涌出的相关因素数据，神经网络会对这些数据进行学习和训练，并输出对瓦斯涌出量的预测结果。

3.支持向量机方法支持向量机（Support Vector Machine，简称SVM）方法是一种常用的机器学习方法，在矿井瓦斯涌出量预测中也有应用。

SVM方法通过构建一个高维特征空间，并找到一条最优的分割线（超平面），将不同类别的样本划分开。

在矿井瓦斯涌出量预测中，可以将高维特征空间设置为各种矿井参数，通过SVM方法找到最优的分割线，实现对瓦斯涌出量的预测。

4.遗传算法方法遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化算法，通过模拟“选择、交叉、变异”等进化操作，对问题进行求解。

在矿井瓦斯涌出量预测中，可以将瓦斯涌出量视为一个最优化问题，通过遗传算法不断迭代和优化，逐渐逼近最优解，从而实现瓦斯涌出量的预测。

除上述方法外，还有一些其他的预测方法，如模糊逻辑方法、贝叶斯方法等，都可以应用于矿井瓦斯涌出量的预测。

在实际应用中，预测方法的选择应根据具体问题和数据特征来确定，并结合对矿井工况的实时监测，不断更新和改进预测模型，以提高预测的准确性和可靠性。

最后，需要指出的是，矿井瓦斯涌出量的预测是一个极具挑战性的问题，需要不断探索和研究，结合多种方法和技术，提高预测的准确性和可操作性，并对矿井安全生产提供有效的保障。

回采工作面瓦斯涌出规律及主要影响因素分析

回采工作面瓦斯涌出规律及主要影响因素分析

回采工作面瓦斯涌出规律及主要影响因素分析摘要：影响采空区瓦斯涌出量的主要因素是多方面的，除瓦斯地质因素外，主要有顶板控制、回采工序、风量变化、通风方式。

通过分析回采工作面采空区瓦斯涌出现象及规律，掌握影响回采工作面采空区瓦斯涌出的主要因素，以便采取相应的瓦斯治理方法，保证采面正常回采。

关键词：瓦斯涌出规律主要因素治理10300采区采面为对拉式回采面，煤层厚度0.90m～1.30m，煤层倾角约8°,无烟煤，面长90m，走向长壁后退式炮采，单体液压柱支护，充填法控制顶板；采用上出口主进风，中间运煤巷辅助进风，下出口回风。

采面在回采过程中，多次发生过瓦斯异常涌出，严重影响了采面正常生产。

1瓦斯来源分析在开采初期，高瓦斯采面风流瓦斯浓度在0.11%～0.35%，采面回风隅角瓦斯浓度在0.35%～0.90%，采面回风流瓦斯浓度在0.22%～0.65%。

顶板初期来压后，高浓度瓦斯大量由采空区涌向回风隅角，瓦斯浓度在1.25%～9.0%，采面回风流瓦斯浓度在0.5%～2.5%，面上风流瓦斯浓度没有大的变化。

经分析可知，采面回风隅角、回风流瓦斯浓度高的原因，在于采空区高浓度瓦斯大量涌出的结果。

2 回采工作面瓦斯涌出规律通过分析资料，回采工作面瓦斯涌出量的大小与工作面所在的区域有关，受回采工艺的影响很大，并且随开采工艺的变化回采工作面瓦斯涌出的来源也有所不同，既有本煤层、本煤层采空区、邻近采空区和邻近层采空区涌出的瓦斯量不同。

2.1 本煤层与本煤层采空区瓦斯涌出开采初期，回采工作面风量充足，工作面瓦斯涌出量比较稳定，瓦斯涌出无异常现象，且瓦斯涌出量约为0.6m3/min。

开采一段时间后，采空区面积增多，煤层和围岩的瓦斯大量涌入到采空区，在通风负压的作用下，高浓度瓦斯从采空区涌出到回采工作面的回风隅角，造成回采工作面回风流瓦斯浓度超限，瓦斯涌出量高达21.8 m3/min。

2.2 邻近采空区瓦斯涌出回采工作面开采前，位于同一煤层的邻近采面已经开采结束。