基于COMSOL的瓦斯抽采半径数值模拟

（a）传统钻孔布置方式（b）三花眼钻孔布置方式图1 煤层钻孔布置图图2 圆内接六边形绘制过程图作图步骤：（1）绘制有效抽采半径为R的圆O。

作圆O的圆内接六边形ABCDEF。

（2）连接线段AC，线段EF，作相切线段ACEF，有效抽采半径为R的圆J。

（3）连接线段BD，作相切于线段AC和线段有效抽采半径为R的圆K。

（4）依次连接各线段，依据相同作法，作圆L，I，即圆内接六边形钻孔布置图。

传统钻孔布置间距过大会形成瓦斯抽采空白带，导致部分区域瓦斯含量和瓦斯压力未降到安全值，影响施工过程安全生产。

钻孔布置间距过小，会造成钻孔数量增多，从而导致部分区域重复抽采，造成大量资源的浪费。

本次优化依据分析同一区域上的钻孔数量和抽采面积冗余度进行分析，优选出最佳实施方案。

抽采钻孔个数分析图3 圆内接四边形钻孔布置圆内接四边形为消除图1a沿煤层走向单排布置钻孔，沿煤层倾向单排布置n个钻孔所形成的空白带，需要沿煤层走向单排需多布置（m-1）个，沿煤层倾向单排需多布置（n-1）个，则圆内接四边形钻孔数量1mn m n−−+式中，Y为钻孔数量，个；m为沿煤层走向单排布置钻孔数量，个；n为沿煤层倾向单排布置钻孔数量，个。

（2）作圆内接六边形的钻孔布置方式，确定优化钻由图4几何关系可知三角形MNQ为等边三角形，故根据几何关系求得NQ=3R，MP=1.5R，煤层沿走向，倾向的布孔数分别为：M、N、Q-有效抽采半径的圆心O-M、N、Q为圆心的三个圆的交点，P-线段NQ交点图4 圆内接六边形钻孔布置(1)22=(1)33m R mR−×−（2）(1)24(1)1.53n R nR−×=−（3）式中，R为有效抽采半径，m。

式（2）和式（3）相乘得到圆内接六边形钻孔数量：8(1)33Y mn m n−−+（4）（3）作圆内接八边形钻孔布置方式，利用圆内接八边形优化钻孔间距（图5所示）可确定圆内接八边形优化钻孔个数。

依据相同的构造几何关系方式，易求得圆内接八边形构造的三角形为顶角（∠WUV）为45°的等腰三角形。

高位钻孔瓦斯抽采参数的优化
张国华;柳杨;李子波;李豫波;荆珂
【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》
【年(卷),期】2024(34)2
【摘要】为防治综采工作面上隅角瓦斯超限,提高瓦斯抽采效率,以平岗煤矿为例对象,依据采动裂隙“O”形圈理论确定高位钻场及钻孔位置,采用COMSOL模拟软件分析钻孔参数对瓦斯抽采效果的影响,优化钻孔参数,并进行现场应用。

结果表明:高位钻场位置为煤层上方20 m,钻场间距70 m,压茬长度不小于35 m,钻孔平距不大于37 m;钻孔仰角控制在-3°~6°,钻孔方位角控制在0°~16°,钻孔数量为4;现场应用表明,经钻孔抽采参数优化,抽采瓦斯纯流量由3.8 m^(3)/min提升至8.1
m^(3)/min;钻孔抽取瓦斯浓度由17.53%增加到45.99%,工作面上隅角瓦斯浓度由0.94%下降到0.33%,工作面瓦斯浓度由0.88%减少到0.27%,回风巷瓦斯浓度由0.83%下降到0.24%。

【总页数】9页(P163-170)
【作者】张国华;柳杨;李子波;李豫波;荆珂
【作者单位】黑龙江科技大学;黑龙江科技大学矿业工程学院;黑龙江科技大学安全工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD712
【相关文献】
1.顶板来压规律对高位钻孔瓦斯抽采浓度的影响及抽采钻孔参数优化
2.瓦斯抽采高位钻孔参数优化技术研究与应用
3.水压预裂工作面瓦斯抽采高位钻孔参数优化及应用
4.综放工作面高位瓦斯抽采钻孔布置参数优化
5.基于主应力判定的高位钻孔抽采瓦斯参数优化研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

瓦斯抽放钻孔有效性抽放半径的测定方法
目前应用的钻孔瓦斯抽放影响半径的测试方法主要有钻孔测试法和计算机模拟法及二者相结合的方法。

在有效性指标的确定上，钻孔测试法国内外采用的指标主要有以下三种：瓦斯压力指标、瓦斯含量指标、相对瓦斯压力指标。

计算机模拟法主要应用的指标有含量指标和压力指标。

压力指标法
用压力指标来测定钻孔的有效半径的方法：首先在煤层打一排测压孔，如图l 所示( 2 、3 、4 ⋯⋯均为测压孔，d 、d ⋯⋯d 为相邻测压孔之间的距离) ；然后在测压孔上装入压力表，再将测压孔封闭严密，当压力稳定后在2号孔一侧打抽放钻孔，为1 号孔，并在1 号孔进行抽放，定期观察测压孔的瓦斯压力。

如果n( n = 2 、3 ⋯⋯n) 号测压孔以及a号测压孔之前的测压孔的压力均小于预抽瓦斯有效性指标，而。

号孔之后的测压孔的压力大于P0，那么d = d + d2 + d3+ ⋯⋯+ d a，这里的d 就是钻孔的有效抽放半径。

1
图
根据进行瓦斯含量测定同时进行的瓦斯压力测定结果显示，抽放钻孔间距三米完全符合压力指标测定钻孔有效半径控制范围，11332运输巷和回风巷所施工钻孔控制范围符合有效半径控制要求。

基于COMSOL的采空区瓦斯抽采数值模拟研究胡延伟;孙路路;江城浩;黄腾瑶;陈连军【摘要】为了研究采空区内瓦斯达到稳定后的分布规律,从而确定瓦斯抽采巷道的位置,结合孔庄煤矿7433工作面实例,基于“O型圈”理论,采用分块赋值孔隙率的方法,通过COMSOL有限元分析软件对采空区瓦斯分布规律进行了数值模拟.模拟结果表明:工作面漏风不断流入采空区与瓦斯持续解吸涌出形成了1个动态平衡结果;7433工作面回采至180 m处时瓦斯富集,可以确定瓦斯抽采巷处于裂隙带上,瓦斯抽采巷道内错距离在10～30 m范围时抽采效果达到最优.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2018(049)005【总页数】5页(P167-170,174)【关键词】采空区;瓦斯分布;瓦斯抽采;瓦斯涌出;数值模拟【作者】胡延伟;孙路路;江城浩;黄腾瑶;陈连军【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛266590;山东科技大学矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TD712随着我国煤矿开采逐渐向深部发展，地质环境受多种因素影响，瓦斯已经成为威胁煤矿安全生产及工人生命安全的最重要因素[1-3]。

瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的主要技术措施之一，但由于相应的瓦斯抽采理论的匮乏以及研究手段的制约，导致采空区瓦斯抽采这一手段的利用相对滞后，尤其是对位于工作面后方的采空区，其具有人员不能进入且很难被常规方法处理的特殊性及困难性，应用模拟仿真的方法来解决这一问题已经成为当前研究领域一种主流研究方法[4-6]，除此以外采空区内的瓦斯涌出运移过程极其其复杂，往往涉及到高阶非线性的偏微分方程，针对以上所提主要问题，采用多物理场仿真模拟软件COMSOL Multiphysics来模拟[7]采空区内瓦斯动态平衡后的分布规律，为确定采空区瓦斯治理提供依据使采空区瓦斯分布规律特征的理论讨论更趋向于完善。

平行钻孔有效抽采半径及合理钻孔间距研究桑乃文;杨胜强;宋亚伟【摘要】为确定平行钻孔瓦斯抽采合理钻孔间距,通过推导煤层瓦斯运移方程、煤岩体变形方程及渗流场与应力场耦合方程,建立了瓦斯抽采流固耦合模型;根据某矿21219工作面实际地质条件,利用COMSOLMultiphysics软件对平行钻孔间抽采叠加效应影响下瓦斯压力、有效抽采半径的变化规律进行了数值模拟研究,并结合钻孔有效抽采半径,得出了合理的钻孔间距.数值模拟结果表明,随着钻孔间距的增大,抽采后煤体瓦斯压力增大;随着煤体距钻孔距离减小,煤体瓦斯压力呈先缓慢减小、后快速下降的趋势;随着抽采时间的增加,瓦斯压力不断降低,钻孔有效抽采半径变大.现场应用结果验证了钻孔间距布置的合理性.【期刊名称】《工矿自动化》【年(卷),期】2019(045)006【总页数】5页(P58-62)【关键词】煤炭开采;瓦斯抽采;平行钻孔抽采;有效抽采半径;抽采叠加效应;钻孔间距【作者】桑乃文;杨胜强;宋亚伟【作者单位】中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;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 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221116;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 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;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 221116;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TD712.60 引言平行钻孔抽采是针对无保护层开采突出矿井的一种基本防突措施。

在钻孔抽采设计中，钻孔间距是重要参数。

当钻孔间距过大，在抽采范围内容易导致瓦斯抽采不彻底、回采过程中瓦斯涌出量较大甚至瓦斯超限等问题；当钻孔间距过小，在工程上造成浪费，还可能出现“串孔”等问题。

煤层钻孔瓦斯抽采效果影响因素分析摘要：为研究瓦斯抽采效率的影响因素，考虑吸附瓦斯与游离瓦斯建立了煤层瓦斯流动的流固耦合模型，本文采用ＣＯＭＳＯｌ数值模拟软件，分析了不同初始地应力、初始渗透率以及钻孔直径条件下的瓦斯抽采效果以及抽采有效半径变化情况。

研究结果表明：初始地应力、初始渗透率和钻孔直径均会影响瓦斯抽采效果，但其对瓦斯抽采效果的影响程度不同；抽采有效半径对初始渗透率的变化最敏感，钻孔直径次之，对初始地应力的敏感程度最低；在某一钻孔直径范围内，瓦斯抽采效果随钻孔直径的增加变化不明显，而超出此范围后，抽采效果有明显提高，选择合适的钻孔直径对于提高瓦斯抽采效果具有重要作用。

关键词：煤层钻孔；瓦斯抽采；效果；影响因素；分析1瓦斯流动的流固耦合模型考虑有效应力平衡方程以及本构方程可以得到煤体的变形控制方程见式（１）。

式中：Ｇ为剪切模量；ｕｉ，ｋｋ为ｘ方向上的位移分量；ｕｋ，ｉｉ为ｙ方向上的位移分量；ｖ为泊松比；α为Ｂｉｏｔ数；ｐ，ｉ为孔隙压力；Ｋ为体积模量；εＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ体积应变；ＰＬ为Ｌａｎｇｍｕｉｒ压力常数；ｆ，ｉ为体力。

考虑吸附瓦斯与游离瓦斯，结合达西定律以及气体质量平衡方程得到瓦斯流动控制方程见式（２）。

式中：ｐ为瓦斯压力；ｔ为时间；ρｃ为煤体密度；ｋ为渗透率；μ为瓦斯动力黏度。

忽略煤层内瓦斯压力变化而引起的煤固体颗粒的体积变化，煤层渗透率以及煤层孔隙率见式（３）。

式中：φ０为初始孔隙率；εｖ为煤基质的体积应变。

式（３）与式（４）为耦合项，联立式（１）～式（４），即可得到考虑煤体变形与瓦斯流动的流固耦合模型。

式中，ｋ０为初始渗透率。

2数值模型采用ＣＯＭＳＯＬ数值模拟软件，选取偏微分方程、多孔介质模块以及固体力学模块，按照式（１）～式（４）定义所需参数，即可将瓦斯流动的流固耦合模型应用到模拟计算中，分析不同初始条件下瓦斯抽采效果，数值模拟区域尺寸为长度为３０ｍ×５ｍ，钻孔位于模型中央位置。

数值模拟在采矿工程中的应用介绍在采矿工程中，数值模拟是一种重要的工具，用于模拟和预测矿山开采过程中的各种物理现象和工程问题。

通过建立数学模型和运用数值计算方法，数值模拟可以帮助工程师和矿业专家更好地理解矿山开采过程中的挑战和潜在风险，从而制定有效的工程方案和管理策略。

本文将全面、详细、完整地探讨数值模拟在采矿工程中的应用。

采矿工程中的数值模拟应用1. 岩石力学分析1.1 应力分布模拟 1.2 变形和位移模拟 1.3 初始应力场确定 1.4 支护结构模拟2. 瓦斯抽采模拟2.1 瓦斯涌出规律模拟 2.2 瓦斯扩散与稀释模拟 2.3 瓦斯抽采效果模拟 2.4 煤与瓦斯突出模拟3. 坍塌与冒顶模拟3.1 坍塌机理模拟 3.2 支护结构选型与设计模拟 3.3 冒顶预测与治理模拟 3.4 冒顶风险评估模拟4. 矿井水文地质模拟4.1 地下水涌出模拟 4.2 矿井涌水分析模拟 4.3 围岩渗流场模拟 4.4 围岩稳定性评估模拟数值模拟方法和工具1. 有限元分析1.1 原理和基本步骤 1.2 应用案例分析2. 离散元法2.1 原理和基本步骤 2.2 应用案例分析3. 流体力学模拟3.1 瓦斯和水流动模拟 3.2 坍塌和冒顶模拟 3.3 支护结构与地下水模拟数值模拟在采矿工程中的优势和挑战1. 优势1.1 减少实地试验成本 1.2 提高工程设计的准确性 1.3 优化工程方案和管理策略1.4 预测和控制工程风险2. 挑战2.1 数值模型的建立与验证 2.2 参数与输入数据的准确性 2.3 模型计算复杂度与计算资源需求 2.4 模型结果的解释与应用数值模拟在采矿工程中的现实应用与案例分析1. 煤矿坍塌预测模拟1.1 模拟案例介绍 1.2 模拟方法和工具 1.3 模拟结果和分析2. 高瓦斯矿井瓦斯抽采模拟2.1 模拟案例介绍 2.2 模拟方法和工具 2.3 模拟结果和分析3. 深部金属矿山地压控制模拟3.1 模拟案例介绍 3.2 模拟方法和工具 3.3 模拟结果和分析4. 地下水涌出和水害模拟4.1 模拟案例介绍 4.2 模拟方法和工具 4.3 模拟结果和分析结论数值模拟在采矿工程中具有重要地位和应用前景。