余吾3号煤层地质异常体瓦斯流动数值模拟研究

杨键

摘要：为厘清含地质异常体煤层瓦斯流动规律以及合理制定针对性的抽放措施，以余吾3号煤层为例，运用数值模拟软件COMSOL对以封闭型断层为例地质异常体附近原始瓦斯压力分布、钻孔后瓦斯压力再分布以及抽放衰减特征进行了数值模拟，得出煤层中封闭型断层的存在对前端煤层瓦斯流动起到了阻隔作用，断层附近易形成瓦斯集中区域，但通过合理调整抽放参数，如布孔间距、抽放时间等，可使得地质异常体附近集聚的瓦斯得到有效的释放，以保障矿井安全开采。研究结果对于完善含地质异常体煤层中瓦斯运移规律及瓦斯治理具有重要意义。

关键词：煤矿；地质异常体；瓦斯流动；钻孔；数值模拟

中图分类号：TD712     文献标志码：A

长期以来煤炭一直占据我国一次能源结构的主导地位，并且在未来相当长的时间内不太可能发生改变[1]。但在煤炭资源开采过程中，各种矿井地质灾害时有发生，其中瓦斯灾害最为常见，像瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息以及其它由瓦斯带来的复合动力灾害事故，无疑给作业人员的人身安全和矿井稳步生产带来了极大的威胁[2-6]。灾害的发生与煤中瓦斯赋存状态的异常变化有密切联系，而瓦斯的赋存状态又受到众多因素的影响[7]，其中地质构造条件在一定程度上影响着瓦斯的形成、储集和运移，不同的地质构造条件导致煤层瓦斯储运规律各不相同，特别是煤层地质异常体的存在，对瓦斯储运有着明显的控制作用。余吾煤业为高瓦斯矿井，瓦斯含量较大，地质构造复杂，这些因素极大地影响了余吾煤业的安全生产和高效开采，因此有必要对余吾3号煤层地质异常体瓦斯运移和抽放特征进行研究。

1 地质概况

余吾煤业井田位于山西省屯留、襄垣县境内，潞安矿业集团西部。井田内总体构造形态为走向北北东一南北向西缓倾的单斜，在单斜的影响下发育了比较单一的宽缓褶曲、少量断距超过20m的断层、以及一定数量的断距不超过20m的断层、陷落柱，其中余吾逆断层断距最大为66m。此外，通过钻探和物探探明的陷落柱有6个，因此余吾矿井的主要地质因素的有断层、褶皱、陷落柱等[8-9]。

2 地质异常体瓦斯渗流及抽放优化数值模拟

2.1数值模型建立

结合现场实际情况，在此仅进行了对矿井安全生产威胁最大的封闭型断层的瓦斯流动情况进行了模拟。采用COMSOL软件将复杂瓦斯地质构造进行简化建模，模型设置为长100 m，宽50 m，高6 m的比例缩放煤层；在模型中部设置一条宽为10 m的封闭型断层，模拟研究了封闭型断层原始瓦斯压力赋存及渗流特性，同时为了模拟地质异常体附近进行瓦斯抽放后的瓦斯运移特征，在煤层采面布置若干钻孔，具体情况如图1所示。

图１ 地质异常体简化物理模型

2.2模型参数赋值

在数值模拟计算参数的设定时，依据收集到的现场地质及瓦斯数据资料，按照试验工作面煤岩的物理力学性质及煤层瓦斯特性进行设定，并参考实验室及现场测量的数据来确定具体定义模型的基本参数。

3 模拟结果与分析

3.1封闭型断层原始瓦斯压力流动特性

首先对未扰动煤层地质瓦斯渗流及压力状态进行了数值模拟研究，通过对煤层及构造带的边界条件进行设置，得到未抽放异常构造体渗流及瓦斯赋存特性，模拟结果如图2、3所示。

图2 封闭型断层附近煤层瓦斯压力分布图3封闭型断层附近煤层瓦斯流速分布

由上图可知，瓦斯压力在封闭型断层附近存在显著积聚。在封闭型断层前端，煤层瓦斯赋存状态较为稳定，原生煤层压力在封闭型断层附近形成较大瓦斯压力区。在封闭型断层内部，受到构造带高密度、低孔隙率、低吸附能力、高应力集中等条件限制，其内部瓦斯压力与前部相比已经显著下降。而在封闭型断层后段，受工作面开采活动的影响，瓦斯压力已经大幅度下降，煤层瓦斯通过采面已经大部分释放。原力生煤层的瓦斯渗流特征与瓦斯压力的分布状态基本保持一致，封闭型断层附近的瓦斯流速受到煤层瓦斯梯度影响，在异常区形成较为明显的渗流带。而在采面附近瓦斯压力已经释放的情况下，渗流特征已经相对不再明显。

3.2封闭型断层钻孔抽放瓦斯局部衰减特性

对含封闭型断层的煤层钻孔瓦斯抽放进行了数值模拟，研究了瓦斯流速分布和衰减特性。封闭型断层附近钻孔煤层瓦斯流速分布模拟情况见图4，4#钻孔煤层瓦斯流速变化的模拟结果如图5所示。

（a） 25 d	（b） 50 d
（c） 75 d	（d） 100 d
图4 0-100d封闭型断层附近钻孔煤层瓦斯流速分布

图5 封闭型断层附近4#钻孔煤层瓦斯100 d流速变化

由上图可知，在封闭型断层附近，钻孔瓦斯抽放流速变化整体呈逐步衰减的趋势，并在一定时间后达到稳定。抽放50 d时，封闭型断层后端钻孔附近瓦斯流速已经发生明显衰减，且在75 d时瓦斯流速在理想条件下已经整体上衰减至极限值。而在钻孔前端部分，由于煤层前端未受扰动，瓦斯仍然能够持续从其他位置补充至钻孔附近，瓦斯流速未见明显衰减至极低水平的现象。单从4#钻孔来看，在远离采面x=60 m处，瓦斯流速降低至4e-4 m/s后基本保持稳定，而在封闭型断层后端，钻孔瓦斯流速基本衰减至较低水平，这一现象与钻孔所处位置是否在封闭型断层前后段密切相关。

3.3封闭型断层瓦斯抽放及布孔优化

鉴于封闭型断层附近的高瓦斯压力分布，探究如何有效的进行封闭型断层附近瓦斯的抽放，以及合理可行的布孔泄压，能够减少因高瓦斯压力带来的不确定安全因素。因此，通过数值模拟探究了封闭型断层附近不同布孔间距的瓦斯释放情况，对比以求得到最佳布孔间距，对含封闭型断层的原生瓦斯压力分布模型进行布孔建模，在y=25 m处，设计四套间距分别为4 m、3.5 m、3 m、2.5 m的布孔方案，并且每个方案分别布置4个40 m长的等比例钻孔全都穿过封闭型断层，进行模拟计算得到如下瓦斯压力和渗流特征结果。

（a）4 m	（b）3.5 m	（c）3 m	（d）2.5 m
图6 封闭型断层附近不同布孔间距抽放第100d钻孔煤层瓦斯压力分布

（a）4 m	（b）3.5 m	（c）3 m	（d）2.5 m
图7 封闭型断层附近不同布孔间距抽放第100 d钻孔煤层瓦斯流速分布

（a）4 m	（b）3.5 m	（c）3 m	（d）2.5 m
图8 封闭型断层瓦斯抽放第100 d钻孔孔周瓦斯压力变化

由抽放100 d瓦斯压力分布（图6）可知，抽放钻孔孔周瓦斯压力产生较大变化。钻孔穿过地质异常体部分，瓦斯压力形成一定的压力释放范围。而在钻孔后端，由于瓦斯压力较低且煤层瓦斯长时间由采面释放，孔周压力抽采效果已经不再明显，形成较小的压力释放带。而由图7可知，钻孔在第100 d时，在构造带附近瓦斯流速衰减最为显著，其原因在于构造带相对煤层其渗透率更低，且其对瓦斯的吸附能力较差，长时间抽放外源瓦斯补充缓慢的情况下其渗流特性衰减也最为明显。

通过在1-4#钻孔孔周布置一条瓦斯压力监测带，得到如图8的不同抽放钻孔间距瓦斯压力变化曲线。从曲线上可以看出，瓦斯压力在钻孔孔周从整体上呈逐步下降的特征，靠外部钻孔其泄压宽度不发生重叠产生更宽的压力衰减范围，通过图中4 m，3.5 m，3 m及2.5 m的抽放钻孔间距可知，其泄压总宽度分别为19.5 m，17 m，16.5 m，15 m，则单个钻孔平均泄压范围为4.8 m，4.25 m，4.15 m，3.75 m。而从其泄压效果来看，尽管4m的布孔范围泄压宽度最大，但综合来看灵活选择3 m或2.5 m的布孔间距，既可以达到对封闭型断层附近较高瓦斯压力进行良好泄压的效果，又可以实现较大范围的抽放泄压。

4 结语

通过对以封闭型断层为例的地质异常体附近瓦斯抽放特征数值模拟结果可知，封闭型断层的存在对前端煤层瓦斯起到了一定的阻隔作用，断层附近易形成瓦斯集中区域；通过合理布置抽放钻孔，封闭型断层附近集聚的瓦斯能够得到有效的释放；灵活的选择2.5 m和3 m的布孔间距，可以同时兼顾钻孔抽放效果和保证抽放泄压宽度。因此，在进行封闭型断层瓦斯抽放时，应尽量将钻孔布置进入异常体前端煤体，适当增大钻孔数量和合理调整布孔间距可有效的保障抽放水平和抽放效率。

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