1、引用格式：贾进章，张天阔，王东明，等注二氧化碳促抽煤层瓦斯数值模拟及现场试验安全与环境工程，（）：，（）：注二氧化碳促抽煤层瓦斯数值模拟及现场试验贾进章，张天阔，王东明，雷云（辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁 阜新 ；辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 ；中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 ）摘要：为有效减少煤层瓦斯含量，降低煤层瓦斯压力，对注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术进行数值模拟及现场试验研究。首先，基于流体力学、煤岩学和吸附力学建立注气抽采数学模型，运用 模拟了经过注气抽采后煤层瓦斯压力和瓦斯含量的变化规律，并将注气抽采煤层瓦斯的效果与常规抽采
2、进行了对比分析；然后，探究了注气压力与抽采负压对注气抽采的影响规律；最后，在阳泉集团新景矿业煤层 工作面开展了注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术的现场试验，验证该技术的有效性。结果表明：注气抽采的煤层瓦斯压力下降幅度比常规抽采增加了，注气抽采的煤层瓦斯含量下降幅度比常规抽采增加了 ，消突周期缩短；注气压力对注气抽采的影响较大，抽采负压对注气抽采的影响甚微；经过 注气抽采煤层瓦斯现场试验，煤层瓦斯压力为 ，与煤层初始瓦斯压力相比下降了 ，煤层瓦斯含量剩余为 ，与煤层初始瓦斯含量相比下降了 ，消突周期为，说明注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术可以有效提高瓦斯抽采效率，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量。关键词：注气抽采；
3、煤层瓦斯含量；煤层瓦斯压力；注气压力；抽采负压；数值模拟；现场试验中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：贾进章（），男，博士，教授，博士生导师，主要从事矿井瓦斯爆炸冲击波与通风动力耦合传播机理等方面的研究。：通讯作者：张天阔（），男，硕士研究生，主要研究方向为瓦斯热动力灾害防治。：，（，；，；，）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，：；我国原始煤层透气性差、渗透率较低，常规抽采技术很难有效降低煤层瓦斯含量，所以在煤矿井下开采作业过程中，瓦斯灾害事故频发。已有研究表明，通过向煤层注气孔注入二氧化碳气体后，二
4、氧化碳与瓦斯会发生竞相吸附，最终吸附性较弱的瓦斯会被置换出，同时煤层中瓦斯的分压会降低，有助于瓦斯的解吸。基于此特性，在煤层进行抽采瓦斯作业时，通常在抽采孔附近布置注气孔，通过加压注入二氧化碳来提高煤层瓦斯的抽采效率，在保障煤与瓦斯合理安全共采的同时又可以封存二氧化碳。注二氧化碳置换驱替瓦斯技术也称注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术，是顺应时代趋势的前沿技术，众多学者对该技术进行了大量的研究工作。如：等利用 原煤 进 行了 注气 试 验，注气压 力 为 ，结果表明在注入二氧化碳后，煤层瓦斯的采收率有较明显的提高，与自然排放相比煤层瓦斯的采收率增加了；等从原理上对注二氧化碳促抽瓦斯技术进行了研究，认为注
5、气抽采过程中煤层渗透率的变化是影响瓦斯产量的关键因素；孙可明为了解决低渗透性煤层的煤层气开采难问题，进行了注气开采数值模拟研究，结果表明注二氧化碳置换驱替瓦斯技术可以有效提高瓦斯抽采效率，从而增加煤层气产量，故注气增产是我国低渗透性煤层增产煤层气的有效途径；唐书恒等采用物理模拟试验装置开展了注二氧化碳提高煤层瓦斯采收率的模拟试验研究，结果表明采用注二氧化碳置换驱替瓦斯技术后，晋城煤层瓦斯的解吸率提高了 ，潞安煤层瓦斯的解吸率提高了 ；杨宏民等运用 模拟软件，对煤层注气驱替瓦斯技术进行了数值模拟研究，模拟了煤层注氮气或二氧化碳时瓦斯抽放孔气体流量的变化规律，结果表明注氮气促抽瓦斯后，瓦斯抽放孔纯
6、瓦斯流量增加到 ，注二氧化碳促抽瓦斯后，瓦斯抽放孔纯瓦斯流量增加到 ，说明注二氧化碳促进瓦斯抽采的效果要优于注氮气抽采。减少煤层瓦斯压力与瓦斯含量是煤矿安全开采的重要前提，我国煤矿区试验多是进行水力压裂、水力冲孔、深孔控制预裂爆破等技术研究，而各项技术存在局限性且不同煤矿情况也具有复杂性，如水力压裂技术所需设备庞大、价格昂贵，施工也较为困难；水力冲孔技术虽然易于安装和操作，但是施工周期长、成本高，冲孔之后容易引发坍塌事故，影响抽采效果；深孔控制预裂爆破技术装药工艺复杂，并且爆破产生的能量容易引发煤与瓦斯突出事故。相比较而言，注气抽采技术是目前较为先进的方法，但是目前多是关于注气抽采对瓦斯抽采效
7、率提高方面的研究，关于注气抽采对煤层瓦斯压力和瓦斯含量的影响研究较少，而对于注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术的现场试验研究也相对缺乏，且该技术还未在我国煤矿中大范围地推广使用。鉴于此，本文先基于流体力学、煤岩学和吸附力学建立了二元气体扩散和渗流的连续运动耦合模型，并运用 软件模拟了经过注气抽采后煤层瓦斯压力和瓦斯含量的变化规律，并将注气抽采煤层瓦斯的效果与常规抽采进行了对比分析；然后探究了注气压力与抽采负压对注气抽采的影响规律；最后在阳泉集团新景矿业煤层 工作面开展了注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术现场试验，以期有效降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，提高瓦斯的抽采效果。注气抽采煤层瓦斯数学模型通过注气孔将二氧化
8、碳（）加压注入煤层后，由于煤分子对二氧化碳分子的吸附性要远大于第期贾进章等：注二氧化碳促抽煤层瓦斯数值模拟及现场试验对甲烷（）的吸附性，当二氧化碳渗流扩散到煤基质表面，煤分子会将大部分二氧化碳吸附，同时会将煤基质内原本吸附的瓦斯置换出去。煤层中的瓦斯运移产出从渗流运动开始，首先游离态瓦斯在煤层裂缝中发生渗流运动，在部分瓦斯发生渗流运动后，瓦斯压力下降，于是产生了压力差，促使煤基质中的瓦斯开始进行扩散运动，扩散运动又促进了瓦斯的解吸，而瓦斯解吸使得层骨架收缩、裂隙变大，又进一步促进了瓦斯的渗流运动，这种瓦斯渗流扩散解吸的相互促进使得瓦斯运移出煤层。孔隙中气体扩散方程煤体中以吸附态存在的瓦斯和二氧
9、化碳气体在煤层孔隙中的运移方式为扩散，此过程符合 扩散定律，因此二氧化碳和瓦斯在煤体内扩散运动的质量守恒方程为（）（，）（）式中：为单组分的气体，代表气体，代表 气体；为气体的质量浓度（）；为时间（）；为气体的扩散系数（）；为汇源项 （）。裂隙中气体渗流方程游离态气体在裂隙中渗流运动的质量守恒方程为（）（，）（）式中：为单组分气体的密度 （）；为二元气体总的渗流速度（）；为气体的含量（），其中只考虑游离态气体，其定义为（）其中：为孔隙率。裂隙中气体渗流速度方程煤层中的游离态瓦斯和二氧化碳气体在煤层裂隙中的运移方式为渗流，无论混合气体还是单组分气体，在煤层裂隙中进行渗流运动时都符合 定律，则裂隙
10、中气体总渗流速度表达式为（）式中：为煤体渗透率（）；为气体的动力黏性系数（）；为总压力（），其中为游离态瓦斯气体压力（），为游离态二氧化碳气体压力（）。煤体渗透率方程煤体结构的改变必然导致煤体渗透率的变化，煤体渗透率的计算公式为（）（）式中：为煤体渗透率（）；为大气压力（）；为气体动力黏度（），气体的动力黏度为 ，气体的动力黏度为 ；为煤样轴向长度（）；为煤 样 横 截 面 积（）；为 稳 定 时 气 体 流 量（）；为进口压力（）；为出口压力（）。气体质量交换方程通常状态下，煤体中的吸附态气体与游离态气体不是保持固定不变的，吸附态气体与游离态气体处于一种互相转化的动态平衡中，吸附态气体与游离
11、态气体之间的质量交换可定义为（）（）式中：为吸附态气体的扩散质量浓度（）；为气体的质量源（）；为煤层对气体的吸附量（）；为吸附时间常数（）。多元气体吸附平衡方程吸附态气体在假定平衡压力下气体组分含量符合广义 方程：（）式中：为 标 准 状 况 下 单 组 分 气 体的 密 度（）；为煤体密度（）；为假定平衡压力（）；为气体在煤层中单独吸附时的极限吸附量（）；为气体吸附平衡常数（）；、分别为气体和 气体的平衡分压。气体状态方程假设各组分气体均为理想气体，气体状态方程可表示为（）式中：为单组分气体的 摩尔质量（）；为气体的气体常数（）；为理想气体温度（）；为混合气体的压力（）。故标准状况下的气体状
12、态方程可表示为（）式中：和分别为标准状况下 气体的压力（）和温度（），其中取值为 ，取值为 。二元气体扩散和渗流的连续运动耦合方程综合式（）至式（），可得耦合方程组为安全与环境工程 ：第 卷（）（）烅烄烆（）方程（）与方程组（）共同构成了煤体孔隙裂隙系统中二元气体扩散和渗流的连续运动耦合方程。注气抽采煤层瓦斯数值模拟 注气抽采数值模拟几何模型与参数在实际应用中，注气抽采问题所对应的模型应该是三维的立体模型，对于三维立体模型的计算求解是相当复杂的，但是通常情况下二维模型就已经可以满足模拟分析的需要，故本文为了方便求解，将原本注二氧化碳促抽煤层瓦斯技术的三维模型简化为二维模型，注气抽采数值模拟几何
13、模型如图所示，常规抽采数值模拟几何模型图如图所示。图注气抽采数值模拟几何模型示意图 图常规抽采数值模拟几何模型示意图 本文以阳煤集团新景矿业煤层 工作面现场 实 际 参 数 建 立 数 值 模 型，煤 层 模 型 尺 寸 为，注气孔和抽采孔孔径均为 ，注气孔与抽采孔的孔间距为，点为观测点，位于注气孔中心正上方 处，根据现场试验情况并结合文献 中的数据得到数值模拟参数见表，其理论模型如图所示。表注气抽采数值模拟参数表 参数名称数值单位数据来源煤体弹性模量 室内实验煤体泊松比 室内实验初始孔隙度 室内实验动力黏度 现场测试 动力黏度 现场测试标准状况下的密度 文献资料 的 常数 室内实验的 常数
14、室内实验甲烷的气体分子质量 文献资料 煤体密度 室内实验 标准状况下的密度 文献资料 的 常数 室内实验 的 常数 室内实验基质尺度 经验类比样品 初始压力 室内实验注气时间 经验类比图注气抽采理论模型图 初始条件与边界条件煤层气最高初始压力为 ，初始压力为，煤层瓦斯初始含量为 ，模型四周为零流量边界，矿井大气压力为 。注气抽采数值模拟初始条件和边界条件，见表。表注气抽采数值模拟初始条件和边界条件 条件类别气体渗流方程 气体渗流方程初始条件 边界条件抽采钻孔：注气钻孔：煤体四周：零流量边界煤体四周：零流量边界注：为大气压力；为抽采负压；为 注气压力。第期贾进章等：注二氧化碳促抽煤层瓦斯数值模拟
15、及现场试验 数值模拟结果及分析 注气抽采与常规抽采效果对比在注气抽采时间为、注气压力为 、抽采负压为 的条件下，注气抽采的煤层瓦斯压力变化模拟云图，如图所示。由图可见，随着注气抽采时间的增加，煤层瓦图注气抽采的煤层瓦斯压力变化模拟云图 斯压力下降明显，分析原因是 在进入煤体后，开始 占 据分 子 在 煤 体 大 分 子 上 的 吸 附 位置 ，将 分子驱替置换出来，煤层瓦 斯在 驱替置换与抽采负压的共同作用下，除了将煤层裂隙中原有的游离态瓦斯抽采出去外，还将吸附在煤基质中的吸附态瓦斯置换驱替到煤体裂隙中，同时又促进了吸附态瓦斯解吸成游离态。由于注气提高了煤层压力，保证了煤层能量，将有利于的解吸
16、，并且可以延长煤层气的开采期，大幅提高煤层气产量和采收率，而常规抽采通常只是将裂隙中游离态瓦斯抽采出煤层，却很难将煤基质中的吸附态瓦斯抽采出，所以注气抽采效果要优于常规抽采。此外，由图还可见，距离抽采孔较近的部分煤层瓦斯压力下降明显，分析原因是抽采孔附近受到抽采负压的影响较大，与其他区域相比瓦斯渗流速度更快，在相同时间里抽采孔周围煤层瓦斯含量降低幅度较大，进而导致距离抽采孔较近位置的煤层瓦斯压力下降明显。随着抽采不断进行，距离抽采孔较远位置的煤层瓦斯压力也逐渐下降，且随着煤安全与环境工程 ：第 卷层瓦斯压力的下降，首先在抽采孔周围形成低压区，低压区逐渐扩大，最终在煤层形成一定范围的低压区域。以 点为观测点，分别绘制了常规抽采与注气抽采煤层瓦斯压力变化曲线，如图所示。图注气抽采与常规抽采煤层瓦斯压力变化曲线的对比 由图可见，常规抽采与注气抽采的煤层瓦斯压力整体上均表现为随着注气抽采时间的增加而逐渐减少的趋势，但是相比常规抽采，经过注气抽采的煤层瓦斯压力下降幅度更大。具体分析如下：经过 的常规抽采，煤层瓦斯压力为 ，与煤层初始瓦斯压力相比较下降了 ，而注气抽采下，煤层瓦斯压力为 ，与煤层初
