利用瓦斯抽放提高注水效率的相似模擬研究

司愛忠

（晉煤集團天安公司，山西晉城 048000）

利用瓦斯抽放提高注水效率的相似模擬研究

司愛忠

（晉煤集團天安公司，山西晉城 048000）

長期以來，為了經濟有效的抽采煤層中的瓦斯，順煤層開采的研究與實踐已經取得了突破。然而，在完成抽采任務后瓦斯抽放鉆孔就直接廢棄，造成很大的浪費。在經濟、合理、高效的前提下，曙光煤礦根據具體情況對煤層注水做了相似模擬研究，并且指導了煤層注水的具體實踐。結果表明，利用瓦斯抽放鉆孔進行煤層注水，不僅可以很大程度上減少鉆孔的浪費，而且注水效果非常理想。

瓦斯抽采；煤層注水；相似模擬；曙光煤礦

曙光煤礦位于山西省中部，屬于呂梁地區孝義市管轄，隸屬于山西省汾西礦業（集團）有限責任公司。總體展布為北北東向，長約140 km，寬45 km，面積達6 300 km2，是組成呂梁山塊隆的主體構造之一，廣泛發育石炭、二疊系含煤地層，產狀平緩，傾角一般小于15°，兩側出露奧陶系中統地層，西部較寬廣，東部較狹窄，零星。汾西礦業集團曙光礦礦井瓦斯等級鑒定：礦井絕對瓦斯涌出量為41.01 m3/min（抽采量17.56 m3/min，風排量23.45 m3/min），相對瓦斯涌出量為20.11 m3/t，屬于高瓦斯礦井。

1 工作面瓦斯抽采技術參數

根據煤科總院沈陽研究院給曙光礦所做的瓦斯涌出量預測和瓦斯抽采設計，1214工作面走向長度1 970 m，可采長度1 392 m，傾斜長度200 m。鉆孔間距6 m，故需在材料巷布置本煤層順層鉆孔232個；另外在每個鉆場內施工本煤層鉆孔2個，一共42個；總計本煤層鉆孔274個，鉆孔直徑95 mm，鉆孔深度180 m，抽采瓦斯負壓13 kPa。鉆孔深度180 m為設計深度，由于鉆機問題鉆進困難實際鉆孔施工深度80 m，計算注水參數時鉆孔深度均取80 m。1214材料巷部分鉆孔施工參數，如表1所示。

表1 1214材料巷部分鉆孔施工參數

21214 工作面煤層注水模擬研究

根據煤層可注水性判定規則，1214工作面測定的數據完全符合國家安全生產監督管理總局發布的中華人民共和國煤炭行業標準（MT/T1023-2006）中煤層可注水標準。

通常，滲流問題[1]的數學模擬都是通過求解滲透壓頭的拉普拉斯方程來進行計算求解，而為了利用fluent軟件強大的計算能力及其前后處理功能，我們通過在一般流體力學控制方程的基礎上增加滲流阻力系數的方法，以源項的形式加入到Fluent軟件的求解器中，實現對水滲流的數值模擬，并采用求解自由面的VOF多相流法對水在煤層中浸潤面擴展的計算模擬。

假設前提：a.煤層均質，且各向滲透率相同。b.瓦斯、水均為不可壓縮流體。c.不考慮煤層瓦斯對水滲流的阻滯效應。

為簡化計算，僅對鉆孔注水傳播規律進行二維研究，選取鉆孔水平截面為研究平面，選取鉆孔末端區域為研究區段，簡化后的注水幾何模型，見圖1。

為減小模型畸變度，模型采用結構化網格劃分方法，采用四邊形網格對模型進行劃分，并在鉆孔處進行加密處理，模型結構化劃分，見圖2。

圖1 注水幾何模型

圖2 模型結構化劃分

1214 工作面煤層原始含水量3.6%，注水壓力5 MPa，瓦斯壓力0.38 MPa，壓差4.62 MPa，煤層滲透率1.5×10-3um2，鉆孔直徑0.095 m，模型長×寬= 12 m×10 m，鉆孔區段長度6 m。模擬結果如下：

1）鉆孔注水過程中水的流動狀態。

在鉆孔內注水高壓的作用下，水流通過煤層中的孔隙與裂隙向鉆孔周圍的煤層中緩慢運移，受煤層低孔隙率的影響，水在煤層內只能保持層流狀態[2]。圖3為注水穩定時候鉆孔周邊水流速度。從圖3中我們可以看出，水流速度分布主要集中在鉆孔周邊較小的范圍內，大小基本在10-4數量級上，且越靠近煤層內部水流速度越小，這一方面是因為鉆孔周邊的壓力差最大，同時鉆孔對周邊的破壞也使得鉆孔周邊的煤層較為破碎，煤層滲透率提高。

圖3 注水穩定時候鉆孔周邊水流速度

2）濕潤半徑隨著注水時間的變化。不同時刻鉆孔周邊煤層內水分含量分布，見圖4。

圖4 不同時刻鉆孔周邊煤層內水分含量分布

由圖4我們可以清楚地看出，隨著注水時間的延長，水流通過鉆孔逐漸向四周煤層內滲流，且徑向運移距離要大于軸向運移的距離。當注水時間到48 h時，鉆孔的徑向的潤濕半徑已經超過6 m了，忽略注水時效問題，那么這樣的注水效果已經滿足要求。圖5展示了鉆孔徑向軸線上潤濕邊界的隨時間的運移過程，由于模型未考慮煤層所占體積比，因此，圖中的含水率[3]可以看成是煤層內水分的飽和程度，飽和度為1，表示該處煤已經完全被水浸潤，無法再吸收水分了。

圖5 不同時刻鉆孔徑向軸線1上水分含量分布曲線

利用瓦斯抽采鉆孔煤層注水，最終瓦斯抽采量與煤層注水量統計表，如表2所示，最大的特點是注水實際用的時間遠遠低于設計時間，這在以前的煤層注水實踐中是從未有過的現象，說明注水速度加快了，注水容易了。

表21214 材料巷部分鉆孔瓦斯抽采與注水統計表

不僅如此，本文還對注水前后的工作面煤塵濃度進行了對比，對比結果，如表3所示。

由表3數據可以看出，經過煤層注水后，工作面產塵量大幅度下降，產塵地點降塵率提高比較明顯，尤其是在割煤和移架過程，總粉塵濃度降塵率[4-5]達70%以上，效果明顯，能極大的降低工作面的產塵量，對保護員工身體健康非常有利。達到了預期目的。加之完善其他防塵、降塵措施，加強了監督檢查，使得工作面粉塵濃度降到有史以來的最低水平，基本滿足了煤礦安全規程的要求，達到了降低塵肺病發病率的目的。

3 結束語

1）在原有的瓦斯抽放管路的基礎上進行煤層注水，注水效果明顯，濕潤效果達到理想程度。

2）共用鉆孔濕潤后的煤層降塵率達70%以上，效果非常明顯。

3）利用瓦斯抽放管路進行煤層注水，不僅節省了巨額成本，而且提高了注水效率，在本礦有很高的可行性。

[3]高魯，康天合，魯偉.水壓、圍壓、浸泡時間對煤體含水率影響的試驗研究[J].山西煤炭，2010（3）：43-45.

[4]常健.恒源公司采煤工作面短鉆孔注水技術實踐[J].煤礦安全，2007（6）：14-15.

[5]陳學習，傅貴.“三軟”煤層綜放工作面注水防塵效果考察及分析[J].華北礦業高等專科學校學報，1999（4）：16-20.

Simulation Study on Water Injection Efficiency by Gas Drainage

SI Aizhong
(Tian'an Co.,Ltd.,Jincheng Coal Group,Jincheng 048000,China)

To realize economical and effective gas drainage,research and practice of mining along coal seam have made some progress.However,it is wasteful if boreholes are directly discarded after the gas drainage.On the premise of economy,rationality,and efficiency,a simulation study was conducted on water injection in Shuguang mine,which have guided the practice.The results show that using boreholes of the gas drainage to inject water could greatly reduce their waste and the injection effect is ideal.

gas drainage;coal seam water injection;similarity simulation;Shuguang Mine

TD712

A

1672-5050（2015）03-0024-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.009

（編輯：武曉平）

2015-03-09

司愛忠（1968-），男，山西高平人，大學專科，工程師，從事煤礦一通三防技術研究及煤礦管理工作。