煤層鉆孔液氮冷凍有效半徑研究

姬書強

(潞安集團 蒲縣隰東煤業有限公司，山西 臨汾 041200)

我國煤炭占能源主導地位的局面將長期不變[1]，因此，瓦斯災害防治仍是我國煤礦災害治理的重中之重[2]，在各種類型的煤與瓦斯突出中，石門揭煤的平均突出強度較高[3]，嚴重威脅礦井的安全生產。

現有的石門揭煤防突技術方法有很多，比如預抽瓦斯[4-6]、深孔預裂爆破[7-8]等，但采取以上措施，還存在兩個問題：一是揭煤進度緩慢[9]，二是存在安全隱患。因此，為解決以上問題，提出了低溫凍結的方法[10-12]。翟成等[13]采取低場核磁共振技術對不同煤級的煤進行測試，指出褐煤、煙煤和無煙煤在低溫凍結石門揭煤過程中在凍結溫度相同時，褐煤的未凍水含量的降低程度最大；Yue Jiwei等基于人工凍結的方法，提出一種快速安全的石門揭煤綜合技術，主要包括四個步驟，即鉆孔、注水潤濕、瓦斯抽放和液氮注入凍結煤層。冷凍煤的力學性能有了很大的改善，抗壓強度和抗拉強度隨溫度的降低呈線性增加趨勢。

本文主要運用comsol軟件進行數值模擬，對不同時間和不同傳熱系數的煤巖進行鉆孔液氮冷凍，分析其傳熱規律及有效半徑，并探討布孔方式。

1 煤層鉆孔數值模型

1.1 數理模型的建立

由于煤體的導熱系數非常低，因此，模型為邊長1 500 mm的正方體，在中心位置取直徑為100 mm的鉆孔，內部邊界給予恒定溫度T1=77 K，其余邊界給予溫度T2=303 K，導熱系數設定為λ=0.1，常壓熱容c=1 260 J/(kg·K)，泊松比v=0.3，煤體密度1 450 kg/m3，模型如圖1所示。

圖1 模型

1.2 基本理論

式中：λ為材料的導熱系數，W/(m·℃)，負號“-”表示熱流密度矢量與溫度梯度的方向呈相反方向。

2 模擬結果與分析

2.1 導熱系數λ=0.1時的溫度徑向變化規律

當λ=0.1時，7 d內鉆孔處溫度云圖如圖2所示。 由圖2可以看出：7 d內煤體鉆孔冷凍時，隨著天數的增加，鉆孔處溫度逐漸升高，但在傳熱過程中影響半徑非常小。7 d內鉆孔傳熱溫度變化規律如圖3所示，將溫度273 K以內看做是有效的影響區域，由圖3可知：在煤體鉆孔冷凍后，7 d內鉆孔傳熱溫度影響半徑分別為62 mm、85 mm、102 mm、115 mm、127 mm、138 mm、147 mm，但其相鄰天數之間的差值在逐漸減小，即增大速率逐漸減小。

圖2 7 d內鉆孔處溫度云圖

圖3 7 d內鉆孔傳熱溫度變化規律

2.2 不同導熱系數下溫度的徑向變化

7 d內不同導熱系數下溫度的徑向變化規律如圖4所示。由圖4可知：在相同時間下，隨著導熱系數的增大，鉆孔冷凍煤體的影響半徑也隨之增大。煤體鉆孔冷凍第1天，當導熱系數為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0時，影響半徑依次為62 mm、126 mm、172 mm、205 mm、232 mm；煤體鉆孔冷凍第2天，影響半徑依次為85 mm、172 mm、232 mm、276 mm、311 mm；煤體鉆孔冷凍第3天，影響半徑依次為102 mm、205 mm、276 mm、326 mm、365 mm；煤體鉆孔冷凍第4vd，影響半徑依次為115 mm、232 mm、311 mm、365 mm、401 mm；煤體鉆孔冷凍第5天，影響半徑依次為127 mm、255 mm、340 mm、393 mm、425 mm；煤體鉆孔冷凍第6天，影響半徑依次為138 mm、275 mm、364 mm、414 mm、440 mm；煤體鉆孔冷凍第7天，影響半徑依次為147 mm、294 mm、384 mm、429 mm、449 mm。

圖4 7 d內不同導熱系數的溫度變化規律

2.3 不同導熱系數下溫度的徑向變化規律

不同導熱系數下天數與影響半徑的關系如圖5所示。

圖5 不同導熱系數下天數與影響半徑的關系

由圖5可知：當傳導系數為定值時，隨著時間的增加，影響半徑呈冪指數增加，且相關系數達到0.999。同樣地，在相同天數下，隨著傳熱系數的增大，其影響半徑也隨之增大。

2.4 合理的布孔間距

圖6 合理布孔方式

3 結 語

采用數值模擬方法對不同時間和不同傳熱系數的煤體傳熱變化規律進行研究，主要結論如下：

1) 在相同時間下，隨著導熱系數的增大，鉆孔冷凍煤體的影響半徑隨之增大，但增大速率呈遞減趨勢；

2) 當傳導系數為定值時，隨著時間的增加，影響半徑呈冪指數增加；