基于CFD數值模擬的吉寧礦大直徑長鉆孔抽采參數優化

李麗兵,范 楠

(1.華晉焦煤有限責任公司, 山西 呂梁 033000;2.大同煤礦集團有限責任公司 博士后科研工作站, 山西 大同 037000;3.太原理工大學,山西 太原 030024)

瓦斯災害是礦井五大災害之一,在所有的礦井災害當中危害程度排名前列。由于它在礦井安全生產中的特殊性和重要性,故從安全生產的角度出發,必須要從源頭上進行治理,消除瓦斯帶來的隱患。

瓦斯抽采是防止瓦斯超限,防治煤與瓦斯突出的治本措施,在眾多瓦斯抽采技術中,頂板大直徑長鉆孔抽采方法具有抽采流量高、濃度高、過程簡單、施工量小等特點,近年來在我國多個礦區得到了應用[1-2]. 陽泉煤業下屬各礦對大直徑鉆孔抽采瓦斯的實踐表明,對大直徑鉆孔位置進行合理布置,抽采瓦斯效果可以比高抽巷更好[3]. 郝世俊等[4-5]通過實驗對比發現了大直徑拐彎鉆孔具有施工簡單且費用較少的特點。陳跟馬[6]通過分析大直徑長鉆孔預抽效果,發現大孔徑長鉆孔比中短鉆孔抽采瓦斯效果更好。裴昌合等[7]通過對千秋煤礦大直徑水平長鉆孔的實驗發現,使用高位鉆場大直徑水平長鉆孔瓦斯抽采技術,與普通鉆孔相比,具有抽采流量大、鉆孔利用率高、抽采效果穩定的特點。

吉寧煤礦2102大采高綜采工作面開采過程中出現瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等問題,為此,采用數值模擬的方法對2102工作面頂板大直徑長鉆孔布置參數和瓦斯抽采參數進行優化研究,以解決上隅角瓦斯濃度超限問題,為大直徑長鉆孔布置提供基礎參考。

1 工作面概況

吉寧煤礦2#煤層絕對瓦斯涌出量為23.97 m3/min,透氣性系數為0.023 m2/MPa2·d,屬于較難抽放煤層。2102工作面主采2#煤,工作面標高289～312 m,走向長932 m,傾斜長195 m,層厚4.7～6.8 m,平均5.75 m. 2#煤層傾角為2°～11°,平均4°,節理發育程度適中,普氏硬度1.6左右,均厚0.2 m的泥巖矸石夾雜于煤層中下部。工作面布置情況見圖1.

圖1 2102工作面沿走向布置示意圖

根據現場實測數據得知,煤壁瓦斯是2102工作面瓦斯最主要來源,總體上瓦斯濃度沿垂直方向和工作面回風側逐漸增大,最高濃度88%左右,出現在靠近工作面未受采動影響的上覆巖層區域;隅角瓦斯濃度為9.39%,已經嚴重超限,必須采用合理的抽采措施消除安全隱患。

2 大直徑長鉆孔數值模型

2.1 基本假設

在建模之前,預先設置以下簡化和假設:

1) 只分析進、回風巷和采空區漏風對采空區瓦斯運移規律的影響。

2) 由于煤層傾角較小,因此忽略其對于瓦斯運移和抽采效果的影響。

3) 模擬分析區域僅包含冒落帶和裂隙帶。

4) 工作面風流和采空區內部的瓦斯-空氣混合氣體視為不可壓縮氣體。

2.2 模型建立

以2102工作面為原型,構建采空區抽采模型圖,選取進風巷、回風巷尺寸:長20 m×寬5 m×高4 m,工作面區域:長200 m×寬10 m×高6 m. 以煤層底板與上隅角交為原點,以工作面推進方向為X軸負方向,沿傾向至進風巷方向為Y軸正方向,以垂直于煤層向上為Z軸正方向。模型構建過程中選擇靠近工作面的部分采空區作為研究對象。采空區模型尺寸為長300 m×寬200 m×高80 m.工作面物理模型參數見表1.

表1 工作面物理模型參數表

2.3 采空區模型邊界條件設置

1) 阻力系數和孔隙率。

在定義多孔介質時,需要定義其黏性和慣性阻力系數作為fluent模擬的必要參數:

圖15所示為某型飛機叉耳式機身—機翼交點對接裝配示意圖，機身交點軸線faF的長度l1=800 mm，機翼交點軸線waF的長度l2=1 000 mm。基準A、基準B分別為機身、機翼的中心線。機身、機翼單獨制造時，機身交點軸線faF相對基準A的同軸度要求faT=0.1 mm，機翼交點軸線waF相對基準B的同軸度要求waT=0.2 mm。機身—機翼對接裝配時，waF相對faF的同軸度誤為協調控制對象。利用交點軸線T-Maps和累積T-Map的幾何關系進行公差累積分析，以獲的空間波動域。

(1)

式中:Si為采空區多孔介質的動量損失源;μ為動力黏度,Pa/s;ρ為流體密度,kg/m3;Dij為黏性阻力損失系數矩陣;Cij為慣性阻力損失系數矩陣;vj為流體微元坐標方向上的速度分量,m/s.

2) 瓦斯源項設置。

根據回采期間工作面瓦斯涌出量為7.7 m3/min,設置工作面瓦斯源項為定值0.764e-5kg/m3·s.

根據瓦斯來源分布情況,將采空區區域劃分為:采空區底板到垂高6 m的區域,主要為采空區遺煤、煤柱涌出瓦斯和冒落煤巖涌出的瓦斯;垂高6 m到采空區模型頂部的區域,主要為臨近層卸壓、采空區遺煤瓦斯向上運移富集和碎裂巖層涌出瓦斯。瓦斯涌出比例設置為4∶1.

用UDF函數定義瓦斯涌出源項可表示為:

R2=a·e(bx)·10-6

(2)

式中:x為采空區走向距離,m;a為常數,取0.528;b為常數,取-0.057 6.

2.4 大直徑高位鉆孔參數優化模擬方案

根據采空區覆巖裂隙分布情況,選取距離煤層垂直高度Z=28～60 m,內錯距離10～42 m的正方形區域研究頂板大直徑高位鉆孔的最佳布置層位和抽采參數。選取了13組不同的鉆孔布置層位,以抽采流量為5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min、35 m3/min進行模擬實驗,分析鉆孔抽采流量、布置垂高、內錯距離對抽采效率和上隅角瓦斯治理效果的影響,以獲得最佳的鉆孔布置層位和抽采參數。鉆孔布置參數見表2,鉆孔布置層位示意圖見圖2.

表2 鉆孔布置參數表

圖2 采空區大直徑鉆孔層位布置圖

3 模擬結果分析

3.1 大直徑高位鉆孔抽采效果對比

為更清晰地分析不同抽采流量下鉆孔垂直高度和內錯距離對抽采效果的影響,以鉆孔內錯距離為橫坐標,鉆孔垂高為縱坐標,分別繪制抽采流量為5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min和35 m3/min時的瓦斯抽采濃度以及上隅角瓦斯濃度曲線,見圖3.

圖3 瓦斯抽采濃度和上隅角瓦斯濃度隨抽采流量變化曲線圖

由圖3可知,當抽采流量介于20.63～22.05 m3/min時,瓦斯抽采濃度為30%;上隅角瓦斯濃度分別為2.08%和2.67%,隨著抽采混合流量增大,鉆孔抽采獲取的瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度均呈指數降低;同時不同層位鉆孔的瓦斯抽采濃度差距逐漸縮小。

3.2 大直徑高位鉆孔層位和抽采參數優選

針對現場大直徑高位鉆孔抽采濃度高于30%的要求,根據抽采濃度和上隅角瓦斯濃度擬合結果,提取抽采濃度為30%時的瓦斯抽采流量,進一步整理獲得抽采瓦斯純量和上隅角瓦斯濃度,并以鉆孔所在層位的內錯距離為橫坐標、垂直高度為縱坐標繪制云圖,見圖4.

由圖4可知,在達到抽采濃度下限(30%)的情況下,在Z3-3位置(內錯距離26 m,垂直高度44 m)處布置鉆孔可以獲得最高的瓦斯純量(6.616 m3/min),同時將上隅角瓦斯濃度控制在最低值(2.102%). 由此得出結論,在布置單一大直徑高位鉆孔時,最佳布置層位為內錯距離26 m、垂直高度44 m,并在抽采流量增加至22.05 m3/min時達到高濃度瓦斯抽采濃度下限30%.

4 結 論

1) 隨著抽采混合流量增大,單一鉆孔抽采獲取的瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度均呈指數降低;同時不同層位鉆孔的瓦斯抽采濃度差距逐漸縮小。

2) 鉆孔最佳抽采位置沿“O”型圈裂隙分布規律逐漸向上隅角方向移動。布置單一大直徑高位鉆孔時,最佳布置層位為內錯距離26 m、垂直高度44 m.

3) 最佳層位布置鉆孔可以獲得最高的瓦斯純量,同時將上隅角瓦斯濃度控制在最低值;在抽采流量增加至22.05 m3/min時達到高濃度瓦斯抽采濃度下限30%.