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(tuán)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(tuán)天安公司，山西晉城 048000）

長(zhǎng)期以來(lái)，為了經(jīng)濟(jì)有效的抽采煤層中的瓦斯，順煤層開采的研究與實(shí)踐已經(jīng)取得了突破。然而，在完成抽采任務(wù)后瓦斯抽放鉆孔就直接廢棄，造成很大的浪費(fèi)。在經(jīng)濟(jì)、合理、高效的前提下，曙光煤礦根據(jù)具體情況對(duì)煤層注水做了相似模擬研究，并且指導(dǎo)了煤層注水的具體實(shí)踐。結(jié)果表明，利用瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行煤層注水，不僅可以很大程度上減少鉆孔的浪費(fèi)，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(qū)孝義市管轄，隸屬于山西省汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司。總體展布為北北東向，長(zhǎng)約140 km，寬45 km，面積達(dá)6 300 km2，是組成呂梁山塊隆的主體構(gòu)造之一，廣泛發(fā)育石炭、二疊系含煤地層，產(chǎn)狀平緩，傾角一般小于15°，兩側(cè)出露奧陶系中統(tǒng)地層，西部較寬廣，東部較狹窄，零星。汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光礦礦井瓦斯等級(jí)鑒定：礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為41.01 m3/min（抽采量17.56 m3/min，風(fēng)排量23.45 m3/min），相對(duì)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(shù)參數(shù)

根據(jù)煤科總院沈陽(yáng)研究院給曙光礦所做的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)和瓦斯抽采設(shè)計(jì)，1214工作面走向長(zhǎng)度1 970 m，可采長(zhǎng)度1 392 m，傾斜長(zhǎng)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(gè)；另外在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工本煤層鉆孔2個(gè)，一共42個(gè)；總計(jì)本煤層鉆孔274個(gè)，鉆孔直徑95 mm，鉆孔深度180 m，抽采瓦斯負(fù)壓13 kPa。鉆孔深度180 m為設(shè)計(jì)深度，由于鉆機(jī)問題鉆進(jìn)困難實(shí)際鉆孔施工深度80 m，計(jì)算注水參數(shù)時(shí)鉆孔深度均取80 m。1214材料巷部分鉆孔施工參數(shù)，如表1所示。

表1 1214材料巷部分鉆孔施工參數(shù)

21214 工作面煤層注水模擬研究

根據(jù)煤層可注水性判定規(guī)則，1214工作面測(cè)定的數(shù)據(jù)完全符合國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT/T1023-2006）中煤層可注水標(biāo)準(zhǔn)。

通常，滲流問題[1]的數(shù)學(xué)模擬都是通過(guò)求解滲透壓頭的拉普拉斯方程來(lái)進(jìn)行計(jì)算求解，而為了利用fluent軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力及其前后處理功能，我們通過(guò)在一般流體力學(xué)控制方程的基礎(chǔ)上增加滲流阻力系數(shù)的方法，以源項(xiàng)的形式加入到Fluent軟件的求解器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水滲流的數(shù)值模擬，并采用求解自由面的VOF多相流法對(duì)水在煤層中浸潤(rùn)面擴(kuò)展的計(jì)算模擬。

假設(shè)前提：a.煤層均質(zhì)，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(duì)水滲流的阻滯效應(yīng)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅對(duì)鉆孔注水傳播規(guī)律進(jìn)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(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)段，簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，采用四邊形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，并在鉆孔處進(jìn)行加密處理，模型結(jié)構(gòu)化劃分，見圖2。

圖1 注水幾何模型

圖2 模型結(jié)構(gòu)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(zhǎng)×寬= 12 m×10 m，鉆孔區(qū)段長(zhǎng)度6 m。模擬結(jié)果如下：

1）鉆孔注水過(guò)程中水的流動(dòng)狀態(tài)。

在鉆孔內(nèi)注水高壓的作用下，水流通過(guò)煤層中的孔隙與裂隙向鉆孔周圍的煤層中緩慢運(yùn)移，受煤層低孔隙率的影響，水在煤層內(nèi)只能保持層流狀態(tài)[2]。圖3為注水穩(wěn)定時(shí)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(nèi)，大小基本在10-4數(shù)量級(jí)上，且越靠近煤層內(nèi)部水流速度越小，這一方面是因?yàn)殂@孔周邊的壓力差最大，同時(shí)鉆孔對(duì)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(wěn)定時(shí)候鉆孔周邊水流速度

2）濕潤(rùn)半徑隨著注水時(shí)間的變化。不同時(shí)刻鉆孔周邊煤層內(nèi)水分含量分布，見圖4。

圖4 不同時(shí)刻鉆孔周邊煤層內(nèi)水分含量分布

由圖4我們可以清楚地看出，隨著注水時(shí)間的延長(zhǎng)，水流通過(guò)鉆孔逐漸向四周煤層內(nèi)滲流，且徑向運(yùn)移距離要大于軸向運(yùn)移的距離。當(dāng)注水時(shí)間到48 h時(shí)，鉆孔的徑向的潤(rùn)濕半徑已經(jīng)超過(guò)6 m了，忽略注水時(shí)效問題，那么這樣的注水效果已經(jīng)滿足要求。圖5展示了鉆孔徑向軸線上潤(rùn)濕邊界的隨時(shí)間的運(yùn)移過(guò)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(nèi)水分的飽和程度，飽和度為1，表示該處煤已經(jīng)完全被水浸潤(rùn)，無(wú)法再吸收水分了。

圖5 不同時(shí)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(tǒng)計(jì)表，如表2所示，最大的特點(diǎn)是注水實(shí)際用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)間，這在以前的煤層注水實(shí)踐中是從未有過(guò)的現(xiàn)象，說(shuō)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(tǒng)計(jì)表

不僅如此，本文還對(duì)注水前后的工作面煤塵濃度進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)煤層注水后，工作面產(chǎn)塵量大幅度下降，產(chǎn)塵地點(diǎn)降塵率提高比較明顯，尤其是在割煤和移架過(guò)程，總粉塵濃度降塵率[4-5]達(dá)70%以上，效果明顯，能極大的降低工作面的產(chǎn)塵量，對(duì)保護(hù)員工身體健康非常有利。達(dá)到了預(yù)期目的。加之完善其他防塵、降塵措施，加強(qiáng)了監(jiān)督檢查，使得工作面粉塵濃度降到有史以來(lái)的最低水平，基本滿足了煤礦安全規(guī)程的要求，達(dá)到了降低塵肺病發(fā)病率的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）在原有的瓦斯抽放管路的基礎(chǔ)上進(jìn)行煤層注水，注水效果明顯，濕潤(rùn)效果達(dá)到理想程度。

2）共用鉆孔濕潤(rùn)后的煤層降塵率達(dá)70%以上，效果非常明顯。

3）利用瓦斯抽放管路進(jìn)行煤層注水，不僅節(jié)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(shí)間對(duì)煤體含水率影響的試驗(yàn)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(shù)實(shí)踐[J].煤礦安全，2007（6）：14-15.

[5]陳學(xué)習(xí)，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(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，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(xué)?？疲こ處?，從事煤礦一通三防技術(shù)研究及煤礦管理工作。