7151綜采工作面煤層注水效果模擬研究

駱大勇

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶402260）

煤層注水是指用水預(yù)先濕潤煤體的一種減塵方法〔1，2，5〕，即煤體在開采之前，在煤體內(nèi)打若干鉆孔，通過鉆孔向煤體注入壓力水，水均勻分布于煤層中的無數(shù)細(xì)微的裂隙和孔隙之中，使其滲入煤體內(nèi)部，增加煤層水分，在開采時降低煤塵。合理的注水參數(shù)是決定注水效果的關(guān)鍵，而煤層注水效果影響的因素紛繁復(fù)雜。因此，選擇合理的煤層注水參數(shù)既重要，但又十分困難。利用Fluent數(shù)值模擬軟件對7151綜采工作面煤層注水效果進行了模擬研究，模擬結(jié)果與實際情況基本吻合，說明可以通過數(shù)值模擬方法選擇合理的煤層注水參數(shù)。

1 Fluent軟件簡介

Fluent是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動以及熱傳導(dǎo)的計算機程序。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體／六面體／金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動。甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它允許根據(jù)具體情況對網(wǎng)格進行修改（細(xì)化／粗化）。Fluent是用C語言寫的，具有高效、靈活的特點。因此，動態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的解控制都是可能的。

2 水在煤體的流動規(guī)律

煤層是裂隙—孔隙發(fā)育的多孔介質(zhì)，水在煤層中流動符合Darcy定律，假設(shè)水在裂隙中流動滿足Darcy流〔3－4〕，則對于各向異性介質(zhì)的二維流動，Darcy定律為：

式中：q為比流矢量，I為水力坡度矢量，也稱水頭梯度，K為滲透系數(shù)，是二秩對稱張量。它在二維情況下可表示為：

在均質(zhì)各向異性介質(zhì)中，對于某一坐標(biāo)軸方向的流動分量，不僅與同方向的水力坡度Ix要作出貢獻，其它方向的水力坡度Iy也要作出貢獻。此時的流速方向與水力坡度方向不一致。以此建立水在煤體流動的數(shù)學(xué)模型。

3 7151采煤工作面概況

3.1 工作面地質(zhì)概況

7151綜采工作面位于姚橋煤礦東四下山采區(qū)東翼，工作面走向長1150m。工作面平均傾斜長度172m。該工作面采7＃煤層，煤層賦存平緩，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，基本上為單斜構(gòu)造。煤層平均厚4.98m，煤層傾角9°。采用長壁后退式分層回采，上分層采高2.4m，下分層采高2.4 m。全部冒落法管理頂板。煤層的天然水份為2.5%左右。煤的真、假密度、堅固系數(shù)、有效孔隙率等有關(guān)參數(shù)的實驗測定結(jié)果見表1。

表1 煤層物理特征測定結(jié)果

3.2 煤層注水參數(shù)設(shè)計

注水方法采用長鉆孔、靜壓注水，鉆孔深度設(shè)計140 m。由于設(shè)備的限制及考慮到鉆孔達到一定數(shù)值后，對實驗的結(jié)果影響不大，故鉆孔長度為50m。鉆孔傾角8°～9°，鉆孔的直徑70mm。鉆孔位置在工作面回風(fēng)巷煤層中部，平行于工作面，注水鉆孔間距15～25m；注水壓力1.0～3.0MPa，注水量1.73m3／m，注水速度20L／min，注水累計時間142小時。采用TXU－75型鉆機鉆孔。采用封孔器封孔，封孔深度大于5m。注水孔開始注水超前工作面的最小距離為70m，注水超前回采時間最少為35天。

4 數(shù)值模擬

4.1 計算區(qū)域確定

根據(jù)煤層注水鉆孔布置的特點，取垂直鉆孔單位厚度煤體作為研究對象，但考慮到鉆孔注水濕潤區(qū)域的相互影響，所以采用單鉆孔注水效果模擬和雙鉆孔注水效果模擬。鉆孔的滲透區(qū)域一般包括煤層，頂、底板的巖石部分。根據(jù)煤層的特點，鉆孔注水的計算區(qū)域見圖1。

圖1 數(shù)值模擬計算區(qū)域

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果見圖2、圖3。由模擬結(jié)果可以看出在垂直煤層的層面上，煤體的濕潤范圍呈橢圓形。隨著注水時間的延長，濕潤半徑不斷增加。當(dāng)注水時間達到一定時間后，注水模擬的等壓線、等速度線不再變化。這說明當(dāng)注水時間達到一定值后，煤層注水的濕潤半徑不再增加。采用多孔注水時，孔間距既不能過大，也不能過小，過大孔間不能充分濕潤，過小鉆孔互相影響，影響注水效果。

圖2 注水1小時后的等速度

圖3 注水100小時后的等速度

5 注水實際結(jié)果

現(xiàn)場實驗注水后煤體水份增量測定結(jié)果見表2。煤層注水后，注水孔兩側(cè)沿走向的濕潤范圍基本上相對稱。沿傾斜方向壓力水向下滲透的長度是不一致的，在注水孔附近，向下滲透的距離較長，而隨著距注水孔距離的延長，向下滲透的距離越來越短。在垂直煤層的層面上，煤體的濕潤范圍呈橢圓形。煤層注水后煤體的濕潤范圍是以注水孔為中心軸的錐狀橢圓體。由此可見，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

表2 煤層注水后煤體水份增量測定結(jié)果

6 結(jié)語

結(jié)合前人的研究結(jié)果，考慮煤層為多孔介質(zhì)，利用計算流體力學(xué)軟件Fluent對煤層注水效果進行了模擬，得到如下結(jié)論：

1）根據(jù)現(xiàn)場測定的數(shù)據(jù)，對煤層的某些參數(shù)進行了反算和假設(shè)后，模擬了注水1h和100h后水的運動狀態(tài)，在煤層的層面上，煤體的濕潤范圍呈橢圓形。當(dāng)注水時間達到一定時間后，注水模擬的等速度線不再變化，說明當(dāng)注水時間達到一定值后，煤層注水的濕潤半徑不再增加。

2）在現(xiàn)場注水過程中，可以通過先假設(shè)各種注水參數(shù)，通過模擬得出最佳的注水參數(shù)，采用這種方法對提高煤層注水效果有一定的指導(dǎo)意義。

〔1〕張永吉，等.煤層注水技術(shù)〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

〔2〕張國樞.通風(fēng)安全學(xué)〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

〔3〕秦書玉，等.煤層注水濕潤狀態(tài)的計算機數(shù)值模擬方法〔J〕.煤礦安全，1995.

〔4〕周志芳，王錦國.裂隙介質(zhì)水動力學(xué)〔M〕.北京：中國水利水電出版社，2004.

〔5〕海國治，秦書玉.煤層注水濕潤分布狀態(tài)的數(shù)值模擬〔J〕.煤炭學(xué)報，1997.

〔6〕王青松，金龍哲.煤層注水過程分析和煤體潤濕機理研究〔J〕.安全與環(huán)境學(xué)報，2004.