深部煤層瓦斯抽采的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

張迎新，李世超， 朱育民， 肖 剛

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)校，黑龍江 雙鴨山155100；3.鶴崗益新煤礦，黑龍江 鶴崗 154106）

0 引言

目前我國(guó)煤礦每年排放的瓦斯氣體超過(guò)1.8×1010m3。研究發(fā)現(xiàn)瓦斯氣體是非常嚴(yán)重的溫室性氣體[1]，其對(duì)大氣臭氧層的破壞能力遠(yuǎn)高于二氧化碳，瓦斯事故在煤炭事故中占據(jù)很高的比例[2]，隨著煤礦的開(kāi)采深度逐年加深，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力隨之增加，由于瓦斯是一種清潔能源氣體，因而瓦斯抽采重要性尤為突顯。

鉆孔抽采瓦斯是一個(gè)技術(shù)性非常強(qiáng)的專業(yè)工程問(wèn)題，在抽采過(guò)程中，不同的抽采方法，不同的鉆孔抽放參數(shù)：鉆孔方位、鉆孔半徑、鉆孔抽放負(fù)壓等，不同的條件參數(shù)，對(duì)鉆孔抽采瓦斯的效率均有重要的影響。因此，研究鉆孔抽采過(guò)程中瓦斯在不同條件下的運(yùn)移規(guī)律是十分必要的，需要得出相關(guān)的運(yùn)移規(guī)律，為鉆孔抽采瓦斯的參數(shù)確定提供依據(jù)和指導(dǎo)，以提高抽采效果[3-4]。

筆者以黑龍江龍煤集團(tuán)鶴崗分公司益新礦作為研究對(duì)象，利用CFD軟件對(duì)煤層工作面順層鉆孔布置形式下的瓦斯抽采活動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)改變模擬條件得出相應(yīng)的模擬結(jié)果，分析相關(guān)的抽放影響因素規(guī)律和影響狀況，擬對(duì)該礦研究瓦斯抽采起到實(shí)際的指導(dǎo)作用，并為其他相似煤礦的瓦斯抽采提供參考。

1 抽采數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

瓦斯抽采過(guò)程復(fù)雜，為方便建立鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)方程，提出五點(diǎn)假設(shè)[5-9]。

（1）瓦斯在煤層中流動(dòng)符合達(dá)西定律(Darcy law)。

（2）煤層內(nèi)部三個(gè)方向各個(gè)參數(shù)（透氣性系數(shù)、孔隙率等）基本不受抽采時(shí)瓦斯壓力變化的影響，但在鉆孔周圍的有效范圍內(nèi)增大。

（3）吸附態(tài)的瓦斯在煤層中解吸為游離態(tài)，屬于瞬態(tài)，并且符合朗格繆爾方程(Langmuir equation)。

（4）深部開(kāi)采時(shí)，煤層頂?shù)装鍓毫^大，透氣性差，視為零透氣性系數(shù)。

（5）瓦斯?jié)B流過(guò)程中不涉及化學(xué)變化，也不考慮溫度變化問(wèn)題，抽采視為等溫條件下進(jìn)行。

1.2 瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)瓦斯在自然狀態(tài)及抽采狀態(tài)下的運(yùn)移規(guī)律，建立瓦斯流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。鉆孔周圍，瓦斯徑向流動(dòng)見(jiàn)圖1。

圖1 煤體鉆孔瓦斯流動(dòng)模型Fig.1 Drilling of coal gas flow model

含瓦斯煤體的滲流場(chǎng)控制方程，包括氣體狀態(tài)方程，煤體瓦斯含量方程，連續(xù)方程以及滲流場(chǎng)方程等，這些方程共同構(gòu)建起瓦斯流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，雖然含瓦斯煤是孔隙與裂隙的雙重介質(zhì)，但是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)男∧Ｐ腕w（六面體單元）并不會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，并以此建立控制方程[8]。

（1）氣體狀態(tài)方程

式中：β——瓦斯氣體壓縮系數(shù)；

R——理想氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；

T——絕對(duì)溫度，K；

Mg——瓦斯氣體分子量，kg/mol。

（2）煤體瓦斯含量方程

式中：p0——大氣壓力，kPa；

ρs——煤體密度，kg/m3；

a、b——吸附常數(shù)。

（3）連續(xù)性方程

式中：qx、qy、qz——瓦斯在三維空間坐標(biāo)軸上的分量；

ρg——瓦斯密度，kg/m3。

（4）瓦斯?jié)B流方程

式中：I——單元體積質(zhì)量源，kg/(m3·s)；

t——時(shí)間，s。

2 鉆孔抽采多孔數(shù)值模擬與分析

2.1 多孔數(shù)值模型

在煤礦鉆孔瓦斯抽放過(guò)程中，鉆孔的布置往往是分組的，為了探討抽采鉆孔間的相互影響關(guān)系，進(jìn)行關(guān)于多孔布置的研究，包括不同孔間距、不同抽采時(shí)間等對(duì)抽采效果的影響。

以鶴崗煤田益新礦三水平25號(hào)煤層的順層瓦斯抽放鉆孔為原型，建立三維數(shù)值模型，煤層厚度8 m，工作面長(zhǎng)110 m，孔深100 m，對(duì)模型布置三個(gè)等間距的抽采鉆孔，鉆孔直徑100 mm，鉆孔間距5 m（模擬中根據(jù)需要可自行改變間距），對(duì)鉆孔模型采取先面后體劃分網(wǎng)格，鉆孔周圍采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域劃分，對(duì)鉆孔周圍的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，封孔10 m。模型中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)148 976個(gè)，19 344個(gè)壓力出口面，49 420個(gè)壓力進(jìn)口面，1 522 015個(gè)內(nèi)部混合面，整個(gè)模型網(wǎng)格數(shù)為780 260，細(xì)化光滑的網(wǎng)格訪問(wèn)面7 622個(gè)，光滑數(shù)48個(gè)，節(jié)點(diǎn)無(wú)移動(dòng)，建成模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical model for grid

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 抽采50 d內(nèi)鉆孔距6 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，6 m鉆孔距下，在50 d內(nèi)分別取10、30、50 d作為觀察對(duì)象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖3的所示。

圖3 6 m孔間距壓力Fig.3 Pressure figure of 6 m hole spacing

2.2.2 抽采60 d內(nèi)鉆孔距7 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，7 m鉆孔距下，在60 d內(nèi)分別取10、40、60 d作為觀察對(duì)象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖4所示。

圖4 7 m孔間距壓力Fig.4 Pressure figure of 7 m hole spacing

2.2.3 抽采90 d內(nèi)鉆孔距8 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，8 m鉆孔距下，在90 d內(nèi)分別取10、50、90 d作為觀察對(duì)象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖5所示。

圖5 8 m孔間距壓力Fig.5 Pressure figure of 8 m hole spacing

在多孔抽采鉆孔布置中，圖3為50 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距6 m的參數(shù)下的壓力云圖，圖4為60 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距7 m的參數(shù)下的壓力云圖，圖5為在90 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距8 m的參數(shù)下的壓力云圖，從一系列云圖中，觀察得出：

（1）從抽采模擬10 d的不同鉆孔距云圖對(duì)比中，可以看出抽采半徑影響遠(yuǎn)未達(dá)到鉆孔間距長(zhǎng)度大小的卸壓范圍，各個(gè)抽采孔間無(wú)相互影響，但整個(gè)煤體的壓力降略有不同。

（2）從抽采模擬第二階段，鉆孔距 6 m（30 d）、7 m（40 d）、8 m（50 d）的壓力云圖對(duì)比分析中，可以得到這個(gè)階段，在y軸方向上，抽采半徑的影響范圍有明顯擴(kuò)大，抽采孔之間的壓力區(qū)已經(jīng)開(kāi)始互相影響。但是在z軸方向上，由圖3～5中a和b的煤層頂?shù)装屣@示的顏色對(duì)應(yīng)的壓力數(shù)值基本不變，因而認(rèn)為抽采半徑的影響還沒(méi)有波及煤層頂?shù)装?；鉆孔距越大，兩抽采孔之間達(dá)到互相影響的時(shí)間也就越長(zhǎng)，因此理論上是孔間距越小，抽采效果越好，抽采需要時(shí)間也越短，但也需綜合考慮到抽采煤層的厚度，以及抽采孔的經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題。

（3）從抽采模擬的第三階段，鉆孔距6 m（50 d）、7 m（60 d）、8 m（90 d）的壓力云圖中對(duì)比分析中，可以得到這個(gè)階段在z軸方向上，抽采鉆孔的卸壓影響半徑已經(jīng)完全影響到8 m厚煤層的頂?shù)装辶?；在抽采時(shí)間上可以明顯看出，6 m鉆孔距需要大概50 d，7 m鉆孔距需要大概60 d，可見(jiàn)這兩組數(shù)據(jù)之間差別不大，在選擇上都可以考慮，而8 m鉆孔距需要90 d左右，與前兩組數(shù)據(jù)相比，8 m的鉆孔距想要達(dá)到同樣的抽采效果需要的抽采時(shí)間明顯更長(zhǎng)，多出一個(gè)月的時(shí)間；因此，考慮到抽采效果、抽采時(shí)長(zhǎng)等因素的影響上，就需要根據(jù)煤礦的實(shí)際情況來(lái)確定合理的鉆孔距。本次研究的采用三維立體模擬相對(duì)于以往采用的二維模擬更真實(shí)更直觀。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 工程背景

礦井計(jì)劃抽采瓦斯5.2×106m3，實(shí)際瓦斯抽采量只達(dá)到3.35×106m3，只完成了計(jì)劃任務(wù)的65%，在原有抽采孔基礎(chǔ)上，施工瓦斯抽采鉆孔1 305個(gè)，長(zhǎng)達(dá)9.2×104m3，但是抽采量上沒(méi)有達(dá)到計(jì)劃任務(wù)值，年初計(jì)劃的礦井瓦斯抽采率只達(dá)到32%，采煤工作面瓦斯抽采率僅達(dá)到35%，且瓦斯抽采濃度也達(dá)不到計(jì)劃要求。

根據(jù)模擬情況，選取3N2石門(mén)22層右三段溜子道施工順層瓦斯抽采鉆孔和回風(fēng)道施工高位鉆場(chǎng)布置走向高位鉆孔。該區(qū)煤層厚度8 m，走向長(zhǎng)206 m，傾斜長(zhǎng)120 m，煤層硬度中硬。煤層層理發(fā)育，煤層節(jié)理發(fā)育，容重1.4 t/m3，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量4.3 m3/min，頂板為中砂巖，底板為細(xì)砂巖，見(jiàn)圖6。

抽采管路布置：3N2石門(mén)22層右三段回風(fēng)道→-130大巷→三水平北二石門(mén)軌道上山→北翼石門(mén)聯(lián)絡(luò)巷→北翼石門(mén)皮帶巷→集團(tuán)孔→中部地面抽采泵→地面。

圖6 抽采面管路布置Fig.6 Design figure of extraction line

干管徑選用φ450 mm管 2 950 m，φ250 mm PE管820 m。選用2BEA-353型號(hào)抽采泵，采用比其他抽采面增高的負(fù)壓值-30 kPa，取鉆孔直徑0.086 m，對(duì)該工作面進(jìn)行為期100 d抽采實(shí)驗(yàn)。

3.2 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)區(qū)煤層內(nèi)，布置多個(gè)測(cè)壓孔，并對(duì)布置順層抽采鉆孔的實(shí)驗(yàn)區(qū)煤層內(nèi)部定期進(jìn)行壓力測(cè)定，通過(guò)數(shù)據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)；抽采系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，鉆孔周圍的瓦斯壓力有明顯的降低，在抽采孔的周圍存在著近似圓環(huán)形的等壓力圈；根據(jù)礦井瓦斯抽采時(shí)鉆孔周圍壓力規(guī)律，抽采期間在距抽采孔一定區(qū)域內(nèi)，存在著壓力峰區(qū)，也就是一個(gè)顯著的壓力升高區(qū)；抽采時(shí)間對(duì)煤層內(nèi)瓦斯壓力下降的快慢有決定性影響；在抽采70 d左右的時(shí)候，抽采孔的卸壓區(qū)已經(jīng)波及到抽采煤層的頂板位置，根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，整合抽采10、35、60、80、95 d內(nèi)的綜合參數(shù)，計(jì)算擬合出這幾個(gè)時(shí)間的內(nèi)抽采鉆孔瓦斯壓力如圖7所示。

圖7 不同時(shí)間抽采鉆孔瓦斯壓力Fig.7 Different extraction time drilling gas pressure

在對(duì)22層右三段工作面進(jìn)行為期100 d的抽采實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)記錄了鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度等數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 工作面抽采鉆孔濃度及流量Fig.8 Extraction drill hole concentration and flow

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，采用比益新礦其他抽采工作面高的鉆孔抽采負(fù)壓值-30 kPa進(jìn)行抽采，取鉆孔直徑0.086 m，驗(yàn)證了部分模擬規(guī)律，而與其現(xiàn)有實(shí)際順層抽采布置工作面參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析：發(fā)現(xiàn)在原有抽采負(fù)壓-25 kPa的基礎(chǔ)上，提高抽采壓力能有效地降低煤層瓦斯抽采時(shí)間，增大鉆孔的抽采有效半徑；而抽采孔直徑由原有的0.072 m改良到0.086 m，并沒(méi)有對(duì)煤層瓦斯壓力的整體趨勢(shì)變化起到太大影響，但鉆孔瓦斯流量在一定程度上有所增加。

改進(jìn)后工作面瓦斯?jié)舛?，上隅角瓦斯?jié)舛缺戎岸加胁煌潭鹊南陆?，回風(fēng)流中的瓦斯含量有明顯的降低，抽采率由原來(lái)的32%提高到56%，抽采濃度也有提高，效果明顯。

4 結(jié)論

將數(shù)值模擬的分析結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，取得了良好效果，證明研究具有實(shí)際意義，得出：

（1）通過(guò)多孔數(shù)值模型的建立，利用模擬軟件及后處理，研究了煤層瓦斯在多個(gè)抽采孔的抽采條件下，鉆孔抽采時(shí)間、抽采鉆孔間距與瓦斯抽采的效率的關(guān)系，鉆孔越密集，抽采定量瓦斯需要的時(shí)間越短，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了7 m孔間距下、100 d內(nèi)，瓦斯抽采效果與模擬的結(jié)果接近。

（2）在數(shù)值模擬部分，以龍煤益新煤礦實(shí)體工作面建立三維模型，并將模擬結(jié)果用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，采用7 m的鉆孔間距，-30 kPa的抽采負(fù)壓值，鉆孔直徑0.086 m，型號(hào)為2BEA-353的抽采泵在22#號(hào)煤層右三段采區(qū)，近百天的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，抽采率提高了20%，抽采濃度也有小幅度提高。

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