Fluent模擬結(jié)合SF6示蹤法測(cè)定鉆孔有效抽采半徑

張 慧 李傳恒安徽理工大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

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Fluent模擬結(jié)合SF6示蹤法測(cè)定鉆孔有效抽采半徑

張 慧 李傳恒
安徽理工大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

【摘 要】根據(jù)煤層瓦斯流動(dòng)理論，通過(guò)Fluent軟件建立鉆孔抽采瓦斯流動(dòng)模型，模擬出SF6氣體在瓦斯流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況以及鉆孔周圍瓦斯壓力下降的情況。使用SF6氣體示蹤法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，根據(jù)相似理論，把軟件模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合確定鉆孔的抽采有效半徑。并以屯蘭礦做實(shí)證研究，為今后抽采鉆孔及鉆場(chǎng)的設(shè)計(jì)提供了理論和參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】煤層瓦斯；鉆孔抽采；數(shù)值模擬；SF6氣體示蹤法；有效抽采半徑

鉆孔抽采瓦斯是治理瓦斯防止煤與瓦斯突出的最主要技術(shù)手段[1]。鉆孔有效抽采半徑是確定鉆孔布置及鉆場(chǎng)參數(shù)的重要依據(jù)，直接關(guān)系到防突效果與抽采成本。若鉆孔間距過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生抽采盲區(qū)，瓦斯壓力難以下降到安全范圍，對(duì)工作面造成安全隱患；間距過(guò)小，則會(huì)發(fā)生串孔，造成人力、物力的浪費(fèi)。因此，合理的抽采半徑及鉆場(chǎng)參數(shù)對(duì)提高煤礦瓦斯抽采效果、消除工作面突出危險(xiǎn)性具有重要的實(shí)際意義[2-5]。

目前使用的測(cè)定鉆孔抽采有效半徑的主要方法有瓦斯壓力降低法[6]、鉆孔瓦斯流量法[7]、示蹤氣體法以及計(jì)算機(jī)模擬法[8-9]。計(jì)算機(jī)模擬方法雖然簡(jiǎn)單易行，但是由于煤層條件的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性較差。壓降法與流量法對(duì)于透氣性較差的煤層的應(yīng)用效果較差[10-11]。SF6示蹤氣體法具有施工量小、便于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但是此方法目前面臨著只能測(cè)出鉆孔的影響范圍而無(wú)法得出鉆孔抽采有效半徑。因此，采用SF6示蹤氣體法與Fluent數(shù)值模擬相結(jié)合的方法確定鉆孔抽采的有效半徑。

1 鉆孔抽采半徑的界定及指標(biāo)

傳統(tǒng)的SF6示蹤氣體測(cè)定抽采半徑的方法檢測(cè)到抽采鉆孔中出現(xiàn)示蹤氣體時(shí)的時(shí)間僅僅只代表氣體在抽采負(fù)壓的作用運(yùn)動(dòng)到此鉆孔的時(shí)間，并不能檢驗(yàn)出此時(shí)瓦斯瓦力是否降低到有效范圍內(nèi)。因此提出抽采影響半徑和抽采有效半徑[12]。

（1）抽采影響半徑：在一定時(shí)間內(nèi)煤層原始瓦斯壓力受到影響并開始降低的測(cè)試點(diǎn)與抽采鉆孔中心的距離。

（2）有效抽采半徑：在一定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)抽采鉆孔中心周圍的瓦斯壓力下降到安全范圍內(nèi)，瓦斯安全壓力的臨界點(diǎn)與鉆孔中心的距離為抽采有效半徑。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[13]第一百九十條規(guī)定：煤層瓦斯預(yù)抽率大于30%。根據(jù)瓦斯壓力與瓦斯含量之間的關(guān)系，可知煤層瓦斯含量下降30%，瓦斯壓力下降51%。因此，可以將煤層瓦斯壓降值作為有效性指標(biāo)。

2 測(cè)試原理分析

2.1 瓦斯流動(dòng)模型的建立

研究屯蘭礦8#煤在不同時(shí)間下，順層鉆孔周圍煤層瓦斯的運(yùn)移規(guī)律。由于瓦斯在煤體中的運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散滲透過(guò)程，其運(yùn)動(dòng)符合擴(kuò)散滲透定律。提出以下假設(shè)[14]：瓦斯假設(shè)為理想氣體，流動(dòng)過(guò)程按照等溫過(guò)程處理；煤層各向同性，透氣系數(shù)及孔隙率不受煤層中瓦斯壓力變化的影響，但在鉆孔周圍的卸壓范圍內(nèi)增大；煤層頂板視為不透氣巖層；煤層中原始瓦斯含量和瓦斯壓力處處相等；瓦斯在煤層孔隙及裂隙中的流動(dòng)分別符合Fick擴(kuò)散定律和Darcy滲流定律。

數(shù)學(xué)模型：瓦斯在煤體中的運(yùn)動(dòng)是滲流與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的疊加，符合Fick擴(kuò)散定律及Darcy滲流定律[15]。

（1） Darcy層流。

式中：

υ—瓦斯的流速，m/s；

k—煤層滲透率，m2；

μ—?jiǎng)恿φ扯?，Pa·s；

?p

?l—瓦斯的壓力梯度，Pa/m。（2） Fick擴(kuò)散。

瓦斯氣體在孔隙中的運(yùn)動(dòng)符合Fick擴(kuò)散時(shí)，其微分方程為

式中：

D—瓦斯在介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—哈密頓算子；l—瓦斯壓力梯度；?p ?t—瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)時(shí)間的變化率；?p

?r—瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度。

2.2 指標(biāo)的選取及有效半徑的測(cè)定

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行SF6示蹤氣體法進(jìn)行抽采半徑的測(cè)試，測(cè)定在不同的鉆孔間距下各檢測(cè)孔檢測(cè)到SF6氣體的時(shí)間。以測(cè)試地點(diǎn)的煤層地質(zhì)情況為基準(zhǔn)，模擬SF6氣體在煤層瓦斯流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，用計(jì)算機(jī)軟件模擬得出SF6氣體運(yùn)移到各檢測(cè)孔所需的時(shí)間，同時(shí)模擬得出抽采鉆孔的瓦斯壓力下降到有效數(shù)值所需要的時(shí)間。

根據(jù)相似第三定律[7-8]，原型和模型相對(duì)應(yīng)一切物理量之比為常數(shù)，該常數(shù)稱為相似常數(shù)。

由于模型的建立在煤層各向同性，透氣系數(shù)及孔隙率不受煤層中瓦斯壓力變化的影響的基礎(chǔ)上，因此模型與原型具有相似性，根據(jù)以上所得到的數(shù)據(jù)，可以得出對(duì)應(yīng)孔距鉆孔瓦斯壓力下降到安全范圍內(nèi)的實(shí)際時(shí)間。

3 測(cè)定分析

3.1 鉆孔布置

本文以西山煤電屯蘭礦北一盤區(qū)28116工作面為試驗(yàn)地點(diǎn)，由于要求試驗(yàn)區(qū)域20m范圍內(nèi)沒有特殊地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)的影響，所以選擇在28116膠帶巷250m右?guī)瓦M(jìn)行試驗(yàn)。鉆孔示意圖，如圖1。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。斯壓力變化影響的基礎(chǔ)上，煤層的各向異性導(dǎo)致了實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果略有差異，這也符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，因此認(rèn)為實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，所建模型能夠反映出SF6氣體在煤層瓦斯中的流動(dòng)情況。

圖1 鉆孔示意圖

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.5 有效抽采半徑的確定

圖2通過(guò)模擬得到不同抽采天數(shù)下鉆孔周圍瓦斯壓力分布曲線，根據(jù)曲線可以得到對(duì)應(yīng)孔距的鉆孔瓦斯壓力下降至有效范圍所需要的時(shí)間。根據(jù)曲線可以看出在對(duì)應(yīng)孔距的鉆孔在檢測(cè)到SF6氣體時(shí)其瓦斯壓力還未下降到51%以下。在已知鉆孔檢測(cè)到SF6氣體的時(shí)間，模擬檢測(cè)到SF6氣體的時(shí)間以及瓦斯壓力下降至有效范圍內(nèi)所需的時(shí)間，通過(guò)相似定律中，原型與模型對(duì)應(yīng)比為常數(shù)，可以得到實(shí)際抽采達(dá)標(biāo)所需的時(shí)間結(jié)果，見表3。

3.2 測(cè)定過(guò)程

首先按照設(shè)計(jì)要求打好SF6氣體釋放孔以及各檢測(cè)孔，然后立即封孔。由于氣體釋放孔需要內(nèi)接一根3m的軟管用來(lái)導(dǎo)入SF6氣體，所以使用水泥與藥卷進(jìn)行混合封孔，封孔長(zhǎng)度不得超過(guò)軟管的長(zhǎng)度。其余檢測(cè)孔均按照礦正常封孔方式即聚氨酯材料進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為8m。然后將所有檢測(cè)孔與抽放系統(tǒng)連接，在13kPa的負(fù)壓下進(jìn)行瓦斯抽放。將SF6氣體通過(guò)減壓閥與軟管連接之后注氣20min。之后每天使用氣相色譜儀對(duì)檢測(cè)孔采集的氣樣進(jìn)行分析，并記錄下所有檢測(cè)孔開始檢測(cè)到SF6氣體的時(shí)間。

3.3 Fluent模型的建立

以西山煤電屯蘭礦北一盤區(qū)煤層實(shí)際情況為基礎(chǔ)建立模型，以取垂直于鉆孔的單位厚度的截面作為計(jì)算的平面模型，鉆孔位于模型中心，模型邊界為50m×3.2m，模型劃分采用三角形單元。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)知，多孔介質(zhì)的孔隙率為0.1，多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)為1e+10，慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)相比很小，可以近似為0。邊界條件設(shè)置，設(shè)置模型邊界為壓力進(jìn)口（pressure-inlet），抽采管為壓力出口（pressure-outlet）初始值采負(fù)壓為13kPa。解算器選用非穩(wěn)態(tài)，二階迎風(fēng)格式。鉆孔直徑均為113mm，煤層初始瓦斯壓力為1.5MPa。

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔布置模擬出SF6氣體注入煤體之后在瓦斯流場(chǎng)中的運(yùn)移情況，分析得到了每個(gè)抽采鉆孔檢測(cè)出SF6氣體的時(shí)間與各個(gè)鉆孔的瓦斯壓力下降到安全范圍內(nèi)的模擬時(shí)間。

通過(guò)fluent軟件對(duì)SF6氣體在其瓦斯流場(chǎng)中運(yùn)移情況進(jìn)行模擬獲得模擬結(jié)果。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鉆孔檢測(cè)到SF6氣體的時(shí)間與模擬結(jié)果對(duì)比，見表2。

表2 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果分析表

據(jù)表2的結(jié)果可得：2號(hào)和5號(hào)抽采鉆孔模擬時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的時(shí)間完全吻合，3號(hào)與4號(hào)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)間要比理論時(shí)間延遲1天?？紤]到模型是建立在煤層各向同性，透氣系數(shù)及孔隙率均不受煤層瓦

孔號(hào)　2號(hào)　3號(hào)　4號(hào)　5號(hào)孔距（m）　2　 3.5　 5　 6.5檢測(cè)到SF6的實(shí)際時(shí)間時(shí)間（d）　2　 5　 7　 9檢測(cè)到SF6的模擬時(shí)間（d）　2　 4　 6　 9抽采達(dá)標(biāo)的模擬時(shí)間（d）　12　 16　 24　 36抽采達(dá)標(biāo)的實(shí)際時(shí)間（d）　12　 20　 28　 36

在煤層賦存條件一定情況下，鉆孔周圍煤層透氣性的變化與預(yù)抽量之間成正比關(guān)系。據(jù)對(duì)瓦斯流動(dòng)規(guī)律的相關(guān)性分析認(rèn)為：鉆孔抽采瓦斯有效半徑r （m）與抽采時(shí)間t（d）之間符合冪函數(shù)關(guān)系。即：

式中：

A，B—系數(shù)。

根據(jù)表3中孔距2m、3.5m、5m、6.5m分別對(duì)應(yīng)的抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間12d、20d、28d、36d，將上述參數(shù)代入r=AtB，經(jīng)回歸分析得到系數(shù)A、B分別為0.1394，1.0736即：根據(jù)上式可以得屯蘭礦8#煤在113mm抽采鉆孔抽采一個(gè)月時(shí)，抽采半徑為5.3m。

圖2 不同時(shí)間下鉆孔水平方向瓦斯壓力分布曲線表3 鉆孔抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間表

4 結(jié)論

（1）以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，建立SF6氣體在煤層瓦斯?jié)B流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)模型以及鉆孔周圍瓦斯壓力下降模型，通過(guò)SF6氣體示蹤法測(cè)定鉆孔檢測(cè)到SF6氣體所需時(shí)間，根據(jù)原型與模型的相似性，可以得到鉆孔抽采達(dá)標(biāo)的實(shí)際時(shí)間。

（2）以屯蘭礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際參數(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出不同孔距抽采鉆孔實(shí)現(xiàn)有效卸壓的時(shí)間以及鉆孔在不同時(shí)間下的抽采半徑，得到了在孔徑113mm，抽采負(fù)壓為13kPa的情況下，抽采30天的有效抽采半徑為5.3m。為煤礦抽采鉆孔及抽采鉆場(chǎng)的合理布置和參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

（3）fl uent軟件與SF6氣體示蹤法相結(jié)合的方法，利用SF6氣體性質(zhì)穩(wěn)定擴(kuò)散性好的優(yōu)點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)軟件的解算能力，解決了傳統(tǒng)SF6氣體示蹤法只能得出鉆孔影響半徑以及計(jì)算機(jī)模擬方法準(zhǔn)確性較差的缺點(diǎn)。

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