高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的模擬與實(shí)踐?

李 佳 熊曉峰 張 煜 劉 鈺 代雙成（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083）

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高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的模擬與實(shí)踐?

李 佳 熊曉峰 張 煜 劉 鈺 代雙成
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083）

摘要為了研究高位鉆孔抽采效果,以曙光礦1208工作面為背景建立采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型,使用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:抽采前工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到1.2%和1.3%;抽采后,上隅角瓦斯?jié)舛葹?.68%,工作面瓦斯?jié)舛染S持在0.6%左右,鉆孔周圍和工作面附近形成了低瓦斯?jié)舛葞?證明高位鉆孔能有效抽采采空區(qū)瓦斯。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,實(shí)測(cè)1208工作面和上隅角瓦斯?jié)舛确謩e在0.2%和0.4%上下波動(dòng),工作面瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂啤?/p>

關(guān)鍵詞高位鉆孔 瓦斯抽采 數(shù)值模擬 上隅角 瓦斯?jié)舛?/p>

隨著礦井開采向深部發(fā)展和工作面產(chǎn)量的增加,工作面瓦斯涌出量也隨著增加,只使用傳統(tǒng)風(fēng)排手段已不能有效治理工作面瓦斯,為了控制工作面尤其是上隅角瓦斯?jié)舛?保證工作面安全生產(chǎn),需要采取合理的瓦斯抽采措施。

目前,瓦斯抽采理論和方法逐漸完善,針對(duì)單一煤層的瓦斯抽采方法主要有采前預(yù)抽和隨采隨抽,采前預(yù)抽方法主要有煤層順層鉆孔抽采和地面鉆孔抽采,隨采隨抽方法主要有高位鉆孔抽采和走向高抽巷抽采。筆者針對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采效果使用FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究,并在曙光礦1208工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1　工程背景

曙光礦隸屬于山西省汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,礦井采用走向長(zhǎng)壁后退式開采,全部垮落法管理頂板,主采2＃、3＃煤層。1208工作面開采2＃煤層,煤層平均厚度3.0 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,大部分穩(wěn)定可采,工作面長(zhǎng)120 m,絕對(duì)瓦斯涌出量為5.56 m3/min,煤層透氣性系數(shù)0.725538 m2/ （MPa2·d）,煤層鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)0.38545 d－1,屬于較難抽采煤層。根據(jù)相鄰1210工作面在回采期間的瓦斯涌出情況及涌出規(guī)律,預(yù)計(jì)1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右,采空區(qū)瓦斯涌出量約占85%。根據(jù)要求,絕對(duì)瓦斯涌出量大于5 m3/min或者用通風(fēng)方法解決瓦斯問(wèn)題不合理的采煤工作面必須完善瓦斯抽采系統(tǒng),故在回采過(guò)程中需進(jìn)行瓦斯抽采。

2　采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的控制方程

瓦斯在采空區(qū)中的流動(dòng)屬于低速流動(dòng),由于其流動(dòng)速度較低,且不考慮熱交換,故將其視為定常不可壓絕熱流動(dòng)。將采空區(qū)視為多孔介質(zhì),采空區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)過(guò)程遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述就是控制方程,方程組的具體形式如下。

質(zhì)量守恒方程:

式中:ρ——密度,kg/m3;

t——時(shí)間變量,s;

u——速度矢量,m/s; ux、uy、uz——u在x、y、z方向上的分量。

動(dòng)量守恒方程:

式中:p——壓力,Pa;

Fi——體積力,N。

其中式（1）是質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程,式（2）是動(dòng)量守恒方程即N－S方程,由于不考慮采空區(qū)氣體的熱交換故而省略能量守恒方程。

3　曙光礦1208工作面的數(shù)值模擬

3.1高位抽采鉆孔位置的確定

根據(jù)計(jì)算垮落帶和裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)合1208工作面頂板巖層條件,選用中硬巖層計(jì)算公式。

垮落帶:

裂隙帶:

式中:Ht——垮落帶高度,m;

Hd——裂隙帶高度,m;

M——回采厚度,m。

將曙光礦1208工作面煤層厚度3m代入式（3）、（4）,得垮落帶高度為（11.9±2.2）m,取14 m;裂隙帶高度為（35.7±5.6）m,取31 m。

根據(jù)計(jì)算得出的垮落帶與裂隙帶高度,在1208工作面裂隙帶中布置高位、中位、低位走向抽采鉆孔各3個(gè),終孔高度分別為30 m、24 m、18 m,終孔位置距回風(fēng)巷頂板水平距離分別為20 m、15 m、10 m。

3.2計(jì)算模型的建立

以1208工作面為背景,根據(jù)采空區(qū)劃分的上三帶和橫三區(qū)理論建立的采空區(qū)模型尺寸360 m× 120 m×31 m（長(zhǎng)×寬×高）,進(jìn)回風(fēng)巷道尺寸為20 m×4 m×2.5 m（長(zhǎng)×寬×高）,工作面尺寸為120 m×3 m×3 m（長(zhǎng)×寬×高）。鉆孔直徑100 mm,為簡(jiǎn)化建模過(guò)程,鉆孔確定終孔位置后水平布置,終孔位置由前述計(jì)算結(jié)果得出。模型原點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)巷底面與工作面底面與進(jìn)風(fēng)巷模型邊界面交點(diǎn),沿進(jìn)風(fēng)方向?yàn)閄軸正方向,沿工作面風(fēng)流方向?yàn)閅軸正方向,沿豎直方向?yàn)閆軸正方向,建立坐標(biāo)系,如圖1所示。

建立的采空區(qū)模型在Z軸正方向上為垮落帶高度14 m,裂隙帶高度31 m,在X軸正方向上為自然堆積區(qū)20 m、載荷影響區(qū)100 m、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)240 m。采空區(qū)視為多孔介質(zhì),由于采空區(qū)深部垮落的巖石被逐漸壓實(shí),因而孔隙率由坐標(biāo)原點(diǎn)向X軸正方向和Z軸正方向逐漸減小,各區(qū)域孔隙率見表1。

圖1　采空區(qū)計(jì)算模型

表1　采空區(qū)孔隙率

1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右,采空區(qū)瓦斯涌出量約占總涌出量的85%,其中本煤層瓦斯涌出量取5.56 m3/min,1208工作面瓦斯涌出源項(xiàng)為5.4× 10－6kg/（m3·s）。采空區(qū)瓦斯涌出量取31.5 m3/min,采空區(qū)各部分瓦斯涌出源項(xiàng)見表2。

表2　采空區(qū)各部分瓦斯涌出源項(xiàng)kg/（m3·s）

進(jìn)風(fēng)巷為速度入口,風(fēng)速為2 m/s,回風(fēng)巷為自由流出。鉆孔入口為壓力入口,出口為壓力出口,抽采負(fù)壓35 k Pa。

3.3模擬結(jié)果分析

將抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行對(duì)比,分析高位鉆孔抽采前后采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及抽采效果。在采空區(qū)內(nèi)取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3個(gè)截面,通過(guò)處理獲得抽采前后3個(gè)截面上瓦斯?jié)舛确植?并進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖2是抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D（Z＝0.5 m）,從圖中可以看出,抽采前后采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布均呈現(xiàn)沿走向由工作面向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u增高的規(guī)律,這是由于鄰近工作面采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石孔隙空間較大,漏風(fēng)流速較高,其中的瓦斯稀釋和運(yùn)移程度較高,而采空區(qū)深部巖石被壓實(shí),孔隙率、滲透率逐漸減小,工作面漏風(fēng)風(fēng)流不能對(duì)其產(chǎn)生影響,遺煤釋放的瓦斯得到聚集,使得其內(nèi)的瓦斯?jié)舛容^高;抽采前,采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯距離工作面較近,高濃度瓦斯在漏風(fēng)風(fēng)流的作用下被帶向工作面上隅角附近并涌出,工作面上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到1.2%和1.3%,導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛却笥凇睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定的1%的安全生產(chǎn)上限;抽采后,采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛却蠓档?在抽采負(fù)壓作用下,工作面附近的高濃度瓦斯被抽出,使得涌入工作面的瓦斯量減少,工作面瓦斯?jié)舛冉档汀９ぷ髅嫔嫌缃呛突仫L(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确謩e為0.62%和0.68%,工作面瓦斯?jié)舛仍?.6%左右,均未超限。

圖2　抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植妓浇孛鎴D（Z＝0.5 m）

圖3　沿Z軸工作面及采空區(qū)抽采前后瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D

圖3是在模型豎直方向上取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3個(gè)截面得出抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D。由圖3中可以看出,抽采前,工作面漏風(fēng)風(fēng)流僅能影響較小的范圍,在漏風(fēng)流的作用下,鄰近工作面處采空區(qū)內(nèi)瓦斯被壓向采空區(qū)深部,部分瓦斯被漏風(fēng)流帶入工作面,采空區(qū)深部及裂隙帶內(nèi)瓦斯基本不受工作面漏風(fēng)風(fēng)流影響,由于瓦斯的升浮效應(yīng)使得裂隙帶內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸罡?抽采后,工作面及采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档?在鉆孔抽采負(fù)壓的作用下,原本涌入到工作面上隅角的瓦斯被抽出,使得工作面瓦斯?jié)舛冉档?。鉆孔周圍采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被不斷抽走,抽采負(fù)壓使采空區(qū)深部瓦斯流向鉆孔并被抽出。相比于抽采前,鄰近工作面采空區(qū)和鉆孔附近形成了一個(gè)低濃度瓦斯帶,說(shuō)明抽采鉆孔可以有效地抽采采空區(qū)瓦斯,減少向工作面的涌出。

在X＝3.5 m、Y＝198 m（采空區(qū)內(nèi)靠近上隅角）處取一條豎直線,將抽采前后直線上瓦斯?jié)舛确植祭L制成如圖4所示曲線。

圖4　抽采前后上隅角與采空區(qū)交界Y＝198 m處瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖4可知,抽采前,采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S高度增加而增加,垮落帶內(nèi)瓦斯受漏風(fēng)風(fēng)流和升浮效應(yīng)影響瓦斯?jié)舛容^低,裂隙帶內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡?達(dá)65.6%;抽采后,采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛却篌w上隨高度增加而增加,但距底板高度20 m以下時(shí)瓦斯?jié)舛容^低,只有0.6%左右,這主要是由于鉆孔將采空區(qū)上部裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽出,使得采空區(qū)中下部瓦斯上浮至裂隙帶內(nèi)鉆孔周圍;抽采后裂隙帶內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡咧挥?3.3%;抽采后采空區(qū)靠近工作面處瓦斯?jié)舛却蠓档?采空區(qū)底板至鉆孔附近形成了低瓦斯?jié)舛葞?高位鉆孔抽采效果顯著。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1抽采參數(shù)

1208材料巷全長(zhǎng)1973 m,每60 m布置一個(gè)鉆場(chǎng),共計(jì)26個(gè),鉆場(chǎng)長(zhǎng)4 m,寬4 m,高度與巷道高度相同。為提高工作面的瓦斯抽采效果,確保工作面的安全生產(chǎn),頂板高位鉆孔在鉆場(chǎng)內(nèi)呈扇形布置（即朝工作面切眼方向）,鉆場(chǎng)內(nèi)施工9個(gè)裂隙帶鉆孔,每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置高位裂隙帶鉆孔、中位裂隙帶孔、低位裂隙帶孔各3個(gè),高位裂隙帶、中位裂隙帶、低位裂隙帶鉆孔終孔高度分別為30 m、24 m、18 m,鉆孔深度分別為136 m、134 m、132 m,水平為上隅角向工作面方向覆蓋20 m范圍。鉆場(chǎng)、鉆孔布置形式如圖5所示,鉆孔參數(shù)見表3。

圖5　鉆場(chǎng)、鉆孔布置形式

表3　鉆孔參數(shù)表

4.2抽采效果分析

為檢驗(yàn)高位鉆孔抽采效果,從2014年7月31日起在1208工作面進(jìn)行了為期一個(gè)月的監(jiān)測(cè),將數(shù)據(jù)整理成如圖6所示的工作面瓦斯?jié)舛惹€。

圖6　工作面各部分瓦斯?jié)舛?/p>

由于工作面開采伴隨著周期來(lái)壓,而周期來(lái)壓必然會(huì)導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)波動(dòng),因而工作面瓦斯?jié)舛仁冀K處于動(dòng)態(tài)變化中。由圖6可知,監(jiān)測(cè)初期,工作面可能受周期來(lái)壓影響,瓦斯?jié)舛容^高,且波動(dòng)幅度較大,期間上隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?.48%,回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸罡邽?.36%,工作面瓦斯?jié)舛茸罡邽?.34%。監(jiān)測(cè)后期工作面瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定并在0.2%上下波動(dòng)。

整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi),工作面瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)出由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u增高的規(guī)律,且上隅角瓦斯?jié)舛茸罡摺?shí)測(cè)上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%上下波動(dòng)。通過(guò)高位鉆孔瓦斯抽采,1208工作面與材料巷瓦斯?jié)舛仁冀K控制在1%以下,上隅角也始終未超限,高位鉆孔抽采瓦斯能有效控制工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

5　結(jié)論

（1）使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到1208工作面垮落帶和裂隙帶高度分別為14 m、31 m,確定了高位鉆孔的終孔位置。

（2）通過(guò)FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)1208工作面抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行模擬,結(jié)果表明,抽采后工作面及上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂?采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫啻蠓档?高位鉆孔抽采效果顯著。

（3）在1208工作面布置了抽采鉆場(chǎng)并進(jìn)行了為期一個(gè)月的工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè),結(jié)果表明,工作面瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定后在0.2%上下波動(dòng),上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%上下波動(dòng),高位鉆孔能有效治理工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題。

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（責(zé)任編輯張艷華）

Numerical simulation and practice of gas drainage technology using high level borehole

Li Jia,Xiong Xiaofeng,Zhang Yu,Liu Yu,Dai Shuangcheng

（College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

AbstractTo study the gas drainage effect using high level borehole,the model of goaf gas migration based on the 1208 working face of Shuguang Coal Mine was constructed using the FLUENT software and the law of gas migration of working face and goaf before and after gas drainage was numerically simulated.The numerical simulation results show that the gas concentration of return corner and return roadway of working face before gas drainage is 1.2%and 1.3%respectively,and after gas drainage the gas concentration of return corner of working face is 0.68%,and the gas concentration of working face maintains about 0.6%,low gas zone is formed near the working face and around the borehole,which proves the high level borehole can effectively drain the gas of goaf.The numerical simulation results were applied in field practice, and the surveyed gas concentration of 1208 working face and return corner fluctuated at 0.2%and 0.4%respectively,which showed that the gas concentration of working face could be effectively controlled using the gas drainage of high level borehole.

Key wordshigh level borehole,gas drainage,numerical simulation,return corner,gas concentration

中圖分類號(hào)TD712.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目:?中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2011YZ05）

作者簡(jiǎn)介:李佳（1991－）,男,河南新鄉(xiāng)人,在讀碩士研究生,主要從事放頂煤及礦山壓力與巖層控制方向的研究。