長溝峪煤礦煤層注水參數(shù)設(shè)計及數(shù)值模擬研究

闞 興,馬植勝,王新華

(1.北京京煤集團(tuán),北京 102300;2.北京昊華能源股份有限公司,北京 102300)

長溝峪煤礦煤層注水參數(shù)設(shè)計及數(shù)值模擬研究

闞 興1,馬植勝2,王新華2

(1.北京京煤集團(tuán),北京 102300;2.北京昊華能源股份有限公司,北京 102300)

為了降低工作面煤塵,煤層注水為有效方法,根據(jù)長溝峪煤礦 -140m水平 4槽 1工作面的地質(zhì)特征,確定了煤層注水方式與注水參數(shù)以降低煤塵。建立了煤層長孔注水的滲流動態(tài)數(shù)學(xué)模型,利用多物理場耦合分析軟件 COMSOL,對不同工況下注水侵潤半徑進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明該煤層注水方案的可行性和有效性。

煤層注水;降塵;參數(shù)設(shè)計;數(shù)值模擬

在煤礦生產(chǎn)過程中,煤塵嚴(yán)重地威脅著生產(chǎn)安全和礦工的身心健康。主要表現(xiàn)在 2個方面：一是對人體健康的危害,即工人長期吸入礦塵,輕者患呼吸道炎癥,重者患塵肺病;二是引起燃燒和爆炸事故[1]。

煤層注水技術(shù)是礦井最重要的降塵措施之一,本文基于長溝峪礦 -140m水平北一石門兩翼 4槽工作面具體情況,設(shè)計了該煤層長孔注水參數(shù),并對參數(shù)的合理性通過數(shù)值模擬予以驗(yàn)證,對長溝峪煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要的意義。

1 工作面概況及注水參數(shù)確定

1.1 工作面概況

注水試驗(yàn)工作面位于 -140m水平北一石門兩翼 4槽,煤層埋深 890m,走向長度 500m,壁式面長 90m。煤巖層走向在 10～50°,平均 30°,傾向南東,傾角 33～38°,平均 35°。

1.2 煤層注水參數(shù)設(shè)計[2]

1.2.1 鉆孔

根據(jù)現(xiàn)場情況,注水方式采用單向注水,即從上巷向下巷注水,鉆孔具體參數(shù)設(shè)計如下：

(1)鉆孔長度 L：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 L= (1/2～2/3)Lg,取鉆孔最大長度 60m,Lg為工作面長度;

(2)鉆孔間距 B：鉆孔間距 B取 20m;

(3)鉆孔角度與煤層傾角一致。

1.2.2 注水參數(shù)

(1)單孔注水量Q：

式中,K為系數(shù),取 1.1;h為煤層厚度,取平均厚度 h=2.2 m;γ為煤的密度,取 1.4 t/m3;q為噸煤注水量,取 0.02m3/t。

(2)單孔注水流量：根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),取單孔注水流量 V=0.05m3/h。

(3)注水壓力：根據(jù)一些煤田的統(tǒng)計數(shù)據(jù)整理出一個開采深度與注水壓力的經(jīng)驗(yàn)公式,即

式中,P為煤層注水的最小壓力,MPa;H為煤層埋藏深度,取 890m。

(4)單孔注水時間 T：

式中,T為注水時間,h;Q為鉆孔注水量,m3;V為注水速度,m3/h。

長孔注水參數(shù)方案見表 1所示。

表1 注水參數(shù)

2 煤層注水濕潤狀態(tài)數(shù)學(xué)模型

煤是一種極為發(fā)育的裂隙、孔隙的雙重介質(zhì)。向煤層壓力注水時,水在孔隙中既有壓力層水流滲透運(yùn)動,又有毛細(xì)運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動,三種運(yùn)動起主導(dǎo)作用的是壓力水滲流運(yùn)動。

其注水煤層的侵潤過程是由干燥到進(jìn)水濕潤的過程,是典型的非飽和 -飽和的滲流過程。無論是飽和域,還是非飽和域,水的流動均要滿足質(zhì)量和能量守恒原理,其滲流過程符合達(dá)西定律。

為便于描述注水過程和處理邊界條件,將飽和域與非飽和域統(tǒng)籌考慮,建立統(tǒng)一的非飽和 -飽和流動的連續(xù)方程[3]。

煤層注水的滲流分析是基于固液耦合基本理論,對滲流與應(yīng)力的耦合作用規(guī)律進(jìn)行研究,它包含兩層含義：一方面研究在注水壓力作用下,注水煤層中的滲流運(yùn)動規(guī)律;另一方面研究在孔隙壓力作用下,注水煤體的變形問題。

2.1 應(yīng)力場方程

由應(yīng)力平衡方程、幾何方程、本構(gòu)關(guān)系與有效應(yīng)力原理 4個公式聯(lián)立,可以得到用位移和應(yīng)力表示的應(yīng)力平衡微分方程：

式中,v為泊松比;G為剪切模量;ui,ij為位移;Pi為孔隙壓力。

2.2 滲流場方程

沿鉆孔取單位長度段作研究對象,可將其近似為二維對稱性問題,則非飽和 -飽和二維非穩(wěn)定流的連續(xù)方程為[4]：

對于煤體注水,除鉆孔附近外,大部分滲流區(qū)域是非飽和狀態(tài),呈非彈性貯水,且煤體由非飽和到飽和濕潤,其貯水的彈性與非彈性的轉(zhuǎn)化過程是連續(xù)的。

3 煤層注水?dāng)?shù)值模擬

建立一個煤層厚 2m,頂?shù)装宥紴?3m,長為20m的模型,分別在 3種注水壓力 (10MPa,13MPa,15MPa)條件下,對煤層注水滲透濕潤范圍進(jìn)行了模擬研究 (參數(shù)見表 2、表 3),從而得到注水壓力、注水時間與濕潤范圍的關(guān)系。區(qū)域剖分由計算機(jī)自動完成,用圖形顯示剖分及數(shù)值計算結(jié)果,見圖 1～圖 5。

表2 流場模擬參數(shù)

表3 變形場模擬參數(shù)

圖1 10MPa,20h注水濕潤范圍

圖2 13MPa,20h注水濕潤范圍

圖3 15MPa,20h注水濕潤范圍

圖4為 3種工況下注水濕潤半徑隨注水時間的變化曲線,最大濕潤半徑達(dá)到 8.2m,需要指出的是這里的濕潤半徑指煤體完全飽和的范圍半徑,從注水濕潤范圍的云圖中可以看到,水流的實(shí)際流動范圍已近 9.5m。

圖4 不同注水壓力下濕潤半徑隨時間變化曲線

圖5 相同注水時間注水壓力對濕潤半徑影響曲線

圖5為注水壓力對煤體濕潤半徑的影響,從中可以看出,在注水壓力小于 13MPa的情況下,煤層濕潤半徑隨著注水壓力的增加而增大比較明顯,當(dāng)注水壓力大于 13MPa情況下,如果注水時間較短,注水壓力對煤體濕潤半徑的影響程度降低,但隨著注水時間的增加,其影響程度逐漸顯著。

總體分析,數(shù)值模擬結(jié)果與注水參數(shù)設(shè)計結(jié)果比較接近,從而驗(yàn)證了對長溝峪煤礦長孔注水方案的可行性。

4 結(jié)論

(1)多物理場耦合軟件 COMSOL能夠有效地對煤層注水進(jìn)行數(shù)值模擬。

(2)通過數(shù)值模擬結(jié)果,驗(yàn)證長溝峪礦試驗(yàn)工作面的煤層注水設(shè)計參數(shù)切實(shí)可行。

(3)注水壓力對煤層注水效果影響顯著,但需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整注水壓力。

[1]中國煤炭工業(yè)勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會 .礦井粉塵防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2]張 磊,梁 冰 .煤層注水中的水滲流規(guī)律及參數(shù)確定 [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 (自然版),2009(S).

[3]秦書玉,李宗翔,海國治 .煤層注水濕潤狀態(tài)的計算機(jī)數(shù)值模擬方法 [J].煤礦安全,1995(1)：14-19.

[4]張永吉,李占德,等 .煤層注水技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2001.

ParametersDesign and Numerical Simulation of Water-injection in Coal of Changgouyu Colliery

KAN Xing1,MA Zhi-sheng2,WANG Xin-hua2
(1.Beijing Jingmei Group,Beijing,102300,China;2.Beijing Haohua Energy Co.,Ltd,Beijing,102300,China)

Water injection into coal is a goodmethod for reducing dust inmining face.Based on geological characteristic of 4-1Mining Face at-140m level in Changyugou Colliery,this paper researched water injection manner and parameters.It built up a seepage dynamic model ofwater injection in long holes by applyingmulti-physics coupling simulation sof tware-COMSOL and numerically simulated infiltration radius of injectingwater under differentworking conditions.Results showed that this design of water injection was feasible and effective.

water injection into coal;dust abatement;parameter design;numerical s imulation

TD714.4

A

1006-6225(2010)01-0089-03

2009-10-13

闞 興 (1965-),男,遼寧盤錦人,高級工程師,現(xiàn)任京煤集團(tuán)總經(jīng)理。

李宏艷]

巷道工程