采煤工作面長鉆孔瓦斯抽采效果數(shù)值模擬

伍諾坦，羅文柯,2，張 慧，齊 超

(1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

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采煤工作面長鉆孔瓦斯抽采效果數(shù)值模擬

伍諾坦1，羅文柯1,2，張 慧1，齊 超1

(1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

根據(jù)現(xiàn)場對(duì)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)順層長鉆孔在異徑條件下瓦斯?jié)舛?、抽放半徑和流量等參?shù)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并在白山坪煤礦1265采煤工作面的溜子道進(jìn)行抽放半徑的效果檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。最終結(jié)果表明，為保證采煤工作面安全生產(chǎn)，鉆孔直徑應(yīng)當(dāng)75～100 mm較好。

白山坪煤礦；瓦斯抽采；順層長鉆孔；鉆孔直徑；數(shù)值模擬計(jì)算

我國礦井抽采瓦斯的方法有很多種，其中順層長鉆孔抽采瓦斯是大多數(shù)礦井采用的方法。采用合適的順層長鉆孔成孔工藝，確定合理的鉆孔直徑來預(yù)抽工作面的瓦斯，對(duì)于防止煤與瓦斯突出有著重要的意義。長鉆孔抽采瓦斯的方法在我國研究比較廣泛[1-2]，但是通過數(shù)值模擬的方法和實(shí)際相結(jié)合的研究還比較少。我國南方一些小煤礦在瓦斯抽采上鉆孔工程量少，認(rèn)識(shí)還不夠全面，缺乏合適的技術(shù)方案，抽采方法落后，很多小煤礦缺乏對(duì)瓦斯抽采工藝方法的應(yīng)用研究，使得抽采效果不理想，很難滿足安全生產(chǎn)的需要。本文根據(jù)湖南省白山坪煤礦采煤工作面抽采瓦斯的實(shí)際情況，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法來確定合適的順層長鉆孔的鉆孔直徑，分析了在這種鉆孔直徑下抽采瓦斯的效果。

1 順層長鉆孔數(shù)值計(jì)算

1.1 假設(shè)條件

(1)煤層各向同性，透氣性系數(shù)以及孔隙率不會(huì)因?yàn)槊簩又型咚箟毫Φ拇笮《煌?，但是在鉆孔附近的卸壓范圍內(nèi)，煤層透氣性系數(shù)和孔隙率會(huì)增加；

(2)煤層中的瓦斯可以視為理想氣體，瓦斯?jié)B流進(jìn)程按等溫來處置[3]；

(3)煤層中的瓦斯在極短的時(shí)間內(nèi)釋放；

(4)將煤層頂?shù)装瀹?dāng)作不透氣的巖層來處理。

1.2 確定模擬方案

按照實(shí)驗(yàn)要求，煤層給定多孔介質(zhì)滲流邊界條件，選用k-ε模型，瓦斯在煤層中流動(dòng)用多孔介質(zhì)模型，確定如下兩種模擬方案分別進(jìn)行模擬[2，4]：

(1)逐一對(duì)1、5、10、20、50、100 d的抽采時(shí)間進(jìn)行模擬計(jì)算，得出其抽采半徑及抽采量；

(2)逐一對(duì)65、85、105 mm鉆孔直徑進(jìn)行模擬計(jì)算，得出其抽采半徑及抽采量。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為了方便探索煤層瓦斯抽采效果的影響因子，根據(jù)工作面定向預(yù)先抽采瓦斯鉆孔的原型，本文采取四邊形的單元模型，取垂直鉆孔的單位厚度的截面來計(jì)算，劃分10 028個(gè)節(jié)點(diǎn)和19 572個(gè)單元，如圖1所示。

3 不同孔徑下數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鉆孔瓦斯壓力與有效抽放半徑計(jì)算

(1)鉆孔瓦斯壓力計(jì)算

當(dāng)鉆孔直徑為65 mm，測得1265工作面6煤實(shí)際測得的瓦斯壓力為0.66 MPa，抽采負(fù)壓60 kPa；周圍基礎(chǔ)參數(shù)按照1、5、10、20、50、100 d的抽采時(shí)間分別對(duì)煤層的瓦斯壓力在不同抽采時(shí)間條件下進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著鉆孔抽采瓦斯時(shí)間的增加，煤層中瓦斯的壓力也逐步變小，鉆孔卸壓范圍慢慢增大，抽放100 d與抽放10 d時(shí)間比較，卸壓范圍增大明顯。

(2)鉆孔有效抽放半徑計(jì)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求，煤層瓦斯抽采率應(yīng)該在30%以上。所以，我們將有效性指標(biāo)抽采率設(shè)定為大于30%，則可以得到在煤層瓦斯壓力降低30%時(shí)等壓線位置與鉆孔中心位置的距離定位抽采半徑[5]。不同抽采時(shí)間條件下抽采半徑也不一樣，隨著抽采天數(shù)的增加，抽采影響區(qū)域也在逐漸擴(kuò)大[6]，當(dāng)抽采天數(shù)有10 d增加到200 d時(shí)，瓦斯抽采半徑由0.8 m增加到1.35 m，但是抽采流量卻呈現(xiàn)出反向變化，并且到一定的程度趨向平穩(wěn)。

3.2 不同鉆孔直徑的瓦斯預(yù)抽效果計(jì)算

如圖3～圖5所示，在抽采情況相同，三種不同的鉆孔直徑(φ65 mm、φ85mm、φ105 mm)抽采下的煤層瓦斯壓力對(duì)比分析圖。根據(jù)以上的圖可知，在抽采時(shí)間一樣，鉆孔直徑是影響抽采半徑的重要因素，抽采半徑隨著鉆孔直徑的增大而增大。在抽采時(shí)間進(jìn)行到100 d時(shí)，鉆孔直徑從65 mm增加到105 mm，抽采半徑也從1.25 m增加到了1.58 m。圖6表示的是三種不同鉆孔直徑抽采瓦斯的條件下，鉆孔瓦斯流量隨著時(shí)間的變化曲線。從三組流量衰減曲線可以得出，抽采時(shí)間相同，瓦斯流量隨著直徑的增加而增大，但其增加的幅度遠(yuǎn)小于直徑增加的幅度，結(jié)合白山坪煤礦采煤工作面的實(shí)際情況，鉆孔直徑取75～100 mm比較合適。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在對(duì)白山坪礦井1265采煤工作面煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLIUD流體計(jì)算軟件計(jì)算不同鉆孔孔徑下的瓦斯有效抽放半徑是不同的，若采用65 mm鉆孔，有效抽放半徑為1.25 m，則鉆孔孔徑宜取2.5 m；采用85 mm鉆孔孔徑施工順層長鉆孔時(shí)，其有效抽放半徑為1.49 m，故其鉆孔間距宜取3.0 m；若采用105 mm鉆孔直徑施工煤巷順層長鉆孔時(shí)，有效抽放半徑為1.58 m，則鉆孔間距宜取3.2 m。在1265工作面負(fù)壓法的有效抽放半徑的實(shí)測中，其數(shù)據(jù)基本與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果吻合。

對(duì)于突出礦井或煤層，在以往的瓦斯治理實(shí)踐中，出現(xiàn)施工大孔徑時(shí)誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生，參照65、85和105 mm三種不同直徑鉆孔抽采下，鉆孔瓦斯流量隨抽采時(shí)間的衰減曲線可知，煤巷和鉆場順層長鉆孔直徑取75～100 mm較合適。

4 結(jié)論

1)抽采時(shí)間的不斷增加使得抽采影響區(qū)域逐漸增大，但抽采流量隨著時(shí)間呈負(fù)指數(shù)規(guī)律逐漸減小。

2)在其它的前提必然情況下，鉆孔直徑對(duì)抽采結(jié)果影響較大，鉆孔直徑的增大，抽采半徑及鉆孔瓦斯流量隨之增大，但增大的幅度遠(yuǎn)比直徑增大的幅度要小。

3)瓦斯有效抽放半徑隨鉆孔直徑增大而增大。

[1]陳波仁.鉆孔直徑影響瓦斯抽采效果的數(shù)值模擬[J].煤，2014(2): 13-15.

[2]李維光，劉虎華，李 超.薄煤層采煤工作面頂板穿層鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014(3)：30-34.

[3]曹慶奎，商娜欣.基于GA-LSSVR算法的回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，31(3)：90-94.

[4]石紹波.大淑村礦綜放工作面瓦斯抽放參數(shù)與防突技術(shù)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2014.

[5]劉少博，薛闕章，婁富超.新義礦采煤工作面區(qū)域瓦斯抽采效果研究[J].煤，2014(1)：44-46.

[6]李 超，李維光，劉虎華，等.薄煤層采煤工作面瓦斯抽采效果實(shí)測研究[J].煤炭技術(shù)，2014(4)：41-43.

(責(zé)任編輯王利君)

Numerical simulation of long borehole gas extraction results on mining face

WU Nuotan1，LUO Wenke1,2, ZHANG Hui1,QI Chao1

(1. Energy and Safety Engineering College，Hu’nan University of Science and Technology, Hu’nan Xiangtan 411201,China；2.Hu’nan Provincial Key Laboratory of Coal Mine Safety Mining，Hu’nan University of Science and Technology，Hu’nan Xiangtan 411201,China)

According to the determination of basic parameters of gas in coal bed, bedding in the laboratory on drilling under the condition of reducing gas concentration, flow and drainage radius parameter change rule has carried on the numerical simulation, and the way of the valve in Bai shan ping coal mine 1265 coal mining face verifies the effect of the drainage radius. It is found that the numerical simulation results are in good agreement with the measured results. The final result shows that the mining face in order to ensure the safety in production, the hole diameter should be better with 75-100 mm.

Bai shan ping coal mine; gas drainage; bedding long borehole; the hole diameter; numerical simulation

2015-11-23

湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(S140002)

伍諾坦(1989-)，男，湖南祁陽人，碩士，主要從事礦山安全方面的研究。

1673-9469(2016)02-0094-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.021

TD712

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