某礦回采工作面瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化研究

薛建紅

(陽(yáng)煤集團(tuán) 陽(yáng)泉三礦通風(fēng)部,山西 陽(yáng)泉 045000)

瓦斯已經(jīng)成為危害礦井安全,制約煤礦開采的主要因素。降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的主要途徑是瓦斯抽采,同時(shí)瓦斯抽采也可以保證高瓦斯礦井在低瓦斯的狀態(tài)下進(jìn)行安全開采[1-2]。近年來(lái),煤與瓦斯共同開采已經(jīng)成為共識(shí),但是在我國(guó),煤層的瓦斯抽采效果總體表現(xiàn)的并不是特別令人滿意,究其原因?yàn)橥咚估玫?抽采的時(shí)間比較短,煤層的透氣性能比較差,封孔的質(zhì)量差等等[3-4]。這些因素都直接影響瓦斯抽采量和瓦斯抽采率,是亟待解決的問題。基于此類問題,本文提出了煤層瓦斯抽采系統(tǒng)的優(yōu)化方案,可提高煤層瓦斯抽采效果,且取得了較好的技術(shù)應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井概況

礦井井田南北走向長(zhǎng)約5.51 km,東西走向長(zhǎng)約5.06 km,井田面積為27.903 km2,地質(zhì)儲(chǔ)量3.9億t,可采儲(chǔ)量1.4億t,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3 Mt/a,主要可采煤層為3#和9#煤層,其中3#煤層的相對(duì)瓦斯涌出量為15.5 m3/t,9#煤層的相對(duì)瓦斯涌出量為17.1 m3/t。在煤層瓦斯壓力方面,9#煤層的瓦斯壓力為0.76 MPa,壓力較大,而且9#煤層的透氣性系數(shù)較小,屬于較難抽采煤層。

2 回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究

2.1 抽采系統(tǒng)的抽采能力評(píng)價(jià)

1)瓦斯抽采泵的性能標(biāo)準(zhǔn)。礦井瓦斯抽采所選用的抽采泵的性能必須滿足使用的要求,其流量應(yīng)大于該瓦斯泵所服務(wù)的所有瓦斯鉆孔抽采瓦斯量的總和,其壓力應(yīng)大于瓦斯鉆孔的孔口到孔終所需要克服的最大壓差[5-6]。目前,9#煤層地面抽放泵站抽采泵的最大負(fù)壓為55.5 kPa、最大抽采量為135 m3/min,通過對(duì)抽采的瓦斯進(jìn)行成分分析得知,該礦鉆孔抽采的瓦斯純度為12 %,鉆孔抽采的純瓦斯量為2.566 m3/min。由于9404工作面抽采鄰近層瓦斯的抽采率比較低,因此選取瓦斯抽采泵應(yīng)在技術(shù)改進(jìn)后瓦斯抽采率提高的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。

2)瓦斯抽采管網(wǎng)。瓦斯抽放管路的各管段的直徑、長(zhǎng)度、材質(zhì)等決定了瓦斯抽采過程中阻力的大小,如果管網(wǎng)的阻力過大就會(huì)影響系統(tǒng)的瓦斯抽放性能[7]。因此,我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)瓦斯抽放的管網(wǎng)時(shí),要對(duì)抽放管網(wǎng)的各段管路的材質(zhì)、管徑、長(zhǎng)度等可能增大管網(wǎng)阻力的因素進(jìn)行宏觀考慮,綜合衡量、合理調(diào)配各段管網(wǎng)的阻力,不能一味通過對(duì)閥門調(diào)節(jié)來(lái)控制管段的阻力,從而實(shí)現(xiàn)抽采量的平衡[8]。

2.2 工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)抽采能力

前人在不斷理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上反復(fù)試驗(yàn),并且與具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,總結(jié)出了回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)抽采能力的大小主要與瓦斯抽采系統(tǒng)管網(wǎng)的性能、煤層的透氣性系數(shù)、回采工作面的通風(fēng)方式、瓦斯抽采鉆孔的布置方式及布置方位、煤層內(nèi)部瓦斯含量的大小等因素有關(guān)[9-10]。

結(jié)合該礦9#煤層的實(shí)際地質(zhì)條件因素綜合分析,筆者發(fā)現(xiàn)抽采管網(wǎng)的布置、瓦斯抽采方式與工藝、瓦斯抽采鉆孔的合理布置這三方面對(duì)該礦9#煤層瓦斯抽采率的影響最大。

3 瓦斯抽放管網(wǎng)的線路優(yōu)化

3.1 管網(wǎng)瓦斯流動(dòng)的數(shù)值模擬

鑒于9#煤層回采工作面鄰近層瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的缺陷,提出了針對(duì)性的優(yōu)化方案,并運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化。

1)FLUENT數(shù)值模擬軟件的基本操作流程。該流程主要分為兩大步：第一步，運(yùn)用GAMBIT軟件構(gòu)建流體流動(dòng)區(qū)域幾何形狀；第二步，運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬軟件求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行運(yùn)算,然后對(duì)運(yùn)行的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理。具體的模擬運(yùn)算流程見圖1。

圖1 FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)Fig.1 FLUENT program structure

2)流體流動(dòng)的基本方程。CFD模擬是建立在納維葉斯托克斯(Navier-Stokes)方程基礎(chǔ)上的一種模擬研究軟件,其目的是通過運(yùn)算得出流體流動(dòng)控制方程的數(shù)值解法。

(1)

(2)

(3)

3)9404工作面鄰近層瓦斯流動(dòng)的CFD方案。9#煤層9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)的瓦斯抽采負(fù)壓由地面瓦斯抽放泵站提供,通過與9404回采工作面的實(shí)際情況相結(jié)合,模擬9404回采工作面的瓦斯流動(dòng)管網(wǎng)線路建立起數(shù)值模擬基礎(chǔ)模型。這個(gè)模型可以為其它工作面的瓦斯抽采系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)。

4)模型的建立。利用GAMBIT軟件建立9404回采工作面鄰近層瓦斯抽系統(tǒng)的三維計(jì)算模型,把模型的中心作為模型的坐標(biāo)原點(diǎn),三維計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Model structure

5)確定模型的邊界條件。結(jié)合9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)的實(shí)際情況,確定CFD模型的邊界條件。入口端B和出口端A進(jìn)行邊界條件賦值如表1所示。

表1 工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的入口和出口邊界條件賦值Table 1 Entry and exit boundary conditional assignments for gas drainage system

6)使用穩(wěn)態(tài)隱式求解器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 把空氣看做不可壓縮的、不與外界進(jìn)行熱交換的理想化流體,假設(shè)瓦斯在抽采管網(wǎng)系統(tǒng)里的流動(dòng)類型為完全湍流模型,選取湍流k-ε模型,使用穩(wěn)態(tài)隱式求解器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,具體的參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值計(jì)算主要參數(shù)設(shè)定表Table 2 Major parameters of numerical calculation

3.2 CFD模擬結(jié)果分析

由于瓦斯抽放系統(tǒng)的管路內(nèi)壁粗糙程度不同,導(dǎo)致管網(wǎng)的局部阻力時(shí)大時(shí)小,因此在CFD模擬的研究過程中流體從入口A處的壓力到出口B處的壓力應(yīng)該存在一個(gè)逐漸遞減的趨勢(shì)。前人的研究已經(jīng)確定了流體在管路中的流動(dòng)呈現(xiàn)一種特殊的箭頭狀規(guī)律,即管道中間位置的流速大,靠近管道壁的周邊流速小，這與本次CFD模擬的結(jié)果一致。9404工作面瓦斯抽采支管速度見圖3所示。

圖3 9404工作面瓦斯抽采支管速度云圖Fig.3 Speed nephogram of gas drainage on 9404 working face

結(jié)合圖像的對(duì)稱性,對(duì)A-A界面進(jìn)行擬合方程如下:

V=165.5x.

(4)

對(duì)積分單元進(jìn)行劃分后,結(jié)合式(4),對(duì)9#煤層9404回采工作面瓦斯抽采支管瓦斯流量通過積分單元進(jìn)行計(jì)算,瓦斯抽采管路的支管瓦斯流量為:

(5)

通過與瓦斯抽放泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì),發(fā)現(xiàn)9404回采工作面的瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)巷支管瓦斯流速為15.125 m3/min,模擬計(jì)算結(jié)果與瓦斯抽放泵站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果相比誤差僅為0.6 %,在誤差允許范圍內(nèi)。

4 鄰近層抽采系統(tǒng)抽采能力與抽采鉆孔孔徑的匹配優(yōu)化

回采工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔孔徑大小的合理性對(duì)于瓦斯抽采率的大小起著至關(guān)重要的作用。雖然瓦斯抽采鉆孔的鉆孔直徑越大,在打鉆孔時(shí)對(duì)周圍的煤巖體的壓力影響就越大,從而可以使鉆孔周圍的卸壓區(qū)域也越大[11],但是,隨著鉆孔的直徑的增大,其施工難度也會(huì)相應(yīng)的加大,對(duì)施工的技術(shù)要求也越來(lái)越高,非常容易造成瓦斯抽放鉆孔的坍塌。所以,必須結(jié)合該礦實(shí)際的瓦斯含量、瓦斯抽采率等因素,根據(jù)該礦地面瓦斯抽放泵站所能提供的最大負(fù)壓,通過數(shù)值模擬的方法來(lái)確定瓦斯抽放鉆孔孔徑的大小[12]。

1)數(shù)值模擬方案簡(jiǎn)介。該模擬試驗(yàn)主要是以不同鉆孔的孔徑作為研究對(duì)象進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。鉆孔的孔徑分別選取90 mm、100 mm、120 mm和140 mm,鉆孔孔口負(fù)壓值的設(shè)定要與該礦回采工作面鄰近層順層瓦斯抽采鉆孔的負(fù)壓基本接近,故設(shè)定為3 000 Pa。

2)模型參數(shù)。結(jié)合煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)的實(shí)際條件,對(duì)該模擬試驗(yàn)中的主要的參數(shù)選取如表3所示。

表3 模擬參數(shù)的確定Table 3 Simulation parameters

3)模擬結(jié)果分析。圖4為不同孔徑條件下鉆孔瓦斯流量曲線圖。從圖4中可以看出,當(dāng)瓦斯抽放鉆孔的負(fù)壓一致時(shí),瓦斯抽放鉆孔內(nèi)的瓦斯流量會(huì)隨著瓦斯鉆孔直徑的增大而增大。9#煤層9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)孔徑大小為120 mm,此時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果顯示鉆孔內(nèi)的瓦斯流量為0.021 m3/min,這與9404工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔內(nèi)的實(shí)測(cè)瓦斯流量基本接近。此后,隨著鉆孔孔徑的增加,特別是當(dāng)鉆孔孔徑超過130 mm以后,瓦斯抽放鉆孔內(nèi)的瓦斯流量的增加趨勢(shì)基本平緩。所以雖然增加鉆孔的孔徑有助于提高瓦斯的抽采率,但是也不能一味地增加鉆孔的孔徑,鉆孔孔徑大小最合適的范圍為110 mm～130 mm。

圖4 不同孔徑條件下鉆孔瓦斯流量曲線Fig.4 Gas flow curve of boreholes with different diameters

5 結(jié)論

1)對(duì)9#煤層9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統(tǒng)的抽采能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),揭示了現(xiàn)有瓦斯抽采系統(tǒng)主要在瓦斯抽采管網(wǎng)的布置、瓦斯抽采方式與抽采工藝、瓦斯抽采鉆孔的合理布置等3個(gè)方面存在的問題。

2)利FLUENT對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)中的瓦斯流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)結(jié)合該礦的實(shí)際瓦斯抽采狀況以及對(duì)9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔的數(shù)值模擬,確定了最合理的鉆孔孔徑為110 mm～130 mm。