基于CFD數(shù)值模擬的吉寧礦大直徑長鉆孔抽采參數(shù)優(yōu)化

李麗兵,范 楠

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司, 山西 呂梁 033000;2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 博士后科研工作站, 山西 大同 037000;3.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)

瓦斯災(zāi)害是礦井五大災(zāi)害之一,在所有的礦井災(zāi)害當(dāng)中危害程度排名前列。由于它在礦井安全生產(chǎn)中的特殊性和重要性,故從安全生產(chǎn)的角度出發(fā),必須要從源頭上進(jìn)行治理,消除瓦斯帶來的隱患。

瓦斯抽采是防止瓦斯超限,防治煤與瓦斯突出的治本措施,在眾多瓦斯抽采技術(shù)中,頂板大直徑長鉆孔抽采方法具有抽采流量高、濃度高、過程簡單、施工量小等特點(diǎn),近年來在我國多個礦區(qū)得到了應(yīng)用[1-2]. 陽泉煤業(yè)下屬各礦對大直徑鉆孔抽采瓦斯的實(shí)踐表明,對大直徑鉆孔位置進(jìn)行合理布置,抽采瓦斯效果可以比高抽巷更好[3]. 郝世俊等[4-5]通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)了大直徑拐彎鉆孔具有施工簡單且費(fèi)用較少的特點(diǎn)。陳跟馬[6]通過分析大直徑長鉆孔預(yù)抽效果,發(fā)現(xiàn)大孔徑長鉆孔比中短鉆孔抽采瓦斯效果更好。裴昌合等[7]通過對千秋煤礦大直徑水平長鉆孔的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用高位鉆場大直徑水平長鉆孔瓦斯抽采技術(shù),與普通鉆孔相比,具有抽采流量大、鉆孔利用率高、抽采效果穩(wěn)定的特點(diǎn)。

吉寧煤礦2102大采高綜采工作面開采過程中出現(xiàn)瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等問題,為此,采用數(shù)值模擬的方法對2102工作面頂板大直徑長鉆孔布置參數(shù)和瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,以解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴},為大直徑長鉆孔布置提供基礎(chǔ)參考。

1 工作面概況

吉寧煤礦2#煤層絕對瓦斯涌出量為23.97 m3/min,透氣性系數(shù)為0.023 m2/MPa2·d,屬于較難抽放煤層。2102工作面主采2#煤,工作面標(biāo)高289～312 m,走向長932 m,傾斜長195 m,層厚4.7～6.8 m,平均5.75 m. 2#煤層傾角為2°～11°,平均4°,節(jié)理發(fā)育程度適中,普氏硬度1.6左右,均厚0.2 m的泥巖矸石夾雜于煤層中下部。工作面布置情況見圖1.

圖1 2102工作面沿走向布置示意圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得知,煤壁瓦斯是2102工作面瓦斯最主要來源,總體上瓦斯?jié)舛妊卮怪狈较蚝凸ぷ髅婊仫L(fēng)側(cè)逐漸增大,最高濃度88%左右,出現(xiàn)在靠近工作面未受采動影響的上覆巖層區(qū)域;隅角瓦斯?jié)舛葹?.39%,已經(jīng)嚴(yán)重超限,必須采用合理的抽采措施消除安全隱患。

2 大直徑長鉆孔數(shù)值模型

2.1 基本假設(shè)

在建模之前,預(yù)先設(shè)置以下簡化和假設(shè):

1) 只分析進(jìn)、回風(fēng)巷和采空區(qū)漏風(fēng)對采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響。

2) 由于煤層傾角較小,因此忽略其對于瓦斯運(yùn)移和抽采效果的影響。

3) 模擬分析區(qū)域僅包含冒落帶和裂隙帶。

4) 工作面風(fēng)流和采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯-空氣混合氣體視為不可壓縮氣體。

2.2 模型建立

以2102工作面為原型,構(gòu)建采空區(qū)抽采模型圖,選取進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷尺寸:長20 m×寬5 m×高4 m,工作面區(qū)域:長200 m×寬10 m×高6 m. 以煤層底板與上隅角交為原點(diǎn),以工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸負(fù)方向,沿傾向至進(jìn)風(fēng)巷方向?yàn)閅軸正方向,以垂直于煤層向上為Z軸正方向。模型構(gòu)建過程中選擇靠近工作面的部分采空區(qū)作為研究對象。采空區(qū)模型尺寸為長300 m×寬200 m×高80 m.工作面物理模型參數(shù)見表1.

表1 工作面物理模型參數(shù)表

2.3 采空區(qū)模型邊界條件設(shè)置

1) 阻力系數(shù)和孔隙率。

在定義多孔介質(zhì)時,需要定義其黏性和慣性阻力系數(shù)作為fluent模擬的必要參數(shù):

圖15所示為某型飛機(jī)叉耳式機(jī)身—機(jī)翼交點(diǎn)對接裝配示意圖，機(jī)身交點(diǎn)軸線faF的長度l1=800 mm，機(jī)翼交點(diǎn)軸線waF的長度l2=1 000 mm。基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B分別為機(jī)身、機(jī)翼的中心線。機(jī)身、機(jī)翼單獨(dú)制造時，機(jī)身交點(diǎn)軸線faF相對基準(zhǔn)A的同軸度要求faT=0.1 mm，機(jī)翼交點(diǎn)軸線waF相對基準(zhǔn)B的同軸度要求waT=0.2 mm。機(jī)身—機(jī)翼對接裝配時，waF相對faF的同軸度誤為協(xié)調(diào)控制對象。利用交點(diǎn)軸線T-Maps和累積T-Map的幾何關(guān)系進(jìn)行公差累積分析，以獲的空間波動域。

(1)

式中:Si為采空區(qū)多孔介質(zhì)的動量損失源;μ為動力黏度,Pa/s;ρ為流體密度,kg/m3;Dij為黏性阻力損失系數(shù)矩陣;Cij為慣性阻力損失系數(shù)矩陣;vj為流體微元坐標(biāo)方向上的速度分量,m/s.

2) 瓦斯源項(xiàng)設(shè)置。

根據(jù)回采期間工作面瓦斯涌出量為7.7 m3/min,設(shè)置工作面瓦斯源項(xiàng)為定值0.764e-5kg/m3·s.

根據(jù)瓦斯來源分布情況,將采空區(qū)區(qū)域劃分為:采空區(qū)底板到垂高6 m的區(qū)域,主要為采空區(qū)遺煤、煤柱涌出瓦斯和冒落煤巖涌出的瓦斯;垂高6 m到采空區(qū)模型頂部的區(qū)域,主要為臨近層卸壓、采空區(qū)遺煤瓦斯向上運(yùn)移富集和碎裂巖層涌出瓦斯。瓦斯涌出比例設(shè)置為4∶1.

用UDF函數(shù)定義瓦斯涌出源項(xiàng)可表示為:

R2=a·e(bx)·10-6

(2)

式中:x為采空區(qū)走向距離,m;a為常數(shù),取0.528;b為常數(shù),取-0.057 6.

2.4 大直徑高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化模擬方案

根據(jù)采空區(qū)覆巖裂隙分布情況,選取距離煤層垂直高度Z=28～60 m,內(nèi)錯距離10～42 m的正方形區(qū)域研究頂板大直徑高位鉆孔的最佳布置層位和抽采參數(shù)。選取了13組不同的鉆孔布置層位,以抽采流量為5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min、35 m3/min進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),分析鉆孔抽采流量、布置垂高、內(nèi)錯距離對抽采效率和上隅角瓦斯治理效果的影響,以獲得最佳的鉆孔布置層位和抽采參數(shù)。鉆孔布置參數(shù)見表2,鉆孔布置層位示意圖見圖2.

表2 鉆孔布置參數(shù)表

圖2 采空區(qū)大直徑鉆孔層位布置圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 大直徑高位鉆孔抽采效果對比

為更清晰地分析不同抽采流量下鉆孔垂直高度和內(nèi)錯距離對抽采效果的影響,以鉆孔內(nèi)錯距離為橫坐標(biāo),鉆孔垂高為縱坐標(biāo),分別繪制抽采流量為5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min和35 m3/min時的瓦斯抽采濃度以及上隅角瓦斯?jié)舛惹€,見圖3.

圖3 瓦斯抽采濃度和上隅角瓦斯?jié)舛入S抽采流量變化曲線圖

由圖3可知,當(dāng)抽采流量介于20.63～22.05 m3/min時,瓦斯抽采濃度為30%;上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為2.08%和2.67%,隨著抽采混合流量增大,鉆孔抽采獲取的瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛染手笖?shù)降低;同時不同層位鉆孔的瓦斯抽采濃度差距逐漸縮小。

3.2 大直徑高位鉆孔層位和抽采參數(shù)優(yōu)選

針對現(xiàn)場大直徑高位鉆孔抽采濃度高于30%的要求,根據(jù)抽采濃度和上隅角瓦斯?jié)舛葦M合結(jié)果,提取抽采濃度為30%時的瓦斯抽采流量,進(jìn)一步整理獲得抽采瓦斯純量和上隅角瓦斯?jié)舛?并以鉆孔所在層位的內(nèi)錯距離為橫坐標(biāo)、垂直高度為縱坐標(biāo)繪制云圖,見圖4.

由圖4可知,在達(dá)到抽采濃度下限(30%)的情況下,在Z3-3位置(內(nèi)錯距離26 m,垂直高度44 m)處布置鉆孔可以獲得最高的瓦斯純量(6.616 m3/min),同時將上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃谧畹椭?2.102%). 由此得出結(jié)論,在布置單一大直徑高位鉆孔時,最佳布置層位為內(nèi)錯距離26 m、垂直高度44 m,并在抽采流量增加至22.05 m3/min時達(dá)到高濃度瓦斯抽采濃度下限30%.

4 結(jié) 論

1) 隨著抽采混合流量增大,單一鉆孔抽采獲取的瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛染手笖?shù)降低;同時不同層位鉆孔的瓦斯抽采濃度差距逐漸縮小。

2) 鉆孔最佳抽采位置沿“O”型圈裂隙分布規(guī)律逐漸向上隅角方向移動。布置單一大直徑高位鉆孔時,最佳布置層位為內(nèi)錯距離26 m、垂直高度44 m.

3) 最佳層位布置鉆孔可以獲得最高的瓦斯純量,同時將上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃谧畹椭?在抽采流量增加至22.05 m3/min時達(dá)到高濃度瓦斯抽采濃度下限30%.