基于飽和—非飽和滲流的煤層注水數(shù)值模擬及應用

吳 兵 于振江 王紫薇 江澤泳

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083)

基于飽和—非飽和滲流的煤層注水數(shù)值模擬及應用

吳 兵 于振江 王紫薇 江澤泳

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083)

針對當前同忻煤礦井下粉塵濃度偏大、工作條件惡劣以至嚴重影響該礦安全生產(chǎn)的問題,根據(jù)非飽和土滲流理論,提出采用comsol有限元數(shù)值模擬軟件進行煤層注水方案優(yōu)化,最后進行現(xiàn)場應用及效果測定。通過數(shù)值模擬得出同忻礦8103工作面的煤層濕潤半徑約為15 m,在保持4°傾角條件下,其濕潤范圍最大。采用了新的注水方案后,工作面的粉塵濃度明顯降低,其中采煤機中部和前滾筒下風側(cè)10 m處的降塵率分別達到了19.55%、30.62%。

不飽和土 非飽和流動 煤層注水 濕潤半徑

煤層注水就是通過鉆孔將壓力水注入到尚未開采的煤層中,增加煤的水分,使煤體預先得到濕潤,減少煤塵的生成和飛揚,是采煤工作面最有效的防塵措施,能夠大幅度減少采煤工作面產(chǎn)塵量。除此之外,煤層注水后對于煤體的軟化、煤發(fā)火周期的延長、減少沖擊地壓的危害等也都能起到一定的積極作用。

1 煤層的非飽和流動

煤層屬于典型的不飽和土,所以煤層注水屬于典型的飽和—非飽和滲流。

確定煤層的滲透系數(shù)主要考慮煤體孔隙比和孔隙連通性兩方面。當水充滿煤層的全部裂隙,此時煤層的孔隙比和連通性幾乎不再發(fā)生變化,導水率相對較大,此時可以認為滲透系數(shù)是一個常數(shù)。區(qū)別于飽和狀態(tài),當煤層處于非飽和狀態(tài)時,水充滿部分孔隙,但是煤層孔隙比變化很小,對滲透系數(shù)的影響一般可以忽略不計。孔隙的連通性——飽和度變化是影響滲透系數(shù)的主要因素,因而常常將滲透系數(shù)表達為飽和度或體積含水率的函數(shù)。

對非飽和滲流來說,因為煤層的含水率θ與孔隙率n存在正比例關(guān)系,θ＝nSw,Sw為飽和度,0≤Sw≤1;達西速度換成非飽和滲流場中達西速度,可得到飽和—非飽和滲流的數(shù)學方程:

式中:ρ——水的密度,kg/m3;

vx——x方向上水的達西速度,m/s;

vy——y方向上水的達西速度,m/s;

n——煤層孔隙率;

Sw——飽和度;

S——等效飽和度;

t——時間,s。

經(jīng)典達西定理對于非飽和土滲流不再適用,其根本原因就是非飽和土中存在吸力,所以其滲流特性區(qū)別于飽和土滲流。煤層的總吸力主要受基質(zhì)吸力和滲透吸力的共同影響,外界的注水壓力或者其他因素的改變會直接導致基質(zhì)吸力的變化,兩種吸力中有一種產(chǎn)生變化都會導致煤體失衡。煤體的基質(zhì)吸力指空隙氣壓力和空隙水壓力的差值,它反映了以煤層的結(jié)構(gòu)、顆粒成分、孔隙大小和分布形態(tài)為特征的煤層基質(zhì)對其中水分的吸持作用,是研究非飽和土工程性質(zhì)的一項重要參數(shù)。

2 煤層注水數(shù)值模擬

同忻礦8103工作面全長為200 m,采用綜采放頂煤一次采全高,全部垮落法管理頂板。由于煤層的平均含水率為1.7%左右,遠低于國家4%的要求,且井下粉塵濃度很大,尤其在工作面附近已經(jīng)達到800 mg/m3,嚴重超標,所以必須采用煤層注水防塵技術(shù)降塵。如果在8103工作面采用單側(cè)鉆孔,那么鉆孔的設計深度很大,打孔難度相當大且角度不容易確定,所以采用雙向鉆孔注水設計,分別從5103回風巷距工作面開切眼10 m及2103運輸巷道距切眼15 m的位置開孔,5103回風巷道鉆孔深度100 m,2103運輸巷道鉆孔深度80 m,鉆孔傾角均為5°,鉆孔開孔高度距巷道底板1.4 m,鉆孔間距10 m,如圖1所示。當前單孔注水量經(jīng)常達到600 m3左右,注水量相當大,但是粉塵治理效果較差,所以必須對當前該礦煤層注水方案進行優(yōu)化設計。為了更好地判定煤層中水的飽和程度,對同忻礦進行了煤層注水臨近孔(同一煤層中遠離試驗注水孔的孔)測試,發(fā)現(xiàn)當含水量達到8%的時候,可以認為達到了飽和狀態(tài)。本文使用非飽和滲流有限元模擬進行鉆孔布置優(yōu)化。

圖1 8103工作面煤層注水鉆孔設計圖

2.1 不同注水壓力條件下的濕潤半徑的分布

她被救援隊救了出來，在醫(yī)院的時候邵南有來看她。也許是內(nèi)疚他幫她支付了所有的費用，請了高護給她。這之后她一直沒有再給邵南打電話，她把他的號碼和微信從手機里拉黑。她知道，她盛大的愛情已經(jīng)落幕了。

通過等效飽和度確定濕潤半徑,當飽和度到達0.33左右的時候可以認為是濕潤半徑的臨界點。利于comsol數(shù)值模擬軟件分別模擬1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa不同注水壓力條件下煤體濕潤程度。在煤層空氣和瓦斯壓力一定的情況下,煤體的基質(zhì)吸力隨著注水壓力的增大而減小。由于基質(zhì)吸力的絕對值較大,滲透系數(shù)也就越大,毛細效果也就越明顯,所以煤層更容易吸收更多的水分,煤層的飽和度也就逐漸增大,煤體的濕潤半徑也逐漸增大。為了更好地分析不同注水壓力時煤層注水的濕潤半徑,將等效飽和度分布云圖做成相應的線形圖,如圖2所示,可以明顯發(fā)現(xiàn)煤層的等效飽和度從注水孔附近逐漸減低,不同壓力下其降低速率也明顯不同。當壓力為5 MPa時,其降低速率最低,煤層濕潤范圍也就越大,濕潤半徑也相比于其他壓力下明顯增大。

當圖2中縱坐標為0.33時,分別找到與不同曲線相交的交點所對應的橫坐標,提取各點對應數(shù)值,計算出不同注水壓力條件下煤層注水的濕潤半徑,如圖3所示。由圖3可以看出,當注水壓力為1 MPa時,在距離注水孔6 m的地方其飽和度達到了0.33左右;注水壓力為2 MPa時,在距離10 m的地方可以認為含水率增大了1%,飽和度達到了0.33;注水壓力3 MPa時,濕潤半徑約為15 m;注水壓力4 MPa時,濕潤半徑約為18 m;注水壓力5 MPa時,濕潤半徑約為20 m。因此,煤層注水的濕潤半徑隨著壓力的增大而增大,其增大的速率卻是先增大然后在減少,當注水壓力為3 MPa的時候,其變化速率最大。所以認為該礦的理論煤層注水壓力的范圍約為3 MPa。

圖2 不同壓力條件下的等效飽和度分布

圖3 不同注水壓力條件下的濕潤半徑

2.2 不同傾角對于煤體濕潤范圍的影響

為了保證注水孔始終保持在煤層內(nèi),并且為了現(xiàn)場很好的測定角度,發(fā)現(xiàn)當傾角為＋6°的時候,鉆孔不能保證全部在煤層內(nèi),所以煤層注水傾角要小于＋6°。分別對0°、＋1°、＋2°、＋3°、＋4°、＋5°不同傾角的煤層注水進行數(shù)值模擬。通過模擬表明,不同的鉆孔傾角下的濕潤范圍明顯不同,傾角越大其受到重力和毛細作用的影響也就越大,其飽和度分布也就更加復雜。

不同的傾角的布置對于煤體水的飽和度產(chǎn)生重要的影響,因此合理的選擇傾角對于該礦來說即有利于優(yōu)化生產(chǎn)又能節(jié)省資金。通過comsol后期處理分別得到飽和度大于0.33的區(qū)域,然后采用PHOTOSHOP處理得到不同條件下濕潤區(qū)域的像素,再把后期圖片的像素數(shù)值換算成濕潤范圍的實際面積。通過測量,發(fā)現(xiàn)不同傾角的濕潤范圍如圖4所示。

由圖4可以看出,煤體的濕潤范圍隨著鉆孔傾角的增大先增大再減小。隨著鉆孔傾角的增大,從注水孔出來的壓力水在重力和毛細作用的雙重影響下,濕潤范圍逐漸增大,但是在＋5°的時候由于注水孔頂端很接近煤層頂部,受浸潤的空間有限,毛細作用不能很好的擴散,所以此時導致其濕潤范圍小于＋4°時的濕潤范圍。所以8103工作面的鉆孔傾角設置為＋4°時,達到濕潤要求的范圍最大。

圖4 不同傾角下煤體的濕潤面積

3 現(xiàn)場試驗及效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬和相關(guān)的現(xiàn)場試驗,對同忻礦8103工作面的煤層注水方案重新進行設計。設計工作面的鉆孔間距為25 m,鉆孔傾角為4°,采用先靜壓后動壓的注水方案。當靜壓注水流量逐漸減少時直至注不進去,然后采用動壓注水,注入煤體的水在壓力的作用下迅速充滿煤層內(nèi)部大的孔隙、裂隙,形成相互關(guān)聯(lián)的煤層注水滲流網(wǎng),在水壓力和毛細滲透壓力的共同作用下,水進一步滲透到煤體微細孔隙中。

從圖5可以看出,注水后工作面的粉塵濃度明顯降低,其中采煤機中部和前滾筒下風側(cè)10 m處的降塵率分別達到了19.55%、30.62%。進一步證明了當前煤層注水方案的科學性。

圖5 改進注水工藝前后粉塵濃度對比

4 結(jié)論

(1)煤層是典型的非飽和土,通常情況下,較大量的空氣和瓦斯在煤體中形成連續(xù)的氣相,這時孔隙氣壓和孔隙水壓出現(xiàn)顯著的差別,從而使經(jīng)典飽和土力學的原理和概念不再適用。所以飽和－非飽和滲流模型取代了達西定理并適用于煤層注水。

(2)煤體的基質(zhì)吸力是空隙氣壓力和空隙水壓力的差值,所以注水壓力對于煤層注水的濕潤半徑有著很大的影響,并且隨著注水壓力的增大而逐漸增大,但是其變化速率卻是先增大再減小。

(3)通過本次數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場試驗前后的對比發(fā)現(xiàn),改進之后注水效果明顯改善,工作面粉塵濃度顯著降低,說明數(shù)值模擬具有一定的科學性。考慮到現(xiàn)場試驗的復雜性和巨額的實驗費用,利用有限元數(shù)值模擬的方法可以快速有效地為現(xiàn)場方案的優(yōu)化設計提供一定的指導基礎。

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(責任編輯 張艷華)

The numerical simulation of coal seam water injection based on saturated-unsaturated seepage and applications

Wu Bing,Yu Zhenjiang,Wang Ziwei,Jiang Zeyong
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

For larger concentration of dust in the current Tongxin Coal Mine and the poor working conditions,which seriously affects mine production safety issues,based on unsaturated flow theory,this article uses comsol finite element simulation software to optimize seam water injection program,and make the final determination of field application and effect.The results shows:the moist radius of 8103 working face in Tongxin Coal Mine is about 15 m,and in keeping＋4°inclination conditions,the moist range max.After the introduction of a new water injection program,the dust concentration was significantly lower.The rate at which the dust before the shearer drum central and leeward side of the 10 m position reaches 19.55%、30.62%respectively.

the unsaturated soil,the unsaturated seepage,coal seam water injection,moist radius

TD714.41

A

吳兵(1967－),男,山西陽泉人,教授,博士,主要從事礦井通風、火災防治、粉塵防治等方面的研究。