高位鉆孔瓦斯抽采技術的模擬與實踐?

李 佳 熊曉峰 張 煜 劉 鈺 代雙成（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083）

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高位鉆孔瓦斯抽采技術的模擬與實踐?

李 佳 熊曉峰 張 煜 劉 鈺 代雙成
（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083）

摘要為了研究高位鉆孔抽采效果,以曙光礦1208工作面為背景建立采空區瓦斯運移模型,使用FLUENT數值模擬軟件對抽采前后工作面及采空區瓦斯運移規律進行數值模擬。結果表明:抽采前工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度分別達到1.2%和1.3%;抽采后,上隅角瓦斯濃度為0.68%,工作面瓦斯濃度維持在0.6%左右,鉆孔周圍和工作面附近形成了低瓦斯濃度帶,證明高位鉆孔能有效抽采采空區瓦斯。經現場實踐,實測1208工作面和上隅角瓦斯濃度分別在0.2%和0.4%上下波動,工作面瓦斯濃度得到有效控制。

關鍵詞高位鉆孔 瓦斯抽采 數值模擬 上隅角 瓦斯濃度

隨著礦井開采向深部發展和工作面產量的增加,工作面瓦斯涌出量也隨著增加,只使用傳統風排手段已不能有效治理工作面瓦斯,為了控制工作面尤其是上隅角瓦斯濃度,保證工作面安全生產,需要采取合理的瓦斯抽采措施。

目前,瓦斯抽采理論和方法逐漸完善,針對單一煤層的瓦斯抽采方法主要有采前預抽和隨采隨抽,采前預抽方法主要有煤層順層鉆孔抽采和地面鉆孔抽采,隨采隨抽方法主要有高位鉆孔抽采和走向高抽巷抽采。筆者針對高位鉆孔瓦斯抽采效果使用FLUENT數值模擬軟件進行研究,并在曙光礦1208工作面進行現場實踐。

1　工程背景

曙光礦隸屬于山西省汾西礦業（集團）有限責任公司,礦井采用走向長壁后退式開采,全部垮落法管理頂板,主采2＃、3＃煤層。1208工作面開采2＃煤層,煤層平均厚度3.0 m,結構簡單,大部分穩定可采,工作面長120 m,絕對瓦斯涌出量為5.56 m3/min,煤層透氣性系數0.725538 m2/ （MPa2·d）,煤層鉆孔自然瓦斯流量衰減系數0.38545 d－1,屬于較難抽采煤層。根據相鄰1210工作面在回采期間的瓦斯涌出情況及涌出規律,預計1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右,采空區瓦斯涌出量約占85%。根據要求,絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min或者用通風方法解決瓦斯問題不合理的采煤工作面必須完善瓦斯抽采系統,故在回采過程中需進行瓦斯抽采。

2　采空區瓦斯運移的控制方程

瓦斯在采空區中的流動屬于低速流動,由于其流動速度較低,且不考慮熱交換,故將其視為定常不可壓絕熱流動。將采空區視為多孔介質,采空區內的氣體流動過程遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,這些守恒定律的數學描述就是控制方程,方程組的具體形式如下。

質量守恒方程:

式中:ρ——密度,kg/m3;

t——時間變量,s;

u——速度矢量,m/s; ux、uy、uz——u在x、y、z方向上的分量。

動量守恒方程:

式中:p——壓力,Pa;

Fi——體積力,N。

其中式（1）是質量守恒方程即連續性方程,式（2）是動量守恒方程即N－S方程,由于不考慮采空區氣體的熱交換故而省略能量守恒方程。

3　曙光礦1208工作面的數值模擬

3.1高位抽采鉆孔位置的確定

根據計算垮落帶和裂隙帶的經驗公式,結合1208工作面頂板巖層條件,選用中硬巖層計算公式。

垮落帶:

裂隙帶:

式中:Ht——垮落帶高度,m;

Hd——裂隙帶高度,m;

M——回采厚度,m。

將曙光礦1208工作面煤層厚度3m代入式（3）、（4）,得垮落帶高度為（11.9±2.2）m,取14 m;裂隙帶高度為（35.7±5.6）m,取31 m。

根據計算得出的垮落帶與裂隙帶高度,在1208工作面裂隙帶中布置高位、中位、低位走向抽采鉆孔各3個,終孔高度分別為30 m、24 m、18 m,終孔位置距回風巷頂板水平距離分別為20 m、15 m、10 m。

3.2計算模型的建立

以1208工作面為背景,根據采空區劃分的上三帶和橫三區理論建立的采空區模型尺寸360 m× 120 m×31 m（長×寬×高）,進回風巷道尺寸為20 m×4 m×2.5 m（長×寬×高）,工作面尺寸為120 m×3 m×3 m（長×寬×高）。鉆孔直徑100 mm,為簡化建模過程,鉆孔確定終孔位置后水平布置,終孔位置由前述計算結果得出。模型原點為進風巷底面與工作面底面與進風巷模型邊界面交點,沿進風方向為X軸正方向,沿工作面風流方向為Y軸正方向,沿豎直方向為Z軸正方向,建立坐標系,如圖1所示。

建立的采空區模型在Z軸正方向上為垮落帶高度14 m,裂隙帶高度31 m,在X軸正方向上為自然堆積區20 m、載荷影響區100 m、壓實穩定區240 m。采空區視為多孔介質,由于采空區深部垮落的巖石被逐漸壓實,因而孔隙率由坐標原點向X軸正方向和Z軸正方向逐漸減小,各區域孔隙率見表1。

圖1　采空區計算模型

表1　采空區孔隙率

1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右,采空區瓦斯涌出量約占總涌出量的85%,其中本煤層瓦斯涌出量取5.56 m3/min,1208工作面瓦斯涌出源項為5.4× 10－6kg/（m3·s）。采空區瓦斯涌出量取31.5 m3/min,采空區各部分瓦斯涌出源項見表2。

表2　采空區各部分瓦斯涌出源項kg/（m3·s）

進風巷為速度入口,風速為2 m/s,回風巷為自由流出。鉆孔入口為壓力入口,出口為壓力出口,抽采負壓35 k Pa。

3.3模擬結果分析

將抽采前后工作面及采空區瓦斯濃度分布規律進行對比,分析高位鉆孔抽采前后采空區瓦斯運移規律及抽采效果。在采空區內取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3個截面,通過處理獲得抽采前后3個截面上瓦斯濃度分布,并進行了對比分析。

圖2是抽采前后工作面及采空區瓦斯濃度分布截面圖（Z＝0.5 m）,從圖中可以看出,抽采前后采空區內瓦斯分布均呈現沿走向由工作面向采空區深部瓦斯濃度逐漸增高的規律,這是由于鄰近工作面采空區內垮落的巖石孔隙空間較大,漏風流速較高,其中的瓦斯稀釋和運移程度較高,而采空區深部巖石被壓實,孔隙率、滲透率逐漸減小,工作面漏風風流不能對其產生影響,遺煤釋放的瓦斯得到聚集,使得其內的瓦斯濃度較高;抽采前,采空區內高濃度瓦斯距離工作面較近,高濃度瓦斯在漏風風流的作用下被帶向工作面上隅角附近并涌出,工作面上隅角和回風巷中瓦斯濃度分別達到1.2%和1.3%,導致上隅角和回風巷瓦斯濃度大于《煤礦安全規程》規定的1%的安全生產上限;抽采后,采空區內瓦斯濃度大幅降低,在抽采負壓作用下,工作面附近的高濃度瓦斯被抽出,使得涌入工作面的瓦斯量減少,工作面瓦斯濃度降低。工作面上隅角和回風巷中瓦斯濃度分別為0.62%和0.68%,工作面瓦斯濃度在0.6%左右,均未超限。

圖2　抽采前后工作面及采空區瓦斯濃度分布水平截面圖（Z＝0.5 m）

圖3　沿Z軸工作面及采空區抽采前后瓦斯濃度分布截面圖

圖3是在模型豎直方向上取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3個截面得出抽采前后工作面及采空區瓦斯濃度分布圖。由圖3中可以看出,抽采前,工作面漏風風流僅能影響較小的范圍,在漏風流的作用下,鄰近工作面處采空區內瓦斯被壓向采空區深部,部分瓦斯被漏風流帶入工作面,采空區深部及裂隙帶內瓦斯基本不受工作面漏風風流影響,由于瓦斯的升浮效應使得裂隙帶內的瓦斯濃度最高;抽采后,工作面及采空區內瓦斯濃度降低,在鉆孔抽采負壓的作用下,原本涌入到工作面上隅角的瓦斯被抽出,使得工作面瓦斯濃度降低。鉆孔周圍采空區內的瓦斯被不斷抽走,抽采負壓使采空區深部瓦斯流向鉆孔并被抽出。相比于抽采前,鄰近工作面采空區和鉆孔附近形成了一個低濃度瓦斯帶,說明抽采鉆孔可以有效地抽采采空區瓦斯,減少向工作面的涌出。

在X＝3.5 m、Y＝198 m（采空區內靠近上隅角）處取一條豎直線,將抽采前后直線上瓦斯濃度分布繪制成如圖4所示曲線。

圖4　抽采前后上隅角與采空區交界Y＝198 m處瓦斯濃度分布

由圖4可知,抽采前,采空區內瓦斯濃度隨高度增加而增加,垮落帶內瓦斯受漏風風流和升浮效應影響瓦斯濃度較低,裂隙帶內瓦斯濃度最高,達65.6%;抽采后,采空區內瓦斯濃度大體上隨高度增加而增加,但距底板高度20 m以下時瓦斯濃度較低,只有0.6%左右,這主要是由于鉆孔將采空區上部裂隙帶內的瓦斯抽出,使得采空區中下部瓦斯上浮至裂隙帶內鉆孔周圍;抽采后裂隙帶內瓦斯濃度最高只有23.3%;抽采后采空區靠近工作面處瓦斯濃度大幅降低,采空區底板至鉆孔附近形成了低瓦斯濃度帶,高位鉆孔抽采效果顯著。

4　現場應用

4.1抽采參數

1208材料巷全長1973 m,每60 m布置一個鉆場,共計26個,鉆場長4 m,寬4 m,高度與巷道高度相同。為提高工作面的瓦斯抽采效果,確保工作面的安全生產,頂板高位鉆孔在鉆場內呈扇形布置（即朝工作面切眼方向）,鉆場內施工9個裂隙帶鉆孔,每個鉆場內布置高位裂隙帶鉆孔、中位裂隙帶孔、低位裂隙帶孔各3個,高位裂隙帶、中位裂隙帶、低位裂隙帶鉆孔終孔高度分別為30 m、24 m、18 m,鉆孔深度分別為136 m、134 m、132 m,水平為上隅角向工作面方向覆蓋20 m范圍。鉆場、鉆孔布置形式如圖5所示,鉆孔參數見表3。

圖5　鉆場、鉆孔布置形式

表3　鉆孔參數表

4.2抽采效果分析

為檢驗高位鉆孔抽采效果,從2014年7月31日起在1208工作面進行了為期一個月的監測,將數據整理成如圖6所示的工作面瓦斯濃度曲線。

圖6　工作面各部分瓦斯濃度

由于工作面開采伴隨著周期來壓,而周期來壓必然會導致工作面瓦斯濃度出現波動,因而工作面瓦斯濃度始終處于動態變化中。由圖6可知,監測初期,工作面可能受周期來壓影響,瓦斯濃度較高,且波動幅度較大,期間上隅角瓦斯濃度最高為0.48%,回風瓦斯濃度最高為0.36%,工作面瓦斯濃度最高為0.34%。監測后期工作面瓦斯濃度趨于穩定并在0.2%上下波動。

整個監測周期內,工作面瓦斯濃度均呈現出由進風側向回風側瓦斯濃度逐漸增高的規律,且上隅角瓦斯濃度最高。實測上隅角瓦斯濃度在0.4%上下波動。通過高位鉆孔瓦斯抽采,1208工作面與材料巷瓦斯濃度始終控制在1%以下,上隅角也始終未超限,高位鉆孔抽采瓦斯能有效控制工作面瓦斯濃度。

5　結論

（1）使用經驗公式計算得到1208工作面垮落帶和裂隙帶高度分別為14 m、31 m,確定了高位鉆孔的終孔位置。

（2）通過FLUENT數值模擬軟件對1208工作面抽采前后工作面及采空區瓦斯濃度分布進行模擬,結果表明,抽采后工作面及上隅角瓦斯濃度得到有效控制,采空區瓦斯濃度亦大幅降低,高位鉆孔抽采效果顯著。

（3）在1208工作面布置了抽采鉆場并進行了為期一個月的工作面瓦斯濃度監測,結果表明,工作面瓦斯濃度趨于穩定后在0.2%上下波動,上隅角瓦斯濃度在0.4%上下波動,高位鉆孔能有效治理工作面上隅角瓦斯超限問題。

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（責任編輯張艷華）

Numerical simulation and practice of gas drainage technology using high level borehole

Li Jia,Xiong Xiaofeng,Zhang Yu,Liu Yu,Dai Shuangcheng

（College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

AbstractTo study the gas drainage effect using high level borehole,the model of goaf gas migration based on the 1208 working face of Shuguang Coal Mine was constructed using the FLUENT software and the law of gas migration of working face and goaf before and after gas drainage was numerically simulated.The numerical simulation results show that the gas concentration of return corner and return roadway of working face before gas drainage is 1.2%and 1.3%respectively,and after gas drainage the gas concentration of return corner of working face is 0.68%,and the gas concentration of working face maintains about 0.6%,low gas zone is formed near the working face and around the borehole,which proves the high level borehole can effectively drain the gas of goaf.The numerical simulation results were applied in field practice, and the surveyed gas concentration of 1208 working face and return corner fluctuated at 0.2%and 0.4%respectively,which showed that the gas concentration of working face could be effectively controlled using the gas drainage of high level borehole.

Key wordshigh level borehole,gas drainage,numerical simulation,return corner,gas concentration

中圖分類號TD712.6

文獻標識碼A

基金項目:?中央高校基本科研業務費資助項目（2011YZ05）

作者簡介:李佳（1991－）,男,河南新鄉人,在讀碩士研究生,主要從事放頂煤及礦山壓力與巖層控制方向的研究。