計算機模擬技術預測井筒涌水量的應用研究

劉小滿　趙萬里　錢自衛

(1.平頂山學院軟件學院　平頂山　467000)

(2.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室　平頂山　467000)

(3.中國平煤神馬集團能源化工研究院　平頂山　467000)

(4.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室　徐州　221116)

計算機模擬技術預測井筒涌水量的應用研究

劉小滿1趙萬里2,3錢自衛4

(1.平頂山學院軟件學院平頂山467000)

(2.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室平頂山467000)

(3.中國平煤神馬集團能源化工研究院平頂山467000)

(4.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室徐州221116)

摘要計算機模擬技術作為一種比較先進的技術手段,利用其技術優勢彌補了解析法、類比法等傳統預測法的不足,對井筒涌水量的預測更加符合實際。論文以平煤股份十礦三水平進風井平頂山砂巖含水層段為例,采用計算機數值模擬軟件COMSOL,構建數值計算模型,對井筒的開挖過程進行數值模擬,實現了不同施工工況下,井筒涌水量的預測分析。模擬結果為建井方式的合理設計及井筒安全施工提供了理論依據。

關鍵詞計算機; 數值模擬技術; COMSOL軟件; 井筒涌水量; 含水層

Class NumberTP391.9

1引言

井筒涌水量的準確預測對于礦井井筒的建設至關重要,只有在預知井筒涌水量的情況下,才能合理選擇建井方式,以順利進行礦井建設;反之,選擇了不合理的建井方式造成嚴重經濟浪費、延誤工期,甚至釀成嚴重工程事故。

隨著計算機應用技術的發展,計算機模擬技術成為近年來一種比較先進的技術手段[1～2],其效率高,周期短,工作量簡化,精度較高,能較為真實地描述研究區域的水文地質特征及邊界性質,彌補了解析法、類比法等傳統預測法的不足[3～7],對井筒涌水量的預測更加符合實際,具有極佳的發展潛力與應用前景。本文選用計算機模擬軟件COMSOL[8～9],以平煤股份十礦三水平進風井平頂山砂巖含水層段為例,進行井筒涌水量預測,以便為工程合理設計與安全施工提供理論依據。

2含水層一次全段開挖數值分析

2.1數值計算模型

進風井地層數據依據與其相距61m已建三水平回風井實際揭露資料:進風立井凈徑8.0m,支護厚度0.6m,井筒開挖直徑9.2m,井口標高+223.000m,井底標高-896.572m,井深1119.572m,含水層厚度97.0m,含水層頂面埋深325.6m,底面埋深為422.9m,滲透系數為0.0533m/d。十礦三水平十礦北二進風井平頂山砂巖含水層段揭露井筒涌水量數值計算模型如圖1所示。模型整體為1/4圓柱體,圓柱體半徑為300m,厚度為平頂山砂巖含水層段厚度97m。

圖1　井筒涌水量數值計算模型

2.2邊界條件

假設井筒開挖涌水為中心對稱模式,建立的井筒涌水量計算模型采用1/4單元模塊,由此可減小計算的數據量,并且使計算結果更易呈現。縱向上地層的外邊界施加自然水頭邊界條件,井筒的水頭邊界條件為:402.9-z;地層的1/4縱切面為對稱無通量邊界;井筒內壁面在相對隔水層段為對稱無通量邊界,在含水層段為自由出流邊界(水壓為0)。

2.3計算結果

圖2～圖4為井筒在平頂山砂巖含水層段一次全段開挖工況下,開挖后井筒圍巖的壓力水頭及滲流速度場分布計算結果。

1) 壓力水頭變化

圖2所示為井筒開挖前后圍巖壓力水頭分布云圖。對比分析可知,井筒未開挖含水層壓力水頭隨著地層埋深呈線性增大。井筒開挖后其壓力水頭發生明顯的變化,整體表現為井筒附近壓力水頭出現了顯著降低現象,距離井筒越遠壓力水頭降低的幅度越小。

圖2　井筒開挖前后圍巖水壓分布云圖

圖3為井筒596m井段開挖后平頂山砂巖含水層底面壓力水頭分布云圖及徑向分布曲線圖。分析可知,井筒開挖后,井筒圍巖的壓力水頭呈現由外部圍巖到井筒逐漸減小的特征,減小的速率呈現快-慢-快的過程。在距離井筒300m～50m左右減小的速率相對較緩,距離井筒0m～50m范圍減小的速率逐漸加快,在井壁位置壓力水頭減小到0。

2) 速度場特征

圖4所示為井筒開挖后平頂山砂巖含水層底面滲流速度場分布云圖及徑向分布曲線圖。井筒開挖后,井筒圍巖即產生滲流現象,隨著與井筒中心距離的變小,滲流速度呈現平穩-增大-激增的過程。在距離井筒300m～150m范圍滲流速率相對穩定在一個低值,距離井筒150m～30m范圍滲流速率逐漸加快,特別是在30m～0m段內滲流速率急劇增加。

圖3　井深596m處平面上井筒開挖后圍巖壓力水頭分布圖

圖4　井深596m處平面上井筒開挖后圍巖滲流速度場分布圖

3) 涌水量計算結果

數值計算軟件中涌水量的計算采用積分法,即對井壁在含水層段的通量進行積分,獲得涌水量數據,計算所得進風井平頂山砂巖含水層段一次挖全高的情況下的井筒涌水量為112.59m3/h,此預測計算結果與傳統的解析法相近。

3含水層分段掘砌數值分析

實際的井筒施工過程中,不可能出現深厚的含水層一次開挖完成后再筑壁的情況,而是邊掘進邊支護,工序交叉一般在10 m左右,即井筒連續開挖10 m左右,然后進行澆筑井壁澆筑完成后繼續開挖下一段,如此循環。以進風井在平頂山砂巖含水層段分段掘進為例,研究井筒在含水層中分段掘砌壓力水頭變化特征、滲流速率變化特征及涌水量。

3.1數值計算模型

構建數值計算模型如圖5所示,模型整體為1/4圓柱體,圓柱體半徑為300m,厚度為平頂山砂巖含水層(含水層)段厚度97m,井筒的直徑為8.0m,支護厚度0.6m,井筒開挖直徑9.2m。

圖5　井筒分段掘進數值計算模型

3.2邊界條件

縱向上模型的外邊界施加自然水頭邊界條件,副井的水頭邊界條件分別為:251-z;地層的1/4縱切面為對稱無通量邊界;井筒壁面在相對隔水層段為對稱無通量邊界,在含水層段井壁支護前為自由出流邊界(水壓為0),支護后設定井壁不滲水。

3.3分段開挖控制

井筒開挖設定為分段開挖,分段開挖的井徑為9.2m,分段深度為10m/段,即0m～10m﹑10m～20m﹑20m～30m﹑30m～40m﹑40m～49m。開挖又分為開挖后支護及不支護兩種情況。

3.4計算結果

1) 壓力水頭變化特征

圖6為分段開挖不支護工況的水壓水頭變化云圖。

多層空間的狀態特征矩陣描述為

根據計算結果,如圖6、圖7所示與一次性全段開挖相比,井筒分段開挖過程圍巖的水壓發生明顯變化,主要表現為距離井壁越近水壓降低幅度越大的特征;不同開挖深度條件下,圍巖水壓降低的幅度不同,降低的幅度隨著井筒開挖深度的增加而增大。

圖7　分段開挖不支護工況含水層底面壓力水頭變化曲線

井筒開挖支護后,如圖8、9所示,井筒圍巖的壓力水頭變化特點與不支護工況相近,也表現為距離井壁越近壓力水頭降低幅度越大的特征,但與不支護相比,井壁支護后的壁后壓力水頭有明顯的回升現象;不同開挖深度條件下,圍巖壓力水頭降低的幅度大致一致,含水層底面壓力水頭降低的幅度隨著井筒開挖深度的增加而呈現逐步增大的趨勢。

圖10為支護及不支護兩種工況井筒完成開挖后含水層底面的壓力水頭曲線。分析可知,井筒開挖,圍巖的壓力水頭均出現近似漏斗狀的水力坡降。對比而言,不支護工況下壓力水頭坡降波及的范圍要明顯大于支護工況條件。

2) 涌水量

數值計算軟件中涌水量的計算采用積分法,即通過對井壁在含水層段的通量進行積分獲得涌水量數據。井筒分段開挖涌水量計算結果如圖11所示。

分析結果反映出,在采用分段開挖的情況下,如開挖后不支護,則井筒的涌水量隨著開挖深度的增加而增加,但增加的幅度逐漸放緩;如分段開挖后及時支護,則井筒的涌水量明顯小于不支護工況下的涌水量,且表現有隨著開挖深度的增加,涌水量呈現先增加后降低的變化過程。

圖8分段開挖支護(掘砌)工況的壓力水頭變化云圖

圖9　分段開挖支護(掘砌)工況下含水層底面壓力水頭變化曲線

圖10　最后一段開挖含水層底面的壓力水頭變化曲線

圖11　井筒分段開挖涌水量與開挖深度關聯曲線

4結語

1) 利用計算機數字模擬軟件對平頂山砂巖含水層一次全段開挖進行數值析,結果發現:進風井平頂山砂巖含水層段一次挖全高的情況下的井筒涌水量為112.59m3/h,此預測計算結果與傳統法相近。

2) 實際的井筒施工過程中,采用的是邊掘進邊支護,再次構建模型模擬發現,井筒的涌水量明顯小于不支護工況下的涌水量,且表現有隨著開挖深度的增加,涌水量呈現先增加后降低的變化過程。

3) 采用COMSOL計算機模擬技術,預測建井過程中的井筒涌水量,模擬結果對平煤股份十礦三水平進風井建井方式的合理設計及安全施工提供了理論依據。

參 考 文 獻

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Application of Computer Simulation Technology in Prediction of Wellbore Inflow

LIU Xiaoman1ZHAO Wanli2,3QIAN Ziwei4

(1. College of Software, Pingdingshan University, Pingdingshan467000)

(2. State Key Laboratory of Coking Coal Exploitationand Comprehensive Utilization,China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan467000)

(3. Institute of Energy and Chemical Industry, China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan467000)

(4. National Key Lab of Geomechanics and Underground Enginnering,China University of Mining and Technology, Xuzhou221116)

AbstractAs a more advanced technology, computer simulation technology used its technological advantage to make up for the lack of analytical method, analogy method and other traditional prediction methods, and predict more realistically of water inflow into the wellbore. In this paper, taking Pingdingshan sandstone aquifers section of air shaft into three levels of Pingdingshan shares tenth coal mine as an example, The computer simulation software COMSOL was applied for the shortcomings of the traditional method of the shaft inflow forecasting with constructing of mathematical models to analyze the excavation process of the wellbore, achieving the wellbore inflow forecasting analysis on the different construction conditions. Simulation results that provide a theoretical basis for the reasonable design of mine construction methods and the safe construction of wellbore.

Key Wordscomputer, numerical simulation technology, COMSOL software, wellbore inflow, aquifers

收稿日期:2015年12月8日,修回日期:2016年1月19日

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(編號:2013CB036003)資助。

作者簡介:劉小滿,女,碩士,助教,研究方向:計算機應用、軟件開發。趙萬里,男,碩士,工程師,研究方向:煤礦技術。錢自衛,男,博士研究生,研究方向:煤礦工程地質及災害治理。

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.003