某礦回采工作面瓦斯抽采系統優化研究

薛建紅

(陽煤集團 陽泉三礦通風部,山西 陽泉 045000)

瓦斯已經成為危害礦井安全,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,同時瓦斯抽采也可以保證高瓦斯礦井在低瓦斯的狀態下進行安全開采[1-2]。近年來,煤與瓦斯共同開采已經成為共識,但是在我國,煤層的瓦斯抽采效果總體表現的并不是特別令人滿意,究其原因為瓦斯利用低,抽采的時間比較短,煤層的透氣性能比較差,封孔的質量差等等[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的優化方案,可提高煤層瓦斯抽采效果,且取得了較好的技術應用效果與經濟效益。

1 礦井概況

礦井井田南北走向長約5.51 km,東西走向長約5.06 km,井田面積為27.903 km2,地質儲量3.9億t,可采儲量1.4億t,設計生產能力為3 Mt/a,主要可采煤層為3#和9#煤層,其中3#煤層的相對瓦斯涌出量為15.5 m3/t,9#煤層的相對瓦斯涌出量為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評價研究

2.1 抽采系統的抽采能力評價

1)瓦斯抽采泵的性能標準。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,其流量應大于該瓦斯泵所服務的所有瓦斯鉆孔抽采瓦斯量的總和,其壓力應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壓為55.5 kPa、最大抽采量為135 m3/min,通過對抽采的瓦斯進行成分分析得知,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在技術改進后瓦斯抽采率提高的基礎上進行選擇。

2)瓦斯抽采管網。瓦斯抽放管路的各管段的直徑、長度、材質等決定了瓦斯抽采過程中阻力的大小,如果管網的阻力過大就會影響系統的瓦斯抽放性能[7]。因此,我們在進行設計瓦斯抽放的管網時,要對抽放管網的各段管路的材質、管徑、長度等可能增大管網阻力的因素進行宏觀考慮,綜合衡量、合理調配各段管網的阻力,不能一味通過對閥門調節來控制管段的阻力,從而實現抽采量的平衡[8]。

2.2 工作面鄰近層瓦斯抽采系統抽采能力

前人在不斷理論推導的基礎上反復試驗,并且與具體的實踐經驗相結合,總結出了回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統抽采能力的大小主要與瓦斯抽采系統管網的性能、煤層的透氣性系數、回采工作面的通風方式、瓦斯抽采鉆孔的布置方式及布置方位、煤層內部瓦斯含量的大小等因素有關[9-10]。

結合該礦9#煤層的實際地質條件因素綜合分析,筆者發現抽采管網的布置、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該礦9#煤層瓦斯抽采率的影響最大。

3 瓦斯抽放管網的線路優化

3.1 管網瓦斯流動的數值模擬

鑒于9#煤層回采工作面鄰近層瓦斯抽采管網系統中存在的缺陷,提出了針對性的優化方案,并運用FLUENT數值模擬軟件進行模擬優化。

1)FLUENT數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，運用GAMBIT軟件構建流體流動區域幾何形狀；第二步，運用FLUENT數值模擬軟件求解器對流動區域進行運算,然后對運行的計算結果進行處理。具體的模擬運算流程見圖1。

圖1 FLUENT基本程序結構Fig.1 FLUENT program structure

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

(1)

(2)

(3)

3)9404工作面鄰近層瓦斯流動的CFD方案。9#煤層9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統的瓦斯抽采負壓由地面瓦斯抽放泵站提供,通過與9404回采工作面的實際情況相結合,模擬9404回采工作面的瓦斯流動管網線路建立起數值模擬基礎模型。這個模型可以為其它工作面的瓦斯抽采系統提供一個基準。

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的三維計算模型,把模型的中心作為模型的坐標原點,三維計算模型的結構圖見圖2。

圖2 模型結構圖Fig.2 Model structure

5)確定模型的邊界條件。結合9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統的實際情況,確定CFD模型的邊界條件。入口端B和出口端A進行邊界條件賦值如表1所示。

表1 工作面瓦斯抽采系統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)使用穩態隱式求解器進行數值計算。 把空氣看做不可壓縮的、不與外界進行熱交換的理想化流體,假設瓦斯在抽采管網系統里的流動類型為完全湍流模型,選取湍流k-ε模型,使用穩態隱式求解器進行數值計算,具體的參數如表2所示。

表2 數值計算主要參數設定表Table 2 Major parameters of numerical calculation

3.2 CFD模擬結果分析

由于瓦斯抽放系統的管路內壁粗糙程度不同,導致管網的局部阻力時大時小,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處的壓力應該存在一個逐漸遞減的趨勢。前人的研究已經確定了流體在管路中的流動呈現一種特殊的箭頭狀規律,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

結合圖像的對稱性,對A-A界面進行擬合方程如下:

V=165.5x.

(4)

對積分單元進行劃分后,結合式(4),對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行計算,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測系統的實測數據比對,發現9404回采工作面的瓦斯抽采系統進風巷支管瓦斯流速為15.125 m3/min,模擬計算結果與瓦斯抽放泵站的監測系統實測結果相比誤差僅為0.6 %,在誤差允許范圍內。

4 鄰近層抽采系統抽采能力與抽采鉆孔孔徑的匹配優化

回采工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔孔徑大小的合理性對于瓦斯抽采率的大小起著至關重要的作用。雖然瓦斯抽采鉆孔的鉆孔直徑越大,在打鉆孔時對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域也越大[11],但是,隨著鉆孔的直徑的增大,其施工難度也會相應的加大,對施工的技術要求也越來越高,非常容易造成瓦斯抽放鉆孔的坍塌。所以,必須結合該礦實際的瓦斯含量、瓦斯抽采率等因素,根據該礦地面瓦斯抽放泵站所能提供的最大負壓,通過數值模擬的方法來確定瓦斯抽放鉆孔孔徑的大小[12]。

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

2)模型參數。結合煤礦瓦斯抽采系統的實際條件,對該模擬試驗中的主要的參數選取如表3所示。

表3 模擬參數的確定Table 3 Simulation parameters

3)模擬結果分析。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,當瓦斯抽放鉆孔的負壓一致時,瓦斯抽放鉆孔內的瓦斯流量會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際標準孔徑大小為120 mm,此時根據模擬結果顯示鉆孔內的瓦斯流量為0.021 m3/min,這與9404工作面鄰近層瓦斯抽采鉆孔內的實測瓦斯流量基本接近。此后,隨著鉆孔孔徑的增加,特別是當鉆孔孔徑超過130 mm以后,瓦斯抽放鉆孔內的瓦斯流量的增加趨勢基本平緩。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 結論

1)對9#煤層9404回采工作面鄰近層瓦斯抽采系統的抽采能力進行了綜合評價,揭示了現有瓦斯抽采系統主要在瓦斯抽采管網的布置、瓦斯抽采方式與抽采工藝、瓦斯抽采鉆孔的合理布置等3個方面存在的問題。

2)利FLUENT對瓦斯抽采系統中的瓦斯流動進行了數值模擬研究,在此模型的基礎上對瓦斯抽采系統進行了優化設計。

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