馬蘭礦02#層預(yù)抽鉆孔抽采負(fù)壓優(yōu)化的數(shù)值模擬

關(guān)鍵詞：預(yù)抽鉆孔;礦井;抽放負(fù)壓;抽采量;管道

隨著礦井開采強(qiáng)度的增大和開采深度的增加，瓦斯事故日益增多，特別對(duì)于高瓦斯礦井，當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛瘸^(guò)0.8%時(shí)，工作面瓦斯傳感器將會(huì)報(bào)警，若瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增加，則有可能發(fā)生瓦斯爆炸等嚴(yán)重安全事故。所以瓦斯治理工作一直是礦井安全生產(chǎn)的重中之重，而預(yù)抽瓦斯抽采效果尤為關(guān)鍵[1]。抽采負(fù)壓是影響瓦斯抽采效果的重要參數(shù)，合理配置預(yù)抽抽采鉆孔的抽采負(fù)壓，是獲得高體積分?jǐn)?shù)、高流量瓦斯的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。本文以馬蘭礦10608工作面為例，對(duì)預(yù)抽鉆孔抽采負(fù)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而確定合理的抽采負(fù)壓，為類似工作面瓦斯抽采選擇合理的抽采負(fù)壓有一定的指導(dǎo)作用。

1 工作面概況

馬蘭礦是國(guó)家“七五”期間建設(shè)的國(guó)有重點(diǎn)礦井2014年10月經(jīng)鑒定為突出礦井。10608回采工作面位于南六采區(qū)，工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)1720m，采長(zhǎng)216/96m，平均采高2.11m，工業(yè)儲(chǔ)量79.87萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量71.11萬(wàn)t。絕對(duì)瓦斯涌出量為17.40m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量2.66m3/t，工作面的瓦斯涌出主要由本層瓦斯涌出和臨近層瓦斯涌出兩部分組成，其中本層瓦斯涌出量6.30m3/min，下鄰近層瓦斯涌出量11.10m3/min，可以看出，臨近層瓦斯涌出為工作面主要瓦斯涌出來(lái)源。

2 數(shù)值模擬及結(jié)論分析

2.1 數(shù)值模擬軟件

FLUENT數(shù)值模擬軟件屬于計(jì)算流體中比較常用的一種CFD軟件，該軟件有著強(qiáng)大的模擬功能，能夠用來(lái)模擬不可壓縮和可壓縮等復(fù)雜流體的運(yùn)動(dòng)，由于在計(jì)算過(guò)程中采用了多種求解方法和網(wǎng)格劃分等加速了收斂，增加了模擬的效果和精度[3]。

2.2 鉆孔瓦斯?jié)B流模型的建立

2.1.1 基本假設(shè)

模擬方案中需要假設(shè)的條件包括：①各向同性，工作面瓦斯壓力與透氣性系數(shù)、孔隙率等無(wú)關(guān)，但在鉆孔周圍內(nèi)的卸壓范圍內(nèi)增大;②可將瓦斯按理想氣體，瓦斯?jié)B流過(guò)程視為等溫過(guò)程處理;③瓦斯解吸在瞬間完成;④可以將工作面的頂?shù)装蹇醋鍪遣煌ㄍ傅膸r層;⑤瓦斯含量滿足以下方程;

式中：Q-是瓦斯含量，單位m3/t;a-是最大瓦斯吸附量，單位m3/t;b-是吸附常數(shù)，單位MPa-1;p-是瓦斯壓力，單位MPa;ρ-是密度，單位t/m3;?-是空隙體積，單位m3/m3;A-是灰分，單位%;M-是水分，單位%。

2.2.2 幾何模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立了預(yù)抽鉆孔的二維模型，包括水平與豎直走向的切面模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水平走向的橫切面模型其中儲(chǔ)層沿鉆口方向距離設(shè)置為120m，儲(chǔ)層寬50m，鉆孔長(zhǎng)60m，鉆孔在中間位置，封孔深度為10m，共劃分了14410個(gè)網(wǎng)格，其中對(duì)鉆孔加密部分5140個(gè)網(wǎng)格。

2.3 模擬參數(shù)設(shè)置

2.3.1 模型基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，模型應(yīng)用于層流條件下的計(jì)算，瓦斯?jié)B流模型選擇多孔介質(zhì)，分組進(jìn)行五種不同條件下的模擬實(shí)驗(yàn)，條件參數(shù)設(shè)置如下：抽采時(shí)間為（60d）;鉆孔抽采負(fù)壓分別為（-8kPa、-15kPa、-30kPa）;滲透率為（2.22×10-17，單位：m2）;鉆孔直徑為（75mm）;原始瓦斯壓力分別為（5MPa）。

2.3.2 模型邊界設(shè)置

將圖1中得到的網(wǎng)格模型導(dǎo)出，采用FLUENT進(jìn)行解算。假設(shè)氣體為理想氣體，加入能量方程;由于瓦斯流速很小，設(shè)為層流;氣體流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，采用多孔介質(zhì)模型;由于抽采與時(shí)間有關(guān)，流體設(shè)為非穩(wěn)態(tài)流;通過(guò)不同抽采時(shí)間、改變抽采負(fù)壓、滲透率、鉆孔直徑等參數(shù)，來(lái)模擬不同參數(shù)下流場(chǎng)抽采規(guī)律，在對(duì)進(jìn)口邊界進(jìn)行初始化后，進(jìn)行數(shù)值解算。

2.4 不同負(fù)壓下鉆孔周圍瓦斯壓力分布情況數(shù)值模擬

2.5 結(jié)論分析

由圖1易得出，預(yù)抽鉆孔的抽采量與抽采時(shí)間和與抽采負(fù)壓成正比，但是抽采流量增幅不高。受管路及鉆孔密封性的影響，且對(duì)抽采設(shè)備的要求也有所提高，因而現(xiàn)場(chǎng)提高抽采負(fù)壓會(huì)受到一定限制，即通過(guò)提高抽采負(fù)壓來(lái)增強(qiáng)抽采效果是比較困難的，所以，應(yīng)該根據(jù)工作面的抽采條件等實(shí)際情況合理調(diào)整抽采負(fù)壓，根據(jù)本文模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，馬蘭礦02#層的實(shí)際抽采情況，可以確定其預(yù)抽鉆孔的抽采負(fù)壓在15MPa-30kPa的范圍內(nèi)為最佳抽采負(fù)壓。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)10608工作面施工的預(yù)抽鉆孔的抽采負(fù)壓調(diào)整，其瓦斯?jié)舛取?biāo)準(zhǔn)混合量、以及標(biāo)準(zhǔn)純量變化如表1所示。

由上可知，當(dāng)預(yù)抽鉆孔抽采負(fù)壓在15～30kPa時(shí)，瓦斯的標(biāo)準(zhǔn)混流量以及標(biāo)準(zhǔn)純流量數(shù)值較大，抽采效果較好，因此建議馬蘭礦02#層預(yù)抽鉆孔的抽采負(fù)壓應(yīng)保持在15～30kPa。

4 結(jié)論

本文以馬蘭礦為研究對(duì)象，采用FLUENT模擬軟件，對(duì)馬蘭礦02#層預(yù)抽鉆孔抽采負(fù)壓進(jìn)行了優(yōu)化，數(shù)值模擬結(jié)果表明，預(yù)抽鉆孔的抽采量與抽采時(shí)間和與抽采負(fù)壓成正比，但是抽采流量增幅不高。受管路及鉆孔密封性的影響，且對(duì)抽采設(shè)備的要求也有所提高，因而現(xiàn)場(chǎng)提高抽采負(fù)壓會(huì)受到一定限制，即通過(guò)提高抽采負(fù)壓來(lái)增強(qiáng)抽采效果是比較困難的，所以，應(yīng)該根據(jù)工作面的抽采條件等實(shí)際情況合理調(diào)整抽采負(fù)壓，根據(jù)本文模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，馬蘭礦02#層的實(shí)際抽采情況，可以確定其預(yù)抽鉆孔的抽采負(fù)壓在15MPa-30kPa的范圍內(nèi)為最佳抽采負(fù)壓。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵龍慶.煤礦穿層鉆孔封孔位置選擇的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34（3）：173-175.

[2]周世寧，林柏泉.煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[3]李宗翔.采空區(qū)開區(qū)移動(dòng)瓦斯抽放的數(shù)值模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（1）：74-78.

作者簡(jiǎn)介：

郝志強(qiáng)（1972- ），男，山西省原平人，研究生，采煤高級(jí)工程師，主要從事專業(yè)研究采礦管理工作。