基于CFD数值模拟的吉宁矿大直径长钻孔抽采参数优化.pdf

第 10 期 山 西 焦 煤 科 技 No.102023 年 10 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyOct.2023试验研究收稿日期:2023-08-27作者简介:李丽兵(1987),男,山西吕梁人,2009 年毕业于山西煤炭职业技术学院,工程师,主要从事煤矿开采、矿井瓦斯灾害防治等工作(E-mail)443671045 基于 CFD 数值模拟的吉宁矿大直径长钻孔抽采参数优化李丽兵1,范楠2,3(1.华晋焦煤有限责任公司,山西吕梁033000;2.大同煤矿集团有限责任公司 博士后科研工作站,山西大同037000;3.太原理工大学,山西太原030024)摘要为了解决吉宁煤矿 2102 工作面瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等问题,同时提高瓦斯抽采效果,根据流体力学基本理论,构建采空区瓦斯运移三维解算模型,并采用 Ansys Fluent 软件分析了不同抽采流量下高位钻孔布置层位对抽采效率和瓦斯治理效果的影响,设计了大直径长钻孔抽采参数优化方案。结果表明,随着抽采混合流量增大,钻孔抽采获取的瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度均呈指数降低,最佳布置层位为内错距离 26 m、垂直高度 44 m,并在抽采流量增加至 22.05 m3/min 时达到高浓度瓦斯抽采浓度下限 30%.关键词瓦斯抽采;顶板大直径长钻孔;抽采流量;瓦斯浓度;布置层位中图分类号:TD712.6文献标识码:B文章编号:1672-0652-(2023)10-0024-04瓦斯灾害是矿井五大灾害之一,在所有的矿井灾害当中危害程度排名前列。由于它在矿井安全生产中的特殊性和重要性,故从安全生产的角度出发,必须要从源头上进行治理,消除瓦斯带来的隐患。瓦斯抽采是防止瓦斯超限,防治煤与瓦斯突出的治本措施,在众多瓦斯抽采技术中,顶板大直径长钻孔抽采方法具有抽采流量高、浓度高、过程简单、施工量小 等 特 点,近 年 来 在 我 国 多 个 矿 区 得 到 了 应用1-2.阳泉煤业下属各矿对大直径钻孔抽采瓦斯的实践表明,对大直径钻孔位置进行合理布置,抽采瓦斯效果可以比高抽巷更好3.郝世俊等4-5通过实验对比发现了大直径拐弯钻孔具有施工简单且费用较少的特点。陈跟马6通过分析大直径长钻孔预抽效果,发现大孔径长钻孔比中短钻孔抽采瓦斯效果更好。裴昌合等7通过对千秋煤矿大直径水平长钻孔的实验发现,使用高位钻场大直径水平长钻孔瓦斯抽采技术,与普通钻孔相比,具有抽采流量大、钻孔利用率高、抽采效果稳定的特点。吉宁煤矿 2102 大采高综采工作面开采过程中出现瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等问题,为此,采用数值模拟的方法对 2102 工作面顶板大直径长钻孔布置参数和瓦斯抽采参数进行优化研究,以解决上隅角瓦斯浓度超限问题,为大直径长钻孔布置提供基础参考。1工作面概况吉宁煤矿 2#煤层绝对瓦斯涌出量为 23.97 m3/min,透气性系数为 0.023 m2/MPa2d,属于较难抽放煤层。2102 工作面主采 2#煤,工作面标高 289312 m,走向长 932 m,倾斜长 195 m,层厚 4.7 6.8 m,平均5.75 m.2#煤层倾角为 2 11,平均 4,节理发育程度适中,普氏硬度 1.6 左右,均厚 0.2 m 的泥岩矸石夹杂于煤层中下部。工作面布置情况见图 1.根据现场实测数据得知,煤壁瓦斯是 2102 工作面瓦斯最主要来源,总体上瓦斯浓度沿垂直方向和工作面回风侧逐渐增大,最高浓度 88%左右,出现在靠近工作面未受采动影响的上覆岩层区域;隅角瓦斯浓度为 9.39%,已经严重超限,必须采用合理的抽采措施消除安全隐患。图 12102 工作面沿走向布置示意图2大直径长钻孔数值模型针对吉宁矿 2102 工作面的瓦斯涌出,通过 Ansys Fluent 软件 CFD 求解模块对高位大直径长钻孔布置层位、抽采参数进行优化,并制定合理的采空区瓦斯治理方案。2.1基本假设在建模之前,预先设置以下简化和假设:1)只分析进、回风巷和采空区漏风对采空区瓦斯运移规律的影响。2)由于煤层倾角较小,因此忽略其对于瓦斯运移和抽采效果的影响。3)模拟分析区域仅包含冒落带和裂隙带。4)工作面风流和采空区内部的瓦斯-空气混合气体视为不可压缩气体。2.2模型建立以 2102 工作面为原型,构建采空区抽采模型图,选取进风巷、回风巷尺寸:长 20 m宽 5 m高 4 m,工作面区域:长 200 m宽 10 m高 6 m.以煤层底板与上隅角交为原点,以工作面推进方向为 X 轴负方向,沿倾向至进风巷方向为 Y 轴正方向,以垂直于煤层向上为 Z 轴正方向。模型构建过程中选择靠近工作面的部分采空区作为研究对象。采空区模型尺寸为长 300 m宽 200 m高 80 m.工作面物理模型参数见表 1.2.3采空区模型边界条件设置1)阻力系数和孔隙率。在定义多孔介质时,需要定义其黏性和惯性阻力系数作为 fluent 模拟的必要参数:Si=3j=1Dijvj+123j=1Cij|vj|vj(1)式中:Si为采空区多孔介质的动量损失源;为动力黏度,Pa/s;为流体密度,kg/m3;Dij为黏性阻力损失系数矩阵;Cij为惯性阻力损失系数矩阵;vj为流体微元坐标方向上的速度分量,m/s.表 1工作面物理模型参数表工况名称规格/m走向300倾向200采空区高度煤层厚度6冒落带高度12裂隙带高度62进风巷截面(高宽)45回风巷截面(高宽)45工作面高度6工作面宽度102)瓦斯源项设置。根据 回采期间工 作面瓦斯 涌 出 量 为 7.7 m3/min,设置工作面瓦斯源项为定值 0.764e-5 kg/m3s.根据瓦斯来源分布情况,将采空区区域划分为:采空区底板到垂高 6 m 的区域,主要为采空区遗煤、煤柱涌出瓦斯和冒落煤岩涌出的瓦斯;垂高 6 m 到采空区模型顶部的区域,主要为临近层卸压、采空区遗煤瓦斯向上运移富集和碎裂岩层涌出瓦斯。瓦斯涌出比例设置为 4 1.用 UDF 函数定义瓦斯涌出源项可表示为:R2=ae(bx)10-6(2)式中:x 为采空区走向距离,m;a 为常数,取 0.528;b为常数,取-0.057 6.2.4大直径高位钻孔参数优化模拟方案根据采空区覆岩裂隙分布情况,选取距离煤层垂直高度 Z=2860 m,内错距离 1042 m 的正方形区域研究顶板大直径高位钻孔的最佳布置层位和抽采参数。选取了 13 组不同的钻孔布置层位,以抽采流量为 5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min、35 m3/min 进行模拟实验,分析钻孔抽采流量、布置垂高、内错距离对抽采效率和上隅角瓦斯治理效果的影响,以获得最522023 年第 10 期李丽兵等:基于 CFD 数值模拟的吉宁矿大直径长钻孔抽采参数优化佳的钻孔布置层位和抽采参数。钻孔布置参数见表2,钻孔布置层位示意图见图 2.表 2钻孔布置参数表钻孔编号垂直高度/m内错距离/m钻孔孔径/mmz1-12810203z1-32826203z1-52842203z2-23618203z2-43634203z3-14410203z3-34426203z3-54442203z4-25218203z4-45234203z5-16010203z5-36026203z5-56042203图 2采空区大直径钻孔层位布置图3模拟结果分析3.1大直径高位钻孔抽采效果对比为更清晰地分析不同抽采流量下钻孔垂直高度和内错距离对抽采效果的影响,以钻孔内错距离为横坐标,钻 孔 垂 高 为 纵 坐 标,分 别 绘 制 抽 采 流 量 为5 m3/min、15 m3/min、25 m3/min 和 35 m3/min 时的瓦斯抽采浓度以及上隅角瓦斯浓度曲线,见图 3.图 3瓦斯抽采浓度和上隅角瓦斯浓度随抽采流量变化曲线图由 图 3 可 知,当 抽 采 流 量 介 于 20.63 22.05 m3/min 时,瓦斯抽采浓度为 30%;上隅角瓦斯浓度分别为 2.08%和 2.67%,随着抽采混合流量增大,钻孔抽采获取的瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度均呈指数降低;同时不同层位钻孔的瓦斯抽采浓度差距逐渐缩小。3.2大直径高位钻孔层位和抽采参数优选针对现场大直径高位钻孔抽采浓度高于 30%的要求,根据抽采浓度和上隅角瓦斯浓度拟合结果,提取抽采浓度为 30%时的瓦斯抽采流量,进一步整理获得抽采瓦斯纯量和上隅角瓦斯浓度,并以钻孔所在层位的内错距离为横坐标、垂直高度为纵坐标绘制云图,见图 4.由图 4 可知,在达到抽采浓度下限(30%)的情况下,在 Z3-3 位置(内错距离 26 m,垂直高度 44 m)处布置钻 孔 可 以 获 得 最 高 的 瓦 斯 纯 量(6.616 m3/min),同 时 将 上 隅 角 瓦 斯 浓 度 控 制 在 最 低 值(2.102%).由此得出结论,在布置单一大直径高位钻孔时,最佳布置层位为内错距离 26 m、垂直高度44 m,并在抽采流量增加至 22.05 m3/min 时达到高浓度瓦斯抽采浓度下限 30%.4结论1)随着抽采混合流量增大,单一钻孔抽采获取的瓦斯浓度和上隅角瓦斯浓度均呈指数降低;同时不同层位钻孔的瓦斯抽采浓度差距逐渐缩小。2)钻孔最佳抽采位置沿“O”型圈裂隙分布规律62山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期逐渐向上隅角方向移动。布置单一大直径高位钻孔时,最佳布置层位为内错距离 26 m、垂直高度 44 m.图 4瓦斯抽采浓度为 30%时各钻孔抽采瓦斯纯量和上隅角瓦斯浓度云图 3)最佳层位布置钻孔可以获得最高的瓦斯纯量,同时将上隅角瓦斯浓度控制在最低值;在抽采流量增加至 22.05 m3/min 时达到高浓度瓦斯抽采浓度下限 30%.参考文献1陈沁东,赵建国,杨冬冬.大直径定向钻孔高效成孔钻进技术应用J.煤炭工程,2021,53(4):49-55.2刘杰,王恩元,撒占友,等.煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究J.中国安全科学学报,2016,26(12):98-103.3高宏,杨宏伟.超大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究J.煤炭科学技术,2019,47(2):5.4郝世俊,孙荣军,周新莉.大直径拐弯钻孔替代倾斜高抽巷抽放瓦斯的可行性研究J.探矿工程(岩土钻掘工程),2005(S1):246-249.5郝世俊,段会军,莫海涛,等.大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及实践J.煤田地质与勘探,2020,48(6):243-248.6陈跟马.大直径长钻孔掘进瓦斯预抽技术研究J.陕西煤炭,2007(6):19-21,51.7裴昌合,屈先朝.大直径水平长钻孔瓦斯抽放技术在千秋煤矿的应用J.煤炭科学技术,2007(2):13-15.(上接第 23 页)由图 8 可以看出,提浓钻孔在抽采 35 d 后,试验钻孔最大瓦斯抽采浓度仍能达到 57.8%,虽在抽采过程中受抽采负压、采掘活动、瓦斯运移等因素的影响,各钻孔均出现了浓度小幅衰减,衰减浓度在 10%左右,但提浓钻孔整体上仍能保持较高较稳定的瓦斯抽采浓度。由此可见,漏气钻孔在进行孔内注浆堵漏提浓后,不但钻孔封孔段的密封性得到修复增强,且抗蠕变变形能力也得到了一定的提升,在一定时间抽采后,钻孔仍能保持较好的密封效果。4结论1)通过分析抽采钻孔漏气规律,并对孔内不同深度瓦斯浓度进行检测,得到钻孔孔内 12 16 m 为漏气平缓区域,1620 m 为漏气严重区域。2)提出了漏气钻孔精准堵漏提浓技术,现场试验表明该技术不仅能够对钻孔周围煤岩体中的裂隙实现有效封堵,提升注浆试验孔的瓦斯抽采浓度,还对试验钻孔附近一定范围内的抽采钻孔浓度具有提升作用。3)提浓钻孔瓦斯抽采浓度随抽采时间的延长整体上仍能保持较高较稳定的抽采浓度,表明注浆后钻孔封孔段密封性得到修复增强,并且抗蠕变变形能力也得到了一定的提升。参考文献1俞启香,程远平.矿井瓦斯防治M.徐州:中国矿业大学出版社,2012.2周福宝,夏同强,刘应科,等.二次封孔粉料颗粒输运特性的气固耦合模型研究J.煤炭学报,2011,36(6):953-958.3王兆丰,李杰,杨宏民,等.抽采钻孔封孔失效的二次处理措施J.煤矿安全,2012,43(5):86-88.4岳汉.低浓度瓦斯钻孔裂隙封堵及检测提浓技术的应用效果J.现代矿业,2021,37(1):246-247.5熊伟.瓦斯抽采漏气失效钻孔修复技术研究J.矿业安全与环保,2020,47(1):80-83.722023 年第 10 期李丽兵等:基于 CFD 数值模拟的吉宁矿大直径长钻孔抽采参数优化