吳 兵 于振江 王紫薇 江澤泳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

基于飽和—非飽和滲流的煤層注水?dāng)?shù)值模擬及應(yīng)用

吳 兵 于振江 王紫薇 江澤泳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

針對(duì)當(dāng)前同忻煤礦井下粉塵濃度偏大、工作條件惡劣以至嚴(yán)重影響該礦安全生產(chǎn)的問(wèn)題,根據(jù)非飽和土滲流理論,提出采用comsol有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行煤層注水方案優(yōu)化,最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果測(cè)定。通過(guò)數(shù)值模擬得出同忻礦8103工作面的煤層濕潤(rùn)半徑約為15 m,在保持4°傾角條件下,其濕潤(rùn)范圍最大。采用了新的注水方案后,工作面的粉塵濃度明顯降低,其中采煤機(jī)中部和前滾筒下風(fēng)側(cè)10 m處的降塵率分別達(dá)到了19.55%、30.62%。

不飽和土 非飽和流動(dòng) 煤層注水 濕潤(rùn)半徑

煤層注水就是通過(guò)鉆孔將壓力水注入到尚未開(kāi)采的煤層中,增加煤的水分,使煤體預(yù)先得到濕潤(rùn),減少煤塵的生成和飛揚(yáng),是采煤工作面最有效的防塵措施,能夠大幅度減少采煤工作面產(chǎn)塵量。除此之外,煤層注水后對(duì)于煤體的軟化、煤發(fā)火周期的延長(zhǎng)、減少?zèng)_擊地壓的危害等也都能起到一定的積極作用。

1 煤層的非飽和流動(dòng)

煤層屬于典型的不飽和土,所以煤層注水屬于典型的飽和—非飽和滲流。

確定煤層的滲透系數(shù)主要考慮煤體孔隙比和孔隙連通性?xún)煞矫?。?dāng)水充滿(mǎn)煤層的全部裂隙,此時(shí)煤層的孔隙比和連通性幾乎不再發(fā)生變化,導(dǎo)水率相對(duì)較大,此時(shí)可以認(rèn)為滲透系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。區(qū)別于飽和狀態(tài),當(dāng)煤層處于非飽和狀態(tài)時(shí),水充滿(mǎn)部分孔隙,但是煤層孔隙比變化很小,對(duì)滲透系數(shù)的影響一般可以忽略不計(jì)。孔隙的連通性——飽和度變化是影響滲透系數(shù)的主要因素,因而常常將滲透系數(shù)表達(dá)為飽和度或體積含水率的函數(shù)。

對(duì)非飽和滲流來(lái)說(shuō),因?yàn)槊簩拥暮师扰c孔隙率n存在正比例關(guān)系,θ＝nSw,Sw為飽和度,0≤Sw≤1;達(dá)西速度換成非飽和滲流場(chǎng)中達(dá)西速度,可得到飽和—非飽和滲流的數(shù)學(xué)方程:

式中:ρ——水的密度,kg/m3;

vx——x方向上水的達(dá)西速度,m/s;

vy——y方向上水的達(dá)西速度,m/s;

n——煤層孔隙率;

Sw——飽和度;

S——等效飽和度;

t——時(shí)間,s。

經(jīng)典達(dá)西定理對(duì)于非飽和土滲流不再適用,其根本原因就是非飽和土中存在吸力,所以其滲流特性區(qū)別于飽和土滲流。煤層的總吸力主要受基質(zhì)吸力和滲透吸力的共同影響,外界的注水壓力或者其他因素的改變會(huì)直接導(dǎo)致基質(zhì)吸力的變化,兩種吸力中有一種產(chǎn)生變化都會(huì)導(dǎo)致煤體失衡。煤體的基質(zhì)吸力指空隙氣壓力和空隙水壓力的差值,它反映了以煤層的結(jié)構(gòu)、顆粒成分、孔隙大小和分布形態(tài)為特征的煤層基質(zhì)對(duì)其中水分的吸持作用,是研究非飽和土工程性質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)。

2 煤層注水?dāng)?shù)值模擬

同忻礦8103工作面全長(zhǎng)為200 m,采用綜采放頂煤一次采全高,全部垮落法管理頂板。由于煤層的平均含水率為1.7%左右,遠(yuǎn)低于國(guó)家4%的要求,且井下粉塵濃度很大,尤其在工作面附近已經(jīng)達(dá)到800 mg/m3,嚴(yán)重超標(biāo),所以必須采用煤層注水防塵技術(shù)降塵。如果在8103工作面采用單側(cè)鉆孔,那么鉆孔的設(shè)計(jì)深度很大,打孔難度相當(dāng)大且角度不容易確定,所以采用雙向鉆孔注水設(shè)計(jì),分別從5103回風(fēng)巷距工作面開(kāi)切眼10 m及2103運(yùn)輸巷道距切眼15 m的位置開(kāi)孔,5103回風(fēng)巷道鉆孔深度100 m,2103運(yùn)輸巷道鉆孔深度80 m,鉆孔傾角均為5°,鉆孔開(kāi)孔高度距巷道底板1.4 m,鉆孔間距10 m,如圖1所示。當(dāng)前單孔注水量經(jīng)常達(dá)到600 m3左右,注水量相當(dāng)大,但是粉塵治理效果較差,所以必須對(duì)當(dāng)前該礦煤層注水方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了更好地判定煤層中水的飽和程度,對(duì)同忻礦進(jìn)行了煤層注水臨近孔(同一煤層中遠(yuǎn)離試驗(yàn)注水孔的孔)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水量達(dá)到8%的時(shí)候,可以認(rèn)為達(dá)到了飽和狀態(tài)。本文使用非飽和滲流有限元模擬進(jìn)行鉆孔布置優(yōu)化。

圖1 8103工作面煤層注水鉆孔設(shè)計(jì)圖

2.1 不同注水壓力條件下的濕潤(rùn)半徑的分布

她被救援隊(duì)救了出來(lái)，在醫(yī)院的時(shí)候邵南有來(lái)看她。也許是內(nèi)疚他幫她支付了所有的費(fèi)用，請(qǐng)了高護(hù)給她。這之后她一直沒(méi)有再給邵南打電話(huà)，她把他的號(hào)碼和微信從手機(jī)里拉黑。她知道，她盛大的愛(ài)情已經(jīng)落幕了。

通過(guò)等效飽和度確定濕潤(rùn)半徑,當(dāng)飽和度到達(dá)0.33左右的時(shí)候可以認(rèn)為是濕潤(rùn)半徑的臨界點(diǎn)。利于comsol數(shù)值模擬軟件分別模擬1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa不同注水壓力條件下煤體濕潤(rùn)程度。在煤層空氣和瓦斯壓力一定的情況下,煤體的基質(zhì)吸力隨著注水壓力的增大而減小。由于基質(zhì)吸力的絕對(duì)值較大,滲透系數(shù)也就越大,毛細(xì)效果也就越明顯,所以煤層更容易吸收更多的水分,煤層的飽和度也就逐漸增大,煤體的濕潤(rùn)半徑也逐漸增大。為了更好地分析不同注水壓力時(shí)煤層注水的濕潤(rùn)半徑,將等效飽和度分布云圖做成相應(yīng)的線形圖,如圖2所示,可以明顯發(fā)現(xiàn)煤層的等效飽和度從注水孔附近逐漸減低,不同壓力下其降低速率也明顯不同。當(dāng)壓力為5 MPa時(shí),其降低速率最低,煤層濕潤(rùn)范圍也就越大,濕潤(rùn)半徑也相比于其他壓力下明顯增大。

當(dāng)圖2中縱坐標(biāo)為0.33時(shí),分別找到與不同曲線相交的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo),提取各點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)值,計(jì)算出不同注水壓力條件下煤層注水的濕潤(rùn)半徑,如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)注水壓力為1 MPa時(shí),在距離注水孔6 m的地方其飽和度達(dá)到了0.33左右;注水壓力為2 MPa時(shí),在距離10 m的地方可以認(rèn)為含水率增大了1%,飽和度達(dá)到了0.33;注水壓力3 MPa時(shí),濕潤(rùn)半徑約為15 m;注水壓力4 MPa時(shí),濕潤(rùn)半徑約為18 m;注水壓力5 MPa時(shí),濕潤(rùn)半徑約為20 m。因此,煤層注水的濕潤(rùn)半徑隨著壓力的增大而增大,其增大的速率卻是先增大然后在減少,當(dāng)注水壓力為3 MPa的時(shí)候,其變化速率最大。所以認(rèn)為該礦的理論煤層注水壓力的范圍約為3 MPa。

圖2 不同壓力條件下的等效飽和度分布

圖3 不同注水壓力條件下的濕潤(rùn)半徑

2.2 不同傾角對(duì)于煤體濕潤(rùn)范圍的影響

為了保證注水孔始終保持在煤層內(nèi),并且為了現(xiàn)場(chǎng)很好的測(cè)定角度,發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾角為＋6°的時(shí)候,鉆孔不能保證全部在煤層內(nèi),所以煤層注水傾角要小于＋6°。分別對(duì)0°、＋1°、＋2°、＋3°、＋4°、＋5°不同傾角的煤層注水進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)模擬表明,不同的鉆孔傾角下的濕潤(rùn)范圍明顯不同,傾角越大其受到重力和毛細(xì)作用的影響也就越大,其飽和度分布也就更加復(fù)雜。

不同的傾角的布置對(duì)于煤體水的飽和度產(chǎn)生重要的影響,因此合理的選擇傾角對(duì)于該礦來(lái)說(shuō)即有利于優(yōu)化生產(chǎn)又能節(jié)省資金。通過(guò)comsol后期處理分別得到飽和度大于0.33的區(qū)域,然后采用PHOTOSHOP處理得到不同條件下濕潤(rùn)區(qū)域的像素,再把后期圖片的像素?cái)?shù)值換算成濕潤(rùn)范圍的實(shí)際面積。通過(guò)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)不同傾角的濕潤(rùn)范圍如圖4所示。

由圖4可以看出,煤體的濕潤(rùn)范圍隨著鉆孔傾角的增大先增大再減小。隨著鉆孔傾角的增大,從注水孔出來(lái)的壓力水在重力和毛細(xì)作用的雙重影響下,濕潤(rùn)范圍逐漸增大,但是在＋5°的時(shí)候由于注水孔頂端很接近煤層頂部,受浸潤(rùn)的空間有限,毛細(xì)作用不能很好的擴(kuò)散,所以此時(shí)導(dǎo)致其濕潤(rùn)范圍小于＋4°時(shí)的濕潤(rùn)范圍。所以8103工作面的鉆孔傾角設(shè)置為＋4°時(shí),達(dá)到濕潤(rùn)要求的范圍最大。

圖4 不同傾角下煤體的濕潤(rùn)面積

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬和相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)同忻礦8103工作面的煤層注水方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工作面的鉆孔間距為25 m,鉆孔傾角為4°,采用先靜壓后動(dòng)壓的注水方案。當(dāng)靜壓注水流量逐漸減少時(shí)直至注不進(jìn)去,然后采用動(dòng)壓注水,注入煤體的水在壓力的作用下迅速充滿(mǎn)煤層內(nèi)部大的孔隙、裂隙,形成相互關(guān)聯(lián)的煤層注水滲流網(wǎng),在水壓力和毛細(xì)滲透壓力的共同作用下,水進(jìn)一步滲透到煤體微細(xì)孔隙中。

從圖5可以看出,注水后工作面的粉塵濃度明顯降低,其中采煤機(jī)中部和前滾筒下風(fēng)側(cè)10 m處的降塵率分別達(dá)到了19.55%、30.62%。進(jìn)一步證明了當(dāng)前煤層注水方案的科學(xué)性。

圖5 改進(jìn)注水工藝前后粉塵濃度對(duì)比

4 結(jié)論

(1)煤層是典型的非飽和土,通常情況下,較大量的空氣和瓦斯在煤體中形成連續(xù)的氣相,這時(shí)孔隙氣壓和孔隙水壓出現(xiàn)顯著的差別,從而使經(jīng)典飽和土力學(xué)的原理和概念不再適用。所以飽和－非飽和滲流模型取代了達(dá)西定理并適用于煤層注水。

(2)煤體的基質(zhì)吸力是空隙氣壓力和空隙水壓力的差值,所以注水壓力對(duì)于煤層注水的濕潤(rùn)半徑有著很大的影響,并且隨著注水壓力的增大而逐漸增大,但是其變化速率卻是先增大再減小。

(3)通過(guò)本次數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前后的對(duì)比發(fā)現(xiàn),改進(jìn)之后注水效果明顯改善,工作面粉塵濃度顯著降低,說(shuō)明數(shù)值模擬具有一定的科學(xué)性?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的復(fù)雜性和巨額的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,利用有限元數(shù)值模擬的方法可以快速有效地為現(xiàn)場(chǎng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

The numerical simulation of coal seam water injection based on saturated-unsaturated seepage and applications

Wu Bing,Yu Zhenjiang,Wang Ziwei,Jiang Zeyong
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

For larger concentration of dust in the current Tongxin Coal Mine and the poor working conditions,which seriously affects mine production safety issues,based on unsaturated flow theory,this article uses comsol finite element simulation software to optimize seam water injection program,and make the final determination of field application and effect.The results shows:the moist radius of 8103 working face in Tongxin Coal Mine is about 15 m,and in keeping＋4°inclination conditions,the moist range max.After the introduction of a new water injection program,the dust concentration was significantly lower.The rate at which the dust before the shearer drum central and leeward side of the 10 m position reaches 19.55%、30.62%respectively.

the unsaturated soil,the unsaturated seepage,coal seam water injection,moist radius

TD714.41

A

吳兵(1967－),男,山西陽(yáng)泉人,教授,博士,主要從事礦井通風(fēng)、火災(zāi)防治、粉塵防治等方面的研究。