張迎新，李世超， 朱育民， 肖 剛

(1.黑龍江科技大學 安全工程學院，哈爾濱 150022；2.黑龍江煤炭職業(yè)技術(shù)學校，黑龍江 雙鴨山155100；3.鶴崗益新煤礦，黑龍江 鶴崗 154106）

0 引言

目前我國煤礦每年排放的瓦斯氣體超過1.8×1010m3。研究發(fā)現(xiàn)瓦斯氣體是非常嚴重的溫室性氣體[1]，其對大氣臭氧層的破壞能力遠高于二氧化碳，瓦斯事故在煤炭事故中占據(jù)很高的比例[2]，隨著煤礦的開采深度逐年加深，煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力隨之增加，由于瓦斯是一種清潔能源氣體，因而瓦斯抽采重要性尤為突顯。

鉆孔抽采瓦斯是一個技術(shù)性非常強的專業(yè)工程問題，在抽采過程中，不同的抽采方法，不同的鉆孔抽放參數(shù)：鉆孔方位、鉆孔半徑、鉆孔抽放負壓等，不同的條件參數(shù)，對鉆孔抽采瓦斯的效率均有重要的影響。因此，研究鉆孔抽采過程中瓦斯在不同條件下的運移規(guī)律是十分必要的，需要得出相關(guān)的運移規(guī)律，為鉆孔抽采瓦斯的參數(shù)確定提供依據(jù)和指導(dǎo)，以提高抽采效果[3-4]。

筆者以黑龍江龍煤集團鶴崗分公司益新礦作為研究對象，利用CFD軟件對煤層工作面順層鉆孔布置形式下的瓦斯抽采活動進行數(shù)值模擬研究，通過改變模擬條件得出相應(yīng)的模擬結(jié)果，分析相關(guān)的抽放影響因素規(guī)律和影響狀況，擬對該礦研究瓦斯抽采起到實際的指導(dǎo)作用，并為其他相似煤礦的瓦斯抽采提供參考。

1 抽采數(shù)學模型

1.1 基本假設(shè)

瓦斯抽采過程復(fù)雜，為方便建立鉆孔周圍瓦斯流動方程，提出五點假設(shè)[5-9]。

（1）瓦斯在煤層中流動符合達西定律(Darcy law)。

（2）煤層內(nèi)部三個方向各個參數(shù)（透氣性系數(shù)、孔隙率等）基本不受抽采時瓦斯壓力變化的影響，但在鉆孔周圍的有效范圍內(nèi)增大。

（3）吸附態(tài)的瓦斯在煤層中解吸為游離態(tài)，屬于瞬態(tài)，并且符合朗格繆爾方程(Langmuir equation)。

（4）深部開采時，煤層頂?shù)装鍓毫^大，透氣性差，視為零透氣性系數(shù)。

（5）瓦斯?jié)B流過程中不涉及化學變化，也不考慮溫度變化問題，抽采視為等溫條件下進行。

1.2 瓦斯流動數(shù)學模型

根據(jù)瓦斯在自然狀態(tài)及抽采狀態(tài)下的運移規(guī)律，建立瓦斯流動數(shù)學模型。鉆孔周圍，瓦斯徑向流動見圖1。

圖1 煤體鉆孔瓦斯流動模型Fig.1 Drilling of coal gas flow model

含瓦斯煤體的滲流場控制方程，包括氣體狀態(tài)方程，煤體瓦斯含量方程，連續(xù)方程以及滲流場方程等，這些方程共同構(gòu)建起瓦斯流動的數(shù)學模型，雖然含瓦斯煤是孔隙與裂隙的雙重介質(zhì)，但是選擇一個適當?shù)男∧Ｐ腕w（六面體單元）并不會導(dǎo)致很大的誤差，并以此建立控制方程[8]。

（1）氣體狀態(tài)方程

式中：β——瓦斯氣體壓縮系數(shù)；

R——理想氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；

T——絕對溫度，K；

Mg——瓦斯氣體分子量，kg/mol。

（2）煤體瓦斯含量方程

式中：p0——大氣壓力，kPa；

ρs——煤體密度，kg/m3；

a、b——吸附常數(shù)。

（3）連續(xù)性方程

式中：qx、qy、qz——瓦斯在三維空間坐標軸上的分量；

ρg——瓦斯密度，kg/m3。

（4）瓦斯?jié)B流方程

式中：I——單元體積質(zhì)量源，kg/(m3·s)；

t——時間，s。

2 鉆孔抽采多孔數(shù)值模擬與分析

2.1 多孔數(shù)值模型

在煤礦鉆孔瓦斯抽放過程中，鉆孔的布置往往是分組的，為了探討抽采鉆孔間的相互影響關(guān)系，進行關(guān)于多孔布置的研究，包括不同孔間距、不同抽采時間等對抽采效果的影響。

以鶴崗煤田益新礦三水平25號煤層的順層瓦斯抽放鉆孔為原型，建立三維數(shù)值模型，煤層厚度8 m，工作面長110 m，孔深100 m，對模型布置三個等間距的抽采鉆孔，鉆孔直徑100 mm，鉆孔間距5 m（模擬中根據(jù)需要可自行改變間距），對鉆孔模型采取先面后體劃分網(wǎng)格，鉆孔周圍采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格區(qū)域劃分，對鉆孔周圍的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，封孔10 m。模型中網(wǎng)格節(jié)點數(shù)148 976個，19 344個壓力出口面，49 420個壓力進口面，1 522 015個內(nèi)部混合面，整個模型網(wǎng)格數(shù)為780 260，細化光滑的網(wǎng)格訪問面7 622個，光滑數(shù)48個，節(jié)點無移動，建成模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical model for grid

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 抽采50 d內(nèi)鉆孔距6 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，6 m鉆孔距下，在50 d內(nèi)分別取10、30、50 d作為觀察對象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖3的所示。

圖3 6 m孔間距壓力Fig.3 Pressure figure of 6 m hole spacing

2.2.2 抽采60 d內(nèi)鉆孔距7 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，7 m鉆孔距下，在60 d內(nèi)分別取10、40、60 d作為觀察對象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖4所示。

圖4 7 m孔間距壓力Fig.4 Pressure figure of 7 m hole spacing

2.2.3 抽采90 d內(nèi)鉆孔距8 m孔間距壓力變化

模擬非穩(wěn)態(tài)，8 m鉆孔距下，在90 d內(nèi)分別取10、50、90 d作為觀察對象，煤層瓦斯壓力的分布變化如圖5所示。

圖5 8 m孔間距壓力Fig.5 Pressure figure of 8 m hole spacing

在多孔抽采鉆孔布置中，圖3為50 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距6 m的參數(shù)下的壓力云圖，圖4為60 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距7 m的參數(shù)下的壓力云圖，圖5為在90 d的抽采周期內(nèi)，抽采孔間距8 m的參數(shù)下的壓力云圖，從一系列云圖中，觀察得出：

（1）從抽采模擬10 d的不同鉆孔距云圖對比中，可以看出抽采半徑影響遠未達到鉆孔間距長度大小的卸壓范圍，各個抽采孔間無相互影響，但整個煤體的壓力降略有不同。

（2）從抽采模擬第二階段，鉆孔距 6 m（30 d）、7 m（40 d）、8 m（50 d）的壓力云圖對比分析中，可以得到這個階段，在y軸方向上，抽采半徑的影響范圍有明顯擴大，抽采孔之間的壓力區(qū)已經(jīng)開始互相影響。但是在z軸方向上，由圖3～5中a和b的煤層頂?shù)装屣@示的顏色對應(yīng)的壓力數(shù)值基本不變，因而認為抽采半徑的影響還沒有波及煤層頂?shù)装澹汇@孔距越大，兩抽采孔之間達到互相影響的時間也就越長，因此理論上是孔間距越小，抽采效果越好，抽采需要時間也越短，但也需綜合考慮到抽采煤層的厚度，以及抽采孔的經(jīng)濟成本問題。

（3）從抽采模擬的第三階段，鉆孔距6 m（50 d）、7 m（60 d）、8 m（90 d）的壓力云圖中對比分析中，可以得到這個階段在z軸方向上，抽采鉆孔的卸壓影響半徑已經(jīng)完全影響到8 m厚煤層的頂?shù)装辶?；在抽采時間上可以明顯看出，6 m鉆孔距需要大概50 d，7 m鉆孔距需要大概60 d，可見這兩組數(shù)據(jù)之間差別不大，在選擇上都可以考慮，而8 m鉆孔距需要90 d左右，與前兩組數(shù)據(jù)相比，8 m的鉆孔距想要達到同樣的抽采效果需要的抽采時間明顯更長，多出一個月的時間；因此，考慮到抽采效果、抽采時長等因素的影響上，就需要根據(jù)煤礦的實際情況來確定合理的鉆孔距。本次研究的采用三維立體模擬相對于以往采用的二維模擬更真實更直觀。

3 現(xiàn)場實驗

3.1 工程背景

礦井計劃抽采瓦斯5.2×106m3，實際瓦斯抽采量只達到3.35×106m3，只完成了計劃任務(wù)的65%，在原有抽采孔基礎(chǔ)上，施工瓦斯抽采鉆孔1 305個，長達9.2×104m3，但是抽采量上沒有達到計劃任務(wù)值，年初計劃的礦井瓦斯抽采率只達到32%，采煤工作面瓦斯抽采率僅達到35%，且瓦斯抽采濃度也達不到計劃要求。

根據(jù)模擬情況，選取3N2石門22層右三段溜子道施工順層瓦斯抽采鉆孔和回風道施工高位鉆場布置走向高位鉆孔。該區(qū)煤層厚度8 m，走向長206 m，傾斜長120 m，煤層硬度中硬。煤層層理發(fā)育，煤層節(jié)理發(fā)育，容重1.4 t/m3，工作面絕對瓦斯涌出量4.3 m3/min，頂板為中砂巖，底板為細砂巖，見圖6。

抽采管路布置：3N2石門22層右三段回風道→-130大巷→三水平北二石門軌道上山→北翼石門聯(lián)絡(luò)巷→北翼石門皮帶巷→集團孔→中部地面抽采泵→地面。

圖6 抽采面管路布置Fig.6 Design figure of extraction line

干管徑選用φ450 mm管 2 950 m，φ250 mm PE管820 m。選用2BEA-353型號抽采泵，采用比其他抽采面增高的負壓值-30 kPa，取鉆孔直徑0.086 m，對該工作面進行為期100 d抽采實驗。

3.2 結(jié)果與分析

在實驗區(qū)煤層內(nèi)，布置多個測壓孔，并對布置順層抽采鉆孔的實驗區(qū)煤層內(nèi)部定期進行壓力測定，通過數(shù)據(jù)觀測發(fā)現(xiàn)；抽采系統(tǒng)開始運行時，鉆孔周圍的瓦斯壓力有明顯的降低，在抽采孔的周圍存在著近似圓環(huán)形的等壓力圈；根據(jù)礦井瓦斯抽采時鉆孔周圍壓力規(guī)律，抽采期間在距抽采孔一定區(qū)域內(nèi)，存在著壓力峰區(qū)，也就是一個顯著的壓力升高區(qū)；抽采時間對煤層內(nèi)瓦斯壓力下降的快慢有決定性影響；在抽采70 d左右的時候，抽采孔的卸壓區(qū)已經(jīng)波及到抽采煤層的頂板位置，根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，整合抽采10、35、60、80、95 d內(nèi)的綜合參數(shù)，計算擬合出這幾個時間的內(nèi)抽采鉆孔瓦斯壓力如圖7所示。

圖7 不同時間抽采鉆孔瓦斯壓力Fig.7 Different extraction time drilling gas pressure

在對22層右三段工作面進行為期100 d的抽采實驗中，同時監(jiān)測記錄了鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度等數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 工作面抽采鉆孔濃度及流量Fig.8 Extraction drill hole concentration and flow

現(xiàn)場實驗，采用比益新礦其他抽采工作面高的鉆孔抽采負壓值-30 kPa進行抽采，取鉆孔直徑0.086 m，驗證了部分模擬規(guī)律，而與其現(xiàn)有實際順層抽采布置工作面參數(shù)進行對比分析：發(fā)現(xiàn)在原有抽采負壓-25 kPa的基礎(chǔ)上，提高抽采壓力能有效地降低煤層瓦斯抽采時間，增大鉆孔的抽采有效半徑；而抽采孔直徑由原有的0.072 m改良到0.086 m，并沒有對煤層瓦斯壓力的整體趨勢變化起到太大影響，但鉆孔瓦斯流量在一定程度上有所增加。

改進后工作面瓦斯?jié)舛?，上隅角瓦斯?jié)舛缺戎岸加胁煌潭鹊南陆担仫L流中的瓦斯含量有明顯的降低，抽采率由原來的32%提高到56%，抽采濃度也有提高，效果明顯。

4 結(jié)論

將數(shù)值模擬的分析結(jié)果進行現(xiàn)場驗證，取得了良好效果，證明研究具有實際意義，得出：

（1）通過多孔數(shù)值模型的建立，利用模擬軟件及后處理，研究了煤層瓦斯在多個抽采孔的抽采條件下，鉆孔抽采時間、抽采鉆孔間距與瓦斯抽采的效率的關(guān)系，鉆孔越密集，抽采定量瓦斯需要的時間越短，根據(jù)現(xiàn)場試驗，驗證了7 m孔間距下、100 d內(nèi)，瓦斯抽采效果與模擬的結(jié)果接近。

（2）在數(shù)值模擬部分，以龍煤益新煤礦實體工作面建立三維模型，并將模擬結(jié)果用于現(xiàn)場實驗，采用7 m的鉆孔間距，-30 kPa的抽采負壓值，鉆孔直徑0.086 m，型號為2BEA-353的抽采泵在22#號煤層右三段采區(qū)，近百天的測試數(shù)據(jù)顯示，抽采率提高了20%，抽采濃度也有小幅度提高。

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