潘文豐

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.潞安集團(tuán)山西高河能源有限公司，山西長(zhǎng)治 046000）

回采工作面瓦斯抽采系統(tǒng)優(yōu)化研究

潘文豐1,2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.潞安集團(tuán)山西高河能源有限公司，山西長(zhǎng)治 046000）

利用FLUENT軟件對(duì)陽(yáng)煤集團(tuán)開(kāi)元煤礦3號(hào)煤層瓦斯抽采系統(tǒng)中的瓦斯流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并以所建立的模型為基礎(chǔ)對(duì)開(kāi)元煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，開(kāi)元煤礦如需達(dá)到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管徑需增大至510mm。為礦井制定控制瓦斯災(zāi)害、提高回采工作面瓦斯抽采率的技術(shù)措施提供參考。

數(shù)值模擬；抽采；瓦斯

抽采煤層瓦斯[1-7]是防治礦井瓦斯災(zāi)害的有效方法之一。然而，隨著開(kāi)元煤礦開(kāi)采深度的增加，本煤層工作面的瓦斯涌出量較大，經(jīng)常發(fā)生瓦斯超限，同時(shí)本煤層與鄰近層的瓦斯抽采率普遍偏低，嚴(yán)重制約了瓦斯抽采技術(shù)措施的實(shí)施，削弱了該方法對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害的防治作用。要提高開(kāi)元煤礦瓦斯抽采技術(shù)措施的實(shí)施效果，就必須解決回采工作面采動(dòng)卸壓瓦斯的有效抽采、提高工作面瓦斯抽采率。

1 礦井概況

開(kāi)元煤礦主采煤層3號(hào)煤的相對(duì)瓦斯涌出量為15.6 m3/t，各煤層為中—高變質(zhì)煤層，煤種屬瘦煤、貧煤。3號(hào)煤層有弱爆炸性，原煤瓦斯含量為7.15 m3/t~9.82 m3/t，平均瓦斯含量為8.49 m3/t；原煤瓦斯壓力為1.47 MPa，透氣性系數(shù)為0.003 1 m2/（MPa2·d）~0.062 2 m2/（MPa2·d），平均0.036 1 m2/（MPa2·d）；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.005 6 d-1~0.007 5 d-1，平均0.006 4 d-1，屬較難抽放煤層。

2 管網(wǎng)瓦斯流動(dòng)的數(shù)值模擬

利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱模擬計(jì)算的流程為首先利用GAMBIT進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型及網(wǎng)格的生成，并輸出用于FLUENT求解器計(jì)算的格式，然后利用FLUENT求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。

2.1開(kāi)元煤礦3805工作面本煤層瓦斯流動(dòng)的數(shù)值模擬方案

開(kāi)元煤礦3805工作面本煤層瓦斯抽采由地面泵站提供抽采負(fù)壓，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立開(kāi)元3805工作面本煤層瓦斯抽采系統(tǒng)三維計(jì)算模型，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在模型的中心。本文直接使用體網(wǎng)格對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行劃分，先對(duì)主管路區(qū)域劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.1m，再對(duì)瓦斯抽采支管劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.2 m。網(wǎng)格單元和類型分別為Hex/wedge和Cooper。模型網(wǎng)格圖見(jiàn)圖1。

圖1 模型網(wǎng)格圖

對(duì)3805工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的入口和出口進(jìn)行邊界條件賦值如表1所示。

表1 各工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的入口和出口邊界條件賦值

啟動(dòng)FLUENT三維雙精度求解器，輸入網(wǎng)格并對(duì)其進(jìn)行檢查，確定網(wǎng)格劃分沒(méi)有錯(cuò)誤。使用默認(rèn)的3D穩(wěn)態(tài)隱式求解器，選擇k-ε湍流模型。文章假設(shè)空氣為不可壓縮流體，且空氣從入口到出口的流動(dòng)過(guò)程中不與外界發(fā)生熱交換，可看作是絕熱流體，因此本文沒(méi)有求解能量方程。流體材料設(shè)定為MATHANE-AIR混合氣體，根據(jù)瓦斯混合氣體濃度，設(shè)定流體密度為1.26 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.72×e-5kg/(m·s)，操作壓力為101 325 Pa。把收斂準(zhǔn)則均設(shè)為0.001，設(shè)置迭代次數(shù)為2 000次，對(duì)入口進(jìn)行初始化后進(jìn)行迭代求解。經(jīng)過(guò)一定的迭代次數(shù)后，結(jié)果收斂，求解完成。

2.2模擬結(jié)果分析

流體流動(dòng)的過(guò)程中受管壁摩擦阻力及局部阻力的影響，流體入口壓力到出口壓力是遞減的過(guò)程，支管進(jìn)口端的壓力與出口端的壓力與表1中的賦值相同且壓力呈遞減的趨勢(shì)，與實(shí)際情況相符。

3805 工作面進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽采支管的負(fù)壓為13.88 kPa，模擬結(jié)果顯示，進(jìn)風(fēng)巷支管的負(fù)壓為14.01 kPa，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)接近，誤差僅為0.92%，說(shuō)明本模型所取參數(shù)是符合實(shí)際的，模擬結(jié)果是可信的，以此模型為基礎(chǔ)的其他模型的模擬結(jié)果也是可靠的。

實(shí)踐證明，流體在管路中流動(dòng)時(shí)，同一截面上的各點(diǎn)的流速是不同的。管路中心處的流速最大，越靠近管壁流速越小，在管壁處等于零。截面上各點(diǎn)速度如圖2所示。

圖2 抽采系統(tǒng)主管路氣體流速

由于圖像是對(duì)稱的，因此只對(duì)管壁到管路中心這段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合方程式為：V＝165.5x.

利用截面流速的擬合方程式，對(duì)3805工作面瓦斯抽采支管瓦斯流量進(jìn)行計(jì)算，可得支管瓦斯流量為：

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，3805工作面進(jìn)風(fēng)巷支管瓦斯流速為15.103m3/min，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差為0.6%。

3 管網(wǎng)選線優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用礦井網(wǎng)絡(luò)圖論理論，把礦井瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到5-a所示的抽采系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，再經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，根據(jù)礦井抽采網(wǎng)絡(luò)內(nèi)瓦斯流動(dòng)的基本規(guī)律，可以繪制如圖5-b的抽采網(wǎng)絡(luò)圖。該網(wǎng)絡(luò)圖僅含有一條樹(shù)，余樹(shù)含有10個(gè)獨(dú)立回路(圖中箭頭所標(biāo)注的方向?yàn)榛芈吠咚沽鲃?dòng)方向)。圖中，A為地面管段；B為總回風(fēng)井；C為東二皮帶巷；D為九號(hào)煤回風(fēng)下山；E為二水平回風(fēng)大巷；F為3805進(jìn)風(fēng)226 mm PE管路；G為3805回風(fēng)226 mm PE管路；H為七采區(qū)回風(fēng)巷；I為9405回風(fēng)226 mm管路；J為9405進(jìn)風(fēng)226 mm管路；K為八采區(qū)回風(fēng)巷；L為3710進(jìn)風(fēng)巷；M為3710回風(fēng)巷；N為9801回風(fēng)226 mm管路；O為9801進(jìn)風(fēng)226 mm管路；P為9804回風(fēng)226 mm管路；Q為9804進(jìn)風(fēng)226 mm管路；S為瓦斯抽采巷；T為二水平回風(fēng)巷。

抽采管網(wǎng)決定著抽采阻力的大小，抽采阻力大，系統(tǒng)性能低；抽采阻力小，系統(tǒng)性能高。隨著煤炭的不斷開(kāi)采，開(kāi)元煤礦本煤層瓦斯抽采管路不斷延伸，本煤層抽采管路阻力不斷增大。根據(jù)開(kāi)元煤礦各工作面風(fēng)排瓦斯量及抽采瓦斯量，如果開(kāi)元煤礦實(shí)現(xiàn)本煤層瓦斯抽采率達(dá)到40%的目標(biāo)，本煤層瓦斯抽采主管流量需達(dá)到125 m3/min，支管瓦斯混合量需達(dá)到30m3/min，表2為圖5中各回路的總阻力。

圖5 瓦斯抽采系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及網(wǎng)絡(luò)圖

表2 本煤層瓦斯抽采各回路阻力

3.1模擬方案

由于9801工作面本煤層瓦斯抽采系統(tǒng)管路最長(zhǎng)，抽采阻力最大，因此選取此工作面作為數(shù)值模擬對(duì)象，如果某一管徑能夠滿足此工作面提高瓦斯抽采率所需要的流量要求，就能夠滿足其他工作面對(duì)管徑的要求。因此針對(duì)開(kāi)元煤礦主管路阻力過(guò)大的問(wèn)題，提出如表3中的管徑優(yōu)化方案。

表3 開(kāi)元煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)管徑優(yōu)化方案

表4為工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的入口和出口邊界條件賦值。

表4 工作面瓦斯抽采系統(tǒng)的入口和出口邊界條件賦值

3.2模擬結(jié)果分析

如前所述，如果開(kāi)元煤礦實(shí)現(xiàn)本煤層瓦斯抽采率達(dá)到40%的目標(biāo)，本煤層瓦斯抽采主管流量需達(dá)到125 m3/min，支管瓦斯混合量需達(dá)到30m3/min。

通過(guò)流速可以對(duì)管路橫截面積進(jìn)行積分運(yùn)算，得到不同主管管徑條件下9801工作面主管路及支管管路瓦斯流量，如表5所示。

表5 不同主管管徑條件下9801工作面主管管路及支管管路瓦斯流量

在抽采系統(tǒng)管路進(jìn)口與出口邊界條件確定后，隨著管徑的增大，流體流量不斷增加，開(kāi)元煤礦要實(shí)現(xiàn)本煤層瓦斯抽采率40%的目標(biāo)，需將主管路管徑由420mm增大為510 mm。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算瓦斯抽采系統(tǒng)各管段阻力，簡(jiǎn)化了礦井瓦斯抽采系統(tǒng)并建立了抽采系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，利用FLUENT對(duì)開(kāi)元煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)中的瓦斯流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并以此模型為基礎(chǔ)對(duì)開(kāi)元煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，開(kāi)元煤礦如達(dá)到瓦斯抽采率40%的要求，主管路管徑需增大至510mm。

[1]詹興建.提高礦井瓦斯抽采率的綜合措施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012（S1）:55-57.

[2]翟成，林柏泉，王力.我國(guó)煤礦井下煤層氣抽采利用現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].天然氣工業(yè)，2008（7）:23-26，132.

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[6]張浩然.煤礦瓦斯抽采技術(shù)研究及應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

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（編輯：楊鵬）

Optim ization on Gas Drainage System on Working Face

PAN W en feng1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Shanxi Gaohe Energy Co.,Ltd.,Lu'an Group,Changzhi 046000,China)

FLUENTwas used to simulate the gas flow in the gas drainage system in No.3 coal seam in Kaiyuan Mine,Yangcheng Coal Group.Based on the established model,the gas drainage system was optimized.The resultsshow that the diameterofmain pipe should increase to510mm in order tomeet the requirement of gas extraction rate of 40%in Kaiyuan Mine.The study could provide reference for gas controland improvementofgasextraction rateon theworking face.

numericalsimulation;gas drainage;gas

TD712.6

A

1672-5050（2016）06-048-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.015

2016-04-27

潘文豐(1984-)，男，山西晉城人，在讀工程碩士，工程師，從事安全工程研究工作。