劉小滿　趙萬里　錢自衛(wèi)

(1.平頂山學(xué)院軟件學(xué)院　平頂山　467000)

(2.中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　平頂山　467000)

(3.中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院　平頂山　467000)

(4.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　徐州　221116)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測井筒涌水量的應(yīng)用研究

劉小滿1趙萬里2,3錢自衛(wèi)4

(1.平頂山學(xué)院軟件學(xué)院平頂山467000)

(2.中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平頂山467000)

(3.中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院平頂山467000)

(4.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐州221116)

摘要計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的技術(shù)手段,利用其技術(shù)優(yōu)勢彌補(bǔ)了解析法、類比法等傳統(tǒng)預(yù)測法的不足,對井筒涌水量的預(yù)測更加符合實(shí)際。論文以平煤股份十礦三水平進(jìn)風(fēng)井平頂山砂巖含水層段為例,采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件COMSOL,構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型,對井筒的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬,實(shí)現(xiàn)了不同施工工況下,井筒涌水量的預(yù)測分析。模擬結(jié)果為建井方式的合理設(shè)計(jì)及井筒安全施工提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞計(jì)算機(jī); 數(shù)值模擬技術(shù); COMSOL軟件; 井筒涌水量; 含水層

Class NumberTP391.9

1引言

井筒涌水量的準(zhǔn)確預(yù)測對于礦井井筒的建設(shè)至關(guān)重要,只有在預(yù)知井筒涌水量的情況下,才能合理選擇建井方式,以順利進(jìn)行礦井建設(shè);反之,選擇了不合理的建井方式造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)、延誤工期,甚至釀成嚴(yán)重工程事故。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)成為近年來一種比較先進(jìn)的技術(shù)手段[1～2],其效率高,周期短,工作量簡化,精度較高,能較為真實(shí)地描述研究區(qū)域的水文地質(zhì)特征及邊界性質(zhì),彌補(bǔ)了解析法、類比法等傳統(tǒng)預(yù)測法的不足[3～7],對井筒涌水量的預(yù)測更加符合實(shí)際,具有極佳的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景。本文選用計(jì)算機(jī)模擬軟件COMSOL[8～9],以平煤股份十礦三水平進(jìn)風(fēng)井平頂山砂巖含水層段為例,進(jìn)行井筒涌水量預(yù)測,以便為工程合理設(shè)計(jì)與安全施工提供理論依據(jù)。

2含水層一次全段開挖數(shù)值分析

2.1數(shù)值計(jì)算模型

進(jìn)風(fēng)井地層數(shù)據(jù)依據(jù)與其相距61m已建三水平回風(fēng)井實(shí)際揭露資料:進(jìn)風(fēng)立井凈徑8.0m,支護(hù)厚度0.6m,井筒開挖直徑9.2m,井口標(biāo)高+223.000m,井底標(biāo)高-896.572m,井深1119.572m,含水層厚度97.0m,含水層頂面埋深325.6m,底面埋深為422.9m,滲透系數(shù)為0.0533m/d。十礦三水平十礦北二進(jìn)風(fēng)井平頂山砂巖含水層段揭露井筒涌水量數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。模型整體為1/4圓柱體,圓柱體半徑為300m,厚度為平頂山砂巖含水層段厚度97m。

圖1　井筒涌水量數(shù)值計(jì)算模型

2.2邊界條件

假設(shè)井筒開挖涌水為中心對稱模式,建立的井筒涌水量計(jì)算模型采用1/4單元模塊,由此可減小計(jì)算的數(shù)據(jù)量,并且使計(jì)算結(jié)果更易呈現(xiàn)?？v向上地層的外邊界施加自然水頭邊界條件,井筒的水頭邊界條件為:402.9-z;地層的1/4縱切面為對稱無通量邊界;井筒內(nèi)壁面在相對隔水層段為對稱無通量邊界,在含水層段為自由出流邊界(水壓為0)。

2.3計(jì)算結(jié)果

圖2～圖4為井筒在平頂山砂巖含水層段一次全段開挖工況下,開挖后井筒圍巖的壓力水頭及滲流速度場分布計(jì)算結(jié)果。

1) 壓力水頭變化

圖2所示為井筒開挖前后圍巖壓力水頭分布云圖。對比分析可知,井筒未開挖含水層壓力水頭隨著地層埋深呈線性增大。井筒開挖后其壓力水頭發(fā)生明顯的變化,整體表現(xiàn)為井筒附近壓力水頭出現(xiàn)了顯著降低現(xiàn)象,距離井筒越遠(yuǎn)壓力水頭降低的幅度越小。

圖2　井筒開挖前后圍巖水壓分布云圖

圖3為井筒596m井段開挖后平頂山砂巖含水層底面壓力水頭分布云圖及徑向分布曲線圖。分析可知,井筒開挖后,井筒圍巖的壓力水頭呈現(xiàn)由外部圍巖到井筒逐漸減小的特征,減小的速率呈現(xiàn)快-慢-快的過程。在距離井筒300m～50m左右減小的速率相對較緩,距離井筒0m～50m范圍減小的速率逐漸加快,在井壁位置壓力水頭減小到0。

2) 速度場特征

圖4所示為井筒開挖后平頂山砂巖含水層底面滲流速度場分布云圖及徑向分布曲線圖。井筒開挖后,井筒圍巖即產(chǎn)生滲流現(xiàn)象,隨著與井筒中心距離的變小,滲流速度呈現(xiàn)平穩(wěn)-增大-激增的過程。在距離井筒300m～150m范圍滲流速率相對穩(wěn)定在一個(gè)低值,距離井筒150m～30m范圍滲流速率逐漸加快,特別是在30m～0m段內(nèi)滲流速率急劇增加。

圖3　井深596m處平面上井筒開挖后圍巖壓力水頭分布圖

圖4　井深596m處平面上井筒開挖后圍巖滲流速度場分布圖

3) 涌水量計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算軟件中涌水量的計(jì)算采用積分法,即對井壁在含水層段的通量進(jìn)行積分,獲得涌水量數(shù)據(jù),計(jì)算所得進(jìn)風(fēng)井平頂山砂巖含水層段一次挖全高的情況下的井筒涌水量為112.59m3/h,此預(yù)測計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)的解析法相近。

3含水層分段掘砌數(shù)值分析

實(shí)際的井筒施工過程中,不可能出現(xiàn)深厚的含水層一次開挖完成后再筑壁的情況,而是邊掘進(jìn)邊支護(hù),工序交叉一般在10 m左右,即井筒連續(xù)開挖10 m左右,然后進(jìn)行澆筑井壁澆筑完成后繼續(xù)開挖下一段,如此循環(huán)。以進(jìn)風(fēng)井在平頂山砂巖含水層段分段掘進(jìn)為例,研究井筒在含水層中分段掘砌壓力水頭變化特征、滲流速率變化特征及涌水量。

3.1數(shù)值計(jì)算模型

構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示,模型整體為1/4圓柱體,圓柱體半徑為300m,厚度為平頂山砂巖含水層(含水層)段厚度97m,井筒的直徑為8.0m,支護(hù)厚度0.6m,井筒開挖直徑9.2m。

圖5　井筒分段掘進(jìn)數(shù)值計(jì)算模型

3.2邊界條件

縱向上模型的外邊界施加自然水頭邊界條件,副井的水頭邊界條件分別為:251-z;地層的1/4縱切面為對稱無通量邊界;井筒壁面在相對隔水層段為對稱無通量邊界,在含水層段井壁支護(hù)前為自由出流邊界(水壓為0),支護(hù)后設(shè)定井壁不滲水。

3.3分段開挖控制

井筒開挖設(shè)定為分段開挖,分段開挖的井徑為9.2m,分段深度為10m/段,即0m～10m﹑10m～20m﹑20m～30m﹑30m～40m﹑40m～49m。開挖又分為開挖后支護(hù)及不支護(hù)兩種情況。

3.4計(jì)算結(jié)果

1) 壓力水頭變化特征

圖6為分段開挖不支護(hù)工況的水壓水頭變化云圖。

多層空間的狀態(tài)特征矩陣描述為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,如圖6、圖7所示與一次性全段開挖相比,井筒分段開挖過程圍巖的水壓發(fā)生明顯變化,主要表現(xiàn)為距離井壁越近水壓降低幅度越大的特征;不同開挖深度條件下,圍巖水壓降低的幅度不同,降低的幅度隨著井筒開挖深度的增加而增大。

圖7　分段開挖不支護(hù)工況含水層底面壓力水頭變化曲線

井筒開挖支護(hù)后,如圖8、9所示,井筒圍巖的壓力水頭變化特點(diǎn)與不支護(hù)工況相近,也表現(xiàn)為距離井壁越近壓力水頭降低幅度越大的特征,但與不支護(hù)相比,井壁支護(hù)后的壁后壓力水頭有明顯的回升現(xiàn)象;不同開挖深度條件下,圍巖壓力水頭降低的幅度大致一致,含水層底面壓力水頭降低的幅度隨著井筒開挖深度的增加而呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。

圖10為支護(hù)及不支護(hù)兩種工況井筒完成開挖后含水層底面的壓力水頭曲線。分析可知,井筒開挖,圍巖的壓力水頭均出現(xiàn)近似漏斗狀的水力坡降。對比而言,不支護(hù)工況下壓力水頭坡降波及的范圍要明顯大于支護(hù)工況條件。

2) 涌水量

數(shù)值計(jì)算軟件中涌水量的計(jì)算采用積分法,即通過對井壁在含水層段的通量進(jìn)行積分獲得涌水量數(shù)據(jù)。井筒分段開挖涌水量計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

分析結(jié)果反映出,在采用分段開挖的情況下,如開挖后不支護(hù),則井筒的涌水量隨著開挖深度的增加而增加,但增加的幅度逐漸放緩;如分段開挖后及時(shí)支護(hù),則井筒的涌水量明顯小于不支護(hù)工況下的涌水量,且表現(xiàn)有隨著開挖深度的增加,涌水量呈現(xiàn)先增加后降低的變化過程。

圖8分段開挖支護(hù)(掘砌)工況的壓力水頭變化云圖

圖9　分段開挖支護(hù)(掘砌)工況下含水層底面壓力水頭變化曲線

圖10　最后一段開挖含水層底面的壓力水頭變化曲線

圖11　井筒分段開挖涌水量與開挖深度關(guān)聯(lián)曲線

4結(jié)語

1) 利用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬軟件對平頂山砂巖含水層一次全段開挖進(jìn)行數(shù)值析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):進(jìn)風(fēng)井平頂山砂巖含水層段一次挖全高的情況下的井筒涌水量為112.59m3/h,此預(yù)測計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)法相近。

2) 實(shí)際的井筒施工過程中,采用的是邊掘進(jìn)邊支護(hù),再次構(gòu)建模型模擬發(fā)現(xiàn),井筒的涌水量明顯小于不支護(hù)工況下的涌水量,且表現(xiàn)有隨著開挖深度的增加,涌水量呈現(xiàn)先增加后降低的變化過程。

3) 采用COMSOL計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),預(yù)測建井過程中的井筒涌水量,模擬結(jié)果對平煤股份十礦三水平進(jìn)風(fēng)井建井方式的合理設(shè)計(jì)及安全施工提供了理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Application of Computer Simulation Technology in Prediction of Wellbore Inflow

LIU Xiaoman1ZHAO Wanli2,3QIAN Ziwei4

(1. College of Software, Pingdingshan University, Pingdingshan467000)

(2. State Key Laboratory of Coking Coal Exploitationand Comprehensive Utilization,China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan467000)

(3. Institute of Energy and Chemical Industry, China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan467000)

(4. National Key Lab of Geomechanics and Underground Enginnering,China University of Mining and Technology, Xuzhou221116)

AbstractAs a more advanced technology, computer simulation technology used its technological advantage to make up for the lack of analytical method, analogy method and other traditional prediction methods, and predict more realistically of water inflow into the wellbore. In this paper, taking Pingdingshan sandstone aquifers section of air shaft into three levels of Pingdingshan shares tenth coal mine as an example, The computer simulation software COMSOL was applied for the shortcomings of the traditional method of the shaft inflow forecasting with constructing of mathematical models to analyze the excavation process of the wellbore, achieving the wellbore inflow forecasting analysis on the different construction conditions. Simulation results that provide a theoretical basis for the reasonable design of mine construction methods and the safe construction of wellbore.

Key Wordscomputer, numerical simulation technology, COMSOL software, wellbore inflow, aquifers

收稿日期:2015年12月8日,修回日期:2016年1月19日

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(編號:2013CB036003)資助。

作者簡介:劉小滿,女,碩士,助教,研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用、軟件開發(fā)。趙萬里,男,碩士,工程師,研究方向:煤礦技術(shù)。錢自衛(wèi),男,博士研究生,研究方向:煤礦工程地質(zhì)及災(zāi)害治理。

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.003