姬書強
(潞安集團 蒲縣隰東煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041200)
我國煤炭占能源主導地位的局面將長期不變[1],因此,瓦斯災害防治仍是我國煤礦災害治理的重中之重[2],在各種類型的煤與瓦斯突出中,石門揭煤的平均突出強度較高[3],嚴重威脅礦井的安全生產。
現有的石門揭煤防突技術方法有很多,比如預抽瓦斯[4-6]、深孔預裂爆破[7-8]等,但采取以上措施,還存在兩個問題:一是揭煤進度緩慢[9],二是存在安全隱患。因此,為解決以上問題,提出了低溫凍結的方法[10-12]。翟成等[13]采取低場核磁共振技術對不同煤級的煤進行測試,指出褐煤、煙煤和無煙煤在低溫凍結石門揭煤過程中在凍結溫度相同時,褐煤的未凍水含量的降低程度最大;Yue Jiwei等基于人工凍結的方法,提出一種快速安全的石門揭煤綜合技術,主要包括四個步驟,即鉆孔、注水潤濕、瓦斯抽放和液氮注入凍結煤層。冷凍煤的力學性能有了很大的改善,抗壓強度和抗拉強度隨溫度的降低呈線性增加趨勢。
本文主要運用comsol軟件進行數值模擬,對不同時間和不同傳熱系數的煤巖進行鉆孔液氮冷凍,分析其傳熱規(guī)律及有效半徑,并探討布孔方式。
由于煤體的導熱系數非常低,因此,模型為邊長1 500 mm的正方體,在中心位置取直徑為100 mm的鉆孔,內部邊界給予恒定溫度T1=77 K,其余邊界給予溫度T2=303 K,導熱系數設定為λ=0.1,常壓熱容c=1 260 J/(kg·K),泊松比v=0.3,煤體密度1 450 kg/m3,模型如圖1所示。
圖1 模型
式中:λ為材料的導熱系數,W/(m·℃),負號“-”表示熱流密度矢量與溫度梯度的方向呈相反方向。
當λ=0.1時,7 d內鉆孔處溫度云圖如圖2所示。 由圖2可以看出:7 d內煤體鉆孔冷凍時,隨著天數的增加,鉆孔處溫度逐漸升高,但在傳熱過程中影響半徑非常小。7 d內鉆孔傳熱溫度變化規(guī)律如圖3所示,將溫度273 K以內看做是有效的影響區(qū)域,由圖3可知:在煤體鉆孔冷凍后,7 d內鉆孔傳熱溫度影響半徑分別為62 mm、85 mm、102 mm、115 mm、127 mm、138 mm、147 mm,但其相鄰天數之間的差值在逐漸減小,即增大速率逐漸減小。
圖2 7 d內鉆孔處溫度云圖
圖3 7 d內鉆孔傳熱溫度變化規(guī)律
7 d內不同導熱系數下溫度的徑向變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知:在相同時間下,隨著導熱系數的增大,鉆孔冷凍煤體的影響半徑也隨之增大。煤體鉆孔冷凍第1天,當導熱系數為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0時,影響半徑依次為62 mm、126 mm、172 mm、205 mm、232 mm;煤體鉆孔冷凍第2天,影響半徑依次為85 mm、172 mm、232 mm、276 mm、311 mm;煤體鉆孔冷凍第3天,影響半徑依次為102 mm、205 mm、276 mm、326 mm、365 mm;煤體鉆孔冷凍第4vd,影響半徑依次為115 mm、232 mm、311 mm、365 mm、401 mm;煤體鉆孔冷凍第5天,影響半徑依次為127 mm、255 mm、340 mm、393 mm、425 mm;煤體鉆孔冷凍第6天,影響半徑依次為138 mm、275 mm、364 mm、414 mm、440 mm;煤體鉆孔冷凍第7天,影響半徑依次為147 mm、294 mm、384 mm、429 mm、449 mm。
圖4 7 d內不同導熱系數的溫度變化規(guī)律
不同導熱系數下天數與影響半徑的關系如圖5所示。
圖5 不同導熱系數下天數與影響半徑的關系
由圖5可知:當傳導系數為定值時,隨著時間的增加,影響半徑呈冪指數增加,且相關系數達到0.999。同樣地,在相同天數下,隨著傳熱系數的增大,其影響半徑也隨之增大。
圖6 合理布孔方式
采用數值模擬方法對不同時間和不同傳熱系數的煤體傳熱變化規(guī)律進行研究,主要結論如下:
1) 在相同時間下,隨著導熱系數的增大,鉆孔冷凍煤體的影響半徑隨之增大,但增大速率呈遞減趨勢;
2) 當傳導系數為定值時,隨著時間的增加,影響半徑呈冪指數增加;