基于CFD模拟的巷道煤壁喷涂对瓦斯抽采影响研究*

2013-04-20 01:43成艳英林柏泉郝志勇李子文高亚斌
中国煤炭 2013年4期
关键词:煤壁漏风壁面

成艳英 林柏泉 郝志勇 李子文 高亚斌

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

1 我国煤矿瓦斯抽采存在的主要问题

煤矿瓦斯抽采是降低矿井瓦斯涌出量,防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施。同时,瓦斯作为一种非常规天然气,也是一种宝贵的能源财富。2011年我国煤层气 (瓦斯)产量首次突破百亿立方米,标志着煤层气产业进入了高速发展的初期阶段。虽然瓦斯产量大,但是抽采量不均衡、浓度波动大的现状造成了瓦斯充分利用难、瓦斯利用率低的现状。

导致我国煤矿瓦斯抽采效果差的主要原因来自两方面,一方面是煤层透气性低,煤层渗透率平均只有1.1974×10-18~1.1596×10-14m2,其中渗透率大于0.1987×10-15m2的仅占28%,而大于0.9187×10-15m2的极少;另一方面主要表现为抽采时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽采系统不匹配和管理不到位等。

针对煤层渗透率低的难题,经过国内外研究人员的努力,发明了钻孔卸压增透法、高能液体扰动卸压增透法和爆生气体扰动卸压增透法等,尤其是水力割缝、水力压裂等钻孔卸压措施增大了钻孔周围的渗透性,提高了裂隙之间连接率及单孔瓦斯抽采率,较好地解决了煤层渗透性问题。同时,随着封孔工艺及封孔材料的改进,钻孔封孔质量显著提高。然而,随着抽采时间的延长,抽采浓度普遍降低,一方面是因为瓦斯含量的减少;另一方面是由于瓦斯抽采过程中,巷道一侧空气从煤壁渗入钻孔,导致瓦斯浓度低。

煤矿巷道开挖过程中,应力重新分布,煤巷壁面产生大量裂隙。煤壁的裂隙与煤层内部的裂隙连通,成为空气混入煤层的通道。外部空气渗入钻孔示意图如图1所示。瓦斯抽采时,大量空气沿煤壁裂隙混入煤层,导致抽采负压损失,瓦斯抽采效率低。因此,解决瓦斯抽采效果差的关键是研究从煤壁渗入钻孔的外部空气,壁面喷涂能很好地解决空气从煤壁裂隙的渗漏,因此研究壁面喷涂对瓦斯抽采的影响势在必行。

图1 外部空气渗入钻孔示意图

2 模型建立

为研究壁面喷涂对瓦斯抽采的影响,结合现场本煤层瓦斯抽采钻孔布置情况,建立如图2所示几何模型,设置观察点A (2,27)。其中,煤层沿钻孔方向长100 m,沿钻孔径向长度50 m。钻孔位于煤层中间,角度为0°,长70 m,孔径89 mm,钻孔封孔长度为10 m。将模型充分简化,封孔段及抽采管均不画出。煤层给定多孔介质渗流边界条件,指定煤层渗透系数。钻孔孔口抽采压力为-20kPa,煤层压力为2 MPa。湍流计算选用层流模型,瓦斯在煤层中流动用多孔介质模型,设定煤层孔隙率为10%,其内部流动由达西公式确定。

式中:Δp——渗流压力降,Pa;

μ——气体的粘性系数;

k——渗透率,取决于煤层的几何结构,计算中煤层渗透率取2×10-17m2;

v——瓦斯流动速度,ml/s;

δ——瓦斯流过的距离,m。

图2 煤层瓦斯抽采几何模型

3 未喷涂巷道煤壁瓦斯抽采

根据实际经验,随着瓦斯抽采的进行,巷道气体会通过裂隙或者钻孔封孔段进入钻孔,假设钻孔封孔段密封性能良好,考察巷道一侧漏风情况。首先假设煤层巷道一侧自然漏风,即设置其压力出口值是0,设置煤层上、下、右边界为压力入口,如考察A 点瓦斯压力随抽采时间变化规律,选取有代表性点进行曲线拟合,如图3所示。该曲线显示A 点瓦斯压力呈现负指数规律下降,在16d以前A 点压力急剧降低,之后开始缓慢下降,在第26 d后降低为负值,开始向钻孔漏风,最后无限趋近于-20kPa。图3比较形象地说明刚开掘巷道煤壁壁面处瓦斯压力变化情况,在实际巷道掘进尤其是高瓦斯煤巷掘进过程中,要时刻注意巷道瓦斯变化情况。

图3 A 点瓦斯压力随抽采时间变化图

选取不同抽采时间段 (2d,4d,6d,10d,14d,60d)煤层瓦斯压力云图,见图4。从图4可以看出,在煤壁巷道侧自然漏风情况下,钻孔附近煤层瓦斯压力下降较快,压力梯度明显,瓦斯压力云图呈现倒钟状。随着抽采时间的延长,卸压范围增大,即抽采有效半径增大。巷道侧瓦斯被抽采管抽走的同时,也会向巷道涌出。随着抽采的进行,瓦斯压力进一步降低,巷道一侧煤层压力如呈现负压,说明外部气体通过煤壁向钻孔处漏风情况严重,有必要对巷道进行保护。

图4 未喷涂巷道煤壁漏风下瓦斯压力云图

4 喷涂巷道壁面瓦斯抽采

在巷道一侧煤壁采取保护措施即壁面喷涂情况下,考察煤层抽采瓦斯压力变化情况。将模型巷道一侧设为壁面,即假设巷道完全不漏风,考察A 点瓦斯压力随抽采时间变化规律,选取有代表性点进行曲线拟合,见图5。该曲线显示A 点瓦斯压力呈现明显指数规律下降,前25d下降迅速,后期下降缓慢,最后无限趋近于一个定值。说明在理想的壁面喷涂情况下,巷道壁面处瓦斯被钻孔抽采管逐步抽走,但是不会降低到零,说明了钻孔抽采能力有限,抽采半径不会随时间延长无限期增大。

图5 A 点瓦斯压力随抽采时间变化图

选取不同抽采时间段 (2d,4d,6d,10d,14d,60d)煤层瓦斯压力云图如图6所示。从图6可以看出,在巷道一侧煤壁采取保护措施、壁面完全不漏风的理想情况下,A 点位置瓦斯压力始终保持正值。瓦斯压力云图呈现椭圆状,下降速度变小。瓦斯抽采钻孔附近煤层瓦斯压力下降较快,在一定时间内,抽采时间越长,卸压范围越大,即钻孔抽采有效半径随着时间延长而变大,但是过了一定时间后,抽采有效半径会维持在一定范围内。

图6 巷道一侧煤壁完全密闭下瓦斯压力云图

在理想的壁面喷涂情况下,煤壁壁面完全不漏风,在一定期限内,抽采有效半径随时间延长而变大,煤层瓦斯抽采效果很好。然而,理想的煤巷壁面喷涂所用胶粘材料必须满足密封性、施工性、时效性、经济性、安全性、不可燃性、无腐蚀性等要求,而目前工程中常用的胶粘材料由于自身的缺点不能满足这些要求。并且在实际工作中,由于煤层地应力变化,巷道变形造成煤壁垮落,特别是在煤质较软情况下,破碎煤体容易脱落,导致喷浆效果不好。此外,壁面喷涂成本较高,造成了实际壁面喷涂应用的局限性,应当对壁面喷涂技术及工艺进行进一步的研究。

另外,受钻孔密封质量的限制,随着抽采的进行,钻孔封孔段因地应力变化产生裂隙,为外部气体进入钻孔提供了通道,造成瓦斯抽采负压不高、瓦斯抽采浓度过低,严重影响抽采效果,此时,应当增补其他措施以保证瓦斯抽采效果。

5 结论

(1)在巷道煤壁未采取喷涂措施进行瓦斯抽采过程中,瓦斯压力云图呈现倒钟状,巷道侧瓦斯被抽采管抽走的同时,也会向巷道涌出。随着抽采时间延长,最终变为负值,说明煤壁向钻孔处漏风情况严重。

(2)在巷道煤壁采取理想的喷涂措施,即喷涂状况完好下进行瓦斯抽采过程中,瓦斯压力云图呈现椭圆状,瓦斯抽采效果良好,在一定范围内,随着抽采时间的变长,抽采有效半径变大。因此,在实际瓦斯抽采工作中,壁面喷涂能够有效减少负压损耗,应当尽一切可能地进行壁面喷涂。

(3)在煤壁破碎严重等无法进行喷涂的地点,应当增补其他保证瓦斯抽采效果的措施。

(4)尽管模拟没有把裂隙带涵盖进去,但是还是说明了外部漏气的问题,考虑到煤体中裂隙发育的复杂性,模拟还是不能完全显示出真实的瓦斯流动情况,因此,笔者会着重通过现场的工业试验情况来对措施进行改进。

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