基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性

张迎新,　孙　浩

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022;2.黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司 双鸭山分公司, 黑龙江 双鸭山 155100)



基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性

张迎新1,孙浩2

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022;2.黑龙江龙煤矿业控股集团有限责任公司 双鸭山分公司, 黑龙江 双鸭山 155100)

煤矿采掘施工会破坏瓦斯在煤层中的平衡状态。为研究瓦斯在煤层中的流动规律,采用ANSYS有限元软件对煤层钻孔抽采瓦斯进行数值模拟,研究一定时间内钻孔周围的瓦斯压力分布,以及测点随时间变化的压力变化趋势。结合桃山煤矿42035工作面的实测数据与模拟结果进行对比。结果表明:钻孔周围测点的实测数值与模拟结果基本吻合,说明利用ANSYS温度场进行瓦斯渗流模拟可行。

钻孔抽放; 渗流场; 温度场; 瓦斯压力分布

0　引　言

因地质因素影响,瓦斯在煤层中赋存情况复杂,由于能量守恒,在煤层中各种应力的作用后,瓦斯压力均匀分布,可以达到一个平衡状态。但是,在这种平衡遭到采掘等施工破坏时,会使瓦斯从煤体或岩体内突然抛出,产生瓦斯突出等动力现象[1]。煤层中的瓦斯压力分布和采掘时瓦斯压力的重新分布,对于煤与瓦斯突出有重要影响[2]。笔者利用全球最大的CAE软件ANSYS的热力学模块,建立计算模型,对瓦斯在煤层渗流过程中的压力进行模拟,探讨瓦斯在煤层中的流动规律。

1　瓦斯在煤层中的流动规律

煤体是一种多孔介质,瓦斯赋存于煤层中,假定煤层中的瓦斯渗流过程满足达西定律;瓦斯的吸附满足朗缪尔方程并且瓦斯在流动过程中为理想气体不受重力和温度影响[3]。那么,根据流体在多孔介质中的菲克扩散定律和达西渗透定律[4],可知

(1)

式中:D——煤粒扩散系数;

R——煤粒的半径,m。

(2)

式中:p——储层某一位置瓦斯压力平方;

p0——原始瓦斯压力平方;

pb——煤粒或孔壁表面处瓦斯压力平方;

L——钻孔周围径向流场有限长度。

联立式(1)、(2),得出钻孔周围煤体中的瓦斯扩散渗透数学模型。文中主要以钻孔抽采瓦斯的流场为二维平面流动有限流场,因此

(3)

其中kx、ky为二维煤质中的不同方向的渗透率;U=p2;φ(U)为压力的拉普拉斯方程。

根据热力学的热传导定律[5],二维平面中热传导方程表示为

(4)

其中λx、λy是二维介质中不同方向的导热系数;T为温度;φ(T)决定于材料的密度与热容。

由式(3)和(4)可以看出,在二维平面中,控制瓦斯渗流和温度传递的微分方程相似。根据方程的对比,在模拟过程中需要做出换算。表1列出了温度场与渗流场的物理量和单位。

表1中瓦斯的透出系数指A单位煤体中瓦斯压力下降1 MPa时,所释放的瓦斯量。

表1　瓦斯温度场与渗流场的物理量

2　计算模型的建立

以桃山煤矿三水平三采79#左七片煤层42035工作面为研究对象,走向115°～145°,倾向205°～234°,倾角22°～25°,平均23.5°,产状稳定。煤层最厚为1.3 m,最薄为0.99 m,平均厚1.2 m,煤层瓦斯的吸附常数为28.775;瓦斯压力2.2 MPa;孔隙率13.7%。煤层厚度比较稳定,直接顶岩性以粉细砂岩互层为主,次之为细砂岩,平均厚为2.10 m,老顶为细砂岩,平均厚1.95 m。

各类岩石的饱和抗压强度为:细砂岩24.7～69.8 MPa,粉细砂岩互层15.7～38.2 MPa。即为中等稳定性底板,生产中易于维护和管理。采用该煤层瓦斯抽放,煤层的各项物理参数为：密度1 600 kg/m3，瓦斯压力0.96 MPa，抽放负压0.02 MPa,单位瓦斯质量体积22 m3/t,钻孔直径0.096 m,瓦斯的透出系数A15 m3/MPa,渗透系数k0.8 m2/(MPa2·d)。

确定合理的计算范围非常重要,理论上,区域越大效果越理想。结合模拟计算的特点,瓦斯抽放半径的影响因素以及现场的钻孔条件,建立二维有限模型。同时作如下假设[6]:

(1)模拟的工作面煤层各向是连续的,同性的。煤体中的特殊地质构造不作考虑。

(2)除钻孔周围以外的煤层的透气性不随瓦斯压力的变化而变化。

(3)煤层中的瓦斯视为理想气体,渗流时瓦斯的温度不变。

(4)瓦斯从煤体中解吸是一个瞬态的过程,并且瓦斯吸附服从Langmuir方程。

(5)瓦斯在储层中的渗流和扩散符合达西定律。

取垂直钻孔单位厚度的截面为二维模拟模型,钻孔位于模型的中心处,模型取10 m×10 m的正方形。采用ANSYS自带的单元格划分单元格类型为四节点PLANE55。模拟分析90 d内钻孔周围瓦斯压力的变化。

3　模拟结果与现场测试对比

通过模拟分析,运用ANSYS的时间历程后处理POST26(Time Domain Postprocessor),可以查看距离钻孔各个测点瓦斯压力随抽采时间的变化趋势。

为了跟现场测试进行对比,对于距离钻孔0.5、1.0、1.5、2.5 m处分别进行POST26时间历程的后处理,90 d内测点瓦斯压力随时间的变化结果如图1所示。

图1　钻孔周围测点瓦斯压力随时间变化

通过图1中的4条曲线可以明显看出各测点的瓦斯压力变化趋势,以及90 d内的瓦斯压力降低值。需要指出的是,由于是用热力学的温度场对渗流场进行换算模拟,所以模拟出的4条曲线的纵坐标是瓦斯压力的平方。在实际输出时,读出的值要进行开方处理才能得出瓦斯压力的真实值。

由图1的4条曲线可以看出,在距离钻孔越远的测点,瓦斯压力随时间的变化率越小。并且越远的测点瓦斯压力下降的值也越小。距离钻孔0.5 m处的瓦斯压力在90 d时降至0.7 MPa;而距离钻孔2 m以外,90 d内的瓦斯压力并没有降至0.9 MPa以下。表2是现场实测数据。

表2　现场实际测定值

由于煤层地质条件和周围开采扰动的影响,在测定煤层瓦斯压力时起伏较大,难以实现连续准确的测试,所以采用相对压力指标法测定钻孔周围的瓦斯压力[7]。

根据实测数据和图1各值的对比可以发现,实际测定与模拟值基本吻合。为了进一步说明利用ANSYS温度场模拟瓦斯渗流的可行性，将现场实测值绘制图与模拟结果进行对比。由实测值绘制瓦斯压力变化趋势如图2所示。各测点模拟结果如图3所示。

图2　各测点随时间的变化趋势

图3　各测点模拟结果

根据图2和3的对比可以看出,钻孔周围测点的实际测值在90 d内的变化趋势和模拟的结果基本吻合。其中图3的纵坐标是瓦斯压力的平方,所以其与图2中的纵坐标不一致。但是经过换算之后,不难发现这两个曲线图的变化趋势是相同的。由此可以得出拉普拉斯方程能够控制渗流问题和热分析问题,在解决渗流问题上可以采用热分析进行换算。

4　结束语

基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性研究,以气态瓦斯在煤层中的流动数学模型为理论基础,通过对瓦斯在煤层中的达西定律和菲克定律推导出其流动数学方程,并对拉普拉斯方程和边界条件分析,发现渗流过程和热力学的能量传递过程的相似性。以ANSYS有限元软件的热力学模块,建立钻孔抽采瓦斯的数值模型,对钻孔周围瓦斯压力的分布随时间的变化进行模拟。模拟结果和现场的实际测定数据进行对比分析,证明运用ANSYS温度场来模拟煤层瓦斯渗流场可行。在现场的实际应用时,可以根据实际的抽采方案,通过ANSYS模拟,由模拟结果来确定钻孔抽放瓦斯的各项数据,使施工过程中的瓦斯抽放参数更加合理,避免钻孔影响空白带和重复带,在提高瓦斯抽放率的基础上,降低瓦斯抽放的成本,达到促进煤矿安全生产的目的。

[1]周世宁, 林柏泉. 煤层瓦斯赋存与流动理论[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999.

[2]高启林, 周泽, 周晓刚. 开滦矿区唐山煤矿瓦斯涌出规律及其预测[J]. 黑龙江科技学院学报, 2013, 23(2): 115-119.

[3]孙培德, 万华根. 煤层气越流固-气耦合模型及可视化模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(7): 1179-1185.

[4]张媛媛. ANSYS 在土坝渗流场和应力场及其耦合分析中的应用研究[D]. 南京: 河海大学, 2006: 22-37.

[5]杨夺, 张忠成. 基于ANSYS的瓦斯抽放时间及钻孔间距的分析[J]. 矿业安全与环保, 2012, 39(2): 73-76.

[6]郭守泉, 张宏伟, 蒲文龙. ANSYS在柔掩支架变形特性分析中的应用[J]. 黑龙江科技学院学报, 2004, 14(5): 273-276.[7]易丽军. 突出煤层密集钻孔瓦斯预抽实验室与数值实验研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2008.

(编辑徐岩)

Feasibility study of coal seam gas pressure simulation based on ANSYS temperature field

ZHANGYingxin1,SUNHao2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Shuangyashan Branch, Heilongjiang Longmay Mining Holding Group Co.Ltd., Shuangyashan 155100, China)

Aimed at investigating the variation law of the gas flow in coal seams, vulnerable to the destruction of the balanced state for gas by the construction of coal mining, this paper discusses the simulation of gas drainage using drilling on coal seam by the ANSYS and study on the gas pressure distribution around the drilling within a certain period of time and the trend to the pressure change in measuring point over time. The combination of observational data of the 42035 face in Taoshan mine with the simulation results show that the measuring value for measured points around drilling are basically consistent with the simulation results, proving the feasibility of gas seepage simulation using the ANSYS temperature field.

drilling drainage; seepage field; temperature field; distribution of gas pressure

2013-06-10

黑龙江省科技攻关重大项目(GA04A501)

张迎新(1978-),男，黑龙江省海伦人，副教授，硕士，研究方向：瓦斯深部抽采与治理、矿井通风，E-mail:zhangyingxin01@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.004

TD712

1671-0118(2013)04-0333-04

A