高位钻孔瓦斯抽采技术的模拟与实践∗

李 佳 熊晓峰 张 煜 刘 钰 代双成（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083）



高位钻孔瓦斯抽采技术的模拟与实践∗

李 佳 熊晓峰 张 煜 刘 钰 代双成
（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083）

摘要为了研究高位钻孔抽采效果,以曙光矿1208工作面为背景建立采空区瓦斯运移模型,使用FLUENT数值模拟软件对抽采前后工作面及采空区瓦斯运移规律进行数值模拟。结果表明:抽采前工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度分别达到1.2%和1.3%;抽采后,上隅角瓦斯浓度为0.68%,工作面瓦斯浓度维持在0.6%左右,钻孔周围和工作面附近形成了低瓦斯浓度带,证明高位钻孔能有效抽采采空区瓦斯。经现场实践,实测1208工作面和上隅角瓦斯浓度分别在0.2%和0.4%上下波动,工作面瓦斯浓度得到有效控制。

关键词高位钻孔 瓦斯抽采 数值模拟 上隅角 瓦斯浓度

随着矿井开采向深部发展和工作面产量的增加,工作面瓦斯涌出量也随着增加,只使用传统风排手段已不能有效治理工作面瓦斯,为了控制工作面尤其是上隅角瓦斯浓度,保证工作面安全生产,需要采取合理的瓦斯抽采措施。

目前,瓦斯抽采理论和方法逐渐完善,针对单一煤层的瓦斯抽采方法主要有采前预抽和随采随抽,采前预抽方法主要有煤层顺层钻孔抽采和地面钻孔抽采,随采随抽方法主要有高位钻孔抽采和走向高抽巷抽采。笔者针对高位钻孔瓦斯抽采效果使用FLUENT数值模拟软件进行研究,并在曙光矿1208工作面进行现场实践。

1　工程背景

曙光矿隶属于山西省汾西矿业（集团）有限责任公司,矿井采用走向长壁后退式开采,全部垮落法管理顶板,主采2＃、3＃煤层。1208工作面开采2＃煤层,煤层平均厚度3.0 m,结构简单,大部分稳定可采,工作面长120 m,绝对瓦斯涌出量为5.56 m3/min,煤层透气性系数0.725538 m2/ （MPa2·d）,煤层钻孔自然瓦斯流量衰减系数0.38545 d－1,属于较难抽采煤层。根据相邻1210工作面在回采期间的瓦斯涌出情况及涌出规律,预计1208工作面本煤层瓦斯涌出量约占工作面总涌出量的15%左右,采空区瓦斯涌出量约占85%。根据要求,绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min或者用通风方法解决瓦斯问题不合理的采煤工作面必须完善瓦斯抽采系统,故在回采过程中需进行瓦斯抽采。

2　采空区瓦斯运移的控制方程

瓦斯在采空区中的流动属于低速流动,由于其流动速度较低,且不考虑热交换,故将其视为定常不可压绝热流动。将采空区视为多孔介质,采空区内的气体流动过程遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,这些守恒定律的数学描述就是控制方程,方程组的具体形式如下。

质量守恒方程:

式中:ρ——密度,kg/m3;

t——时间变量,s;

u——速度矢量,m/s; ux、uy、uz——u在x、y、z方向上的分量。

动量守恒方程:

式中:p——压力,Pa;

Fi——体积力,N。

其中式（1）是质量守恒方程即连续性方程,式（2）是动量守恒方程即N－S方程,由于不考虑采空区气体的热交换故而省略能量守恒方程。

3　曙光矿1208工作面的数值模拟

3.1高位抽采钻孔位置的确定

根据计算垮落带和裂隙带的经验公式,结合1208工作面顶板岩层条件,选用中硬岩层计算公式。

垮落带:

裂隙带:

式中:Ht——垮落带高度,m;

Hd——裂隙带高度,m;

M——回采厚度,m。

将曙光矿1208工作面煤层厚度3m代入式（3）、（4）,得垮落带高度为（11.9±2.2）m,取14 m;裂隙带高度为（35.7±5.6）m,取31 m。

根据计算得出的垮落带与裂隙带高度,在1208工作面裂隙带中布置高位、中位、低位走向抽采钻孔各3个,终孔高度分别为30 m、24 m、18 m,终孔位置距回风巷顶板水平距离分别为20 m、15 m、10 m。

3.2计算模型的建立

以1208工作面为背景,根据采空区划分的上三带和横三区理论建立的采空区模型尺寸360 m× 120 m×31 m（长×宽×高）,进回风巷道尺寸为20 m×4 m×2.5 m（长×宽×高）,工作面尺寸为120 m×3 m×3 m（长×宽×高）。钻孔直径100 mm,为简化建模过程,钻孔确定终孔位置后水平布置,终孔位置由前述计算结果得出。模型原点为进风巷底面与工作面底面与进风巷模型边界面交点,沿进风方向为X轴正方向,沿工作面风流方向为Y轴正方向,沿竖直方向为Z轴正方向,建立坐标系,如图1所示。

建立的采空区模型在Z轴正方向上为垮落带高度14 m,裂隙带高度31 m,在X轴正方向上为自然堆积区20 m、载荷影响区100 m、压实稳定区240 m。采空区视为多孔介质,由于采空区深部垮落的岩石被逐渐压实,因而孔隙率由坐标原点向X轴正方向和Z轴正方向逐渐减小,各区域孔隙率见表1。

图1　采空区计算模型

表1　采空区孔隙率

1208工作面本煤层瓦斯涌出量约占工作面总涌出量的15%左右,采空区瓦斯涌出量约占总涌出量的85%,其中本煤层瓦斯涌出量取5.56 m3/min,1208工作面瓦斯涌出源项为5.4× 10－6kg/（m3·s）。采空区瓦斯涌出量取31.5 m3/min,采空区各部分瓦斯涌出源项见表2。

表2　采空区各部分瓦斯涌出源项kg/（m3·s）

进风巷为速度入口,风速为2 m/s,回风巷为自由流出。钻孔入口为压力入口,出口为压力出口,抽采负压35 k Pa。

3.3模拟结果分析

将抽采前后工作面及采空区瓦斯浓度分布规律进行对比,分析高位钻孔抽采前后采空区瓦斯运移规律及抽采效果。在采空区内取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3个截面,通过处理获得抽采前后3个截面上瓦斯浓度分布,并进行了对比分析。

图2是抽采前后工作面及采空区瓦斯浓度分布截面图（Z＝0.5 m）,从图中可以看出,抽采前后采空区内瓦斯分布均呈现沿走向由工作面向采空区深部瓦斯浓度逐渐增高的规律,这是由于邻近工作面采空区内垮落的岩石孔隙空间较大,漏风流速较高,其中的瓦斯稀释和运移程度较高,而采空区深部岩石被压实,孔隙率、渗透率逐渐减小,工作面漏风风流不能对其产生影响,遗煤释放的瓦斯得到聚集,使得其内的瓦斯浓度较高;抽采前,采空区内高浓度瓦斯距离工作面较近,高浓度瓦斯在漏风风流的作用下被带向工作面上隅角附近并涌出,工作面上隅角和回风巷中瓦斯浓度分别达到1.2%和1.3%,导致上隅角和回风巷瓦斯浓度大于《煤矿安全规程》规定的1%的安全生产上限;抽采后,采空区内瓦斯浓度大幅降低,在抽采负压作用下,工作面附近的高浓度瓦斯被抽出,使得涌入工作面的瓦斯量减少,工作面瓦斯浓度降低。工作面上隅角和回风巷中瓦斯浓度分别为0.62%和0.68%,工作面瓦斯浓度在0.6%左右,均未超限。

图2　抽采前后工作面及采空区瓦斯浓度分布水平截面图（Z＝0.5 m）

图3　沿Z轴工作面及采空区抽采前后瓦斯浓度分布截面图

图3是在模型竖直方向上取Z＝0.5 m、15 m、30 m的3个截面得出抽采前后工作面及采空区瓦斯浓度分布图。由图3中可以看出,抽采前,工作面漏风风流仅能影响较小的范围,在漏风流的作用下,邻近工作面处采空区内瓦斯被压向采空区深部,部分瓦斯被漏风流带入工作面,采空区深部及裂隙带内瓦斯基本不受工作面漏风风流影响,由于瓦斯的升浮效应使得裂隙带内的瓦斯浓度最高;抽采后,工作面及采空区内瓦斯浓度降低,在钻孔抽采负压的作用下,原本涌入到工作面上隅角的瓦斯被抽出,使得工作面瓦斯浓度降低。钻孔周围采空区内的瓦斯被不断抽走,抽采负压使采空区深部瓦斯流向钻孔并被抽出。相比于抽采前,邻近工作面采空区和钻孔附近形成了一个低浓度瓦斯带,说明抽采钻孔可以有效地抽采采空区瓦斯,减少向工作面的涌出。

在X＝3.5 m、Y＝198 m（采空区内靠近上隅角）处取一条竖直线,将抽采前后直线上瓦斯浓度分布绘制成如图4所示曲线。

图4　抽采前后上隅角与采空区交界Y＝198 m处瓦斯浓度分布

由图4可知,抽采前,采空区内瓦斯浓度随高度增加而增加,垮落带内瓦斯受漏风风流和升浮效应影响瓦斯浓度较低,裂隙带内瓦斯浓度最高,达65.6%;抽采后,采空区内瓦斯浓度大体上随高度增加而增加,但距底板高度20 m以下时瓦斯浓度较低,只有0.6%左右,这主要是由于钻孔将采空区上部裂隙带内的瓦斯抽出,使得采空区中下部瓦斯上浮至裂隙带内钻孔周围;抽采后裂隙带内瓦斯浓度最高只有23.3%;抽采后采空区靠近工作面处瓦斯浓度大幅降低,采空区底板至钻孔附近形成了低瓦斯浓度带,高位钻孔抽采效果显著。

4　现场应用

4.1抽采参数

1208材料巷全长1973 m,每60 m布置一个钻场,共计26个,钻场长4 m,宽4 m,高度与巷道高度相同。为提高工作面的瓦斯抽采效果,确保工作面的安全生产,顶板高位钻孔在钻场内呈扇形布置（即朝工作面切眼方向）,钻场内施工9个裂隙带钻孔,每个钻场内布置高位裂隙带钻孔、中位裂隙带孔、低位裂隙带孔各3个,高位裂隙带、中位裂隙带、低位裂隙带钻孔终孔高度分别为30 m、24 m、18 m,钻孔深度分别为136 m、134 m、132 m,水平为上隅角向工作面方向覆盖20 m范围。钻场、钻孔布置形式如图5所示,钻孔参数见表3。

图5　钻场、钻孔布置形式

表3　钻孔参数表

4.2抽采效果分析

为检验高位钻孔抽采效果,从2014年7月31日起在1208工作面进行了为期一个月的监测,将数据整理成如图6所示的工作面瓦斯浓度曲线。

图6　工作面各部分瓦斯浓度

由于工作面开采伴随着周期来压,而周期来压必然会导致工作面瓦斯浓度出现波动,因而工作面瓦斯浓度始终处于动态变化中。由图6可知,监测初期,工作面可能受周期来压影响,瓦斯浓度较高,且波动幅度较大,期间上隅角瓦斯浓度最高为0.48%,回风瓦斯浓度最高为0.36%,工作面瓦斯浓度最高为0.34%。监测后期工作面瓦斯浓度趋于稳定并在0.2%上下波动。

整个监测周期内,工作面瓦斯浓度均呈现出由进风侧向回风侧瓦斯浓度逐渐增高的规律,且上隅角瓦斯浓度最高。实测上隅角瓦斯浓度在0.4%上下波动。通过高位钻孔瓦斯抽采,1208工作面与材料巷瓦斯浓度始终控制在1%以下,上隅角也始终未超限,高位钻孔抽采瓦斯能有效控制工作面瓦斯浓度。

5　结论

（1）使用经验公式计算得到1208工作面垮落带和裂隙带高度分别为14 m、31 m,确定了高位钻孔的终孔位置。

（2）通过FLUENT数值模拟软件对1208工作面抽采前后工作面及采空区瓦斯浓度分布进行模拟,结果表明,抽采后工作面及上隅角瓦斯浓度得到有效控制,采空区瓦斯浓度亦大幅降低,高位钻孔抽采效果显著。

（3）在1208工作面布置了抽采钻场并进行了为期一个月的工作面瓦斯浓度监测,结果表明,工作面瓦斯浓度趋于稳定后在0.2%上下波动,上隅角瓦斯浓度在0.4%上下波动,高位钻孔能有效治理工作面上隅角瓦斯超限问题。

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［9］张伟.综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究［D］.西安科技大学,2008

（责任编辑张艳华）

Numerical simulation and practice of gas drainage technology using high level borehole

Li Jia,Xiong Xiaofeng,Zhang Yu,Liu Yu,Dai Shuangcheng

（College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

AbstractTo study the gas drainage effect using high level borehole,the model of goaf gas migration based on the 1208 working face of Shuguang Coal Mine was constructed using the FLUENT software and the law of gas migration of working face and goaf before and after gas drainage was numerically simulated.The numerical simulation results show that the gas concentration of return corner and return roadway of working face before gas drainage is 1.2%and 1.3%respectively,and after gas drainage the gas concentration of return corner of working face is 0.68%,and the gas concentration of working face maintains about 0.6%,low gas zone is formed near the working face and around the borehole,which proves the high level borehole can effectively drain the gas of goaf.The numerical simulation results were applied in field practice, and the surveyed gas concentration of 1208 working face and return corner fluctuated at 0.2%and 0.4%respectively,which showed that the gas concentration of working face could be effectively controlled using the gas drainage of high level borehole.

Key wordshigh level borehole,gas drainage,numerical simulation,return corner,gas concentration

中图分类号TD712.6

文献标识码A

基金项目:∗中央高校基本科研业务费资助项目（2011YZ05）

作者简介:李佳（1991－）,男,河南新乡人,在读硕士研究生,主要从事放顶煤及矿山压力与岩层控制方向的研究。