利用瓦斯抽放提高注水效率的相似模拟研究

司爱忠

（晋煤集团天安公司，山西晋城 048000）

利用瓦斯抽放提高注水效率的相似模拟研究

司爱忠

（晋煤集团天安公司，山西晋城 048000）

长期以来，为了经济有效的抽采煤层中的瓦斯，顺煤层开采的研究与实践已经取得了突破。然而，在完成抽采任务后瓦斯抽放钻孔就直接废弃，造成很大的浪费。在经济、合理、高效的前提下，曙光煤矿根据具体情况对煤层注水做了相似模拟研究，并且指导了煤层注水的具体实践。结果表明，利用瓦斯抽放钻孔进行煤层注水，不仅可以很大程度上减少钻孔的浪费，而且注水效果非常理想。

瓦斯抽采；煤层注水；相似模拟；曙光煤矿

曙光煤矿位于山西省中部，属于吕梁地区孝义市管辖，隶属于山西省汾西矿业（集团）有限责任公司。总体展布为北北东向，长约140 km，宽45 km，面积达6 300 km2，是组成吕梁山块隆的主体构造之一，广泛发育石炭、二叠系含煤地层，产状平缓，倾角一般小于15°，两侧出露奥陶系中统地层，西部较宽广，东部较狭窄，零星。汾西矿业集团曙光矿矿井瓦斯等级鉴定：矿井绝对瓦斯涌出量为41.01 m3/min（抽采量17.56 m3/min，风排量23.45 m3/min），相对瓦斯涌出量为20.11 m3/t，属于高瓦斯矿井。

1 工作面瓦斯抽采技术参数

根据煤科总院沈阳研究院给曙光矿所做的瓦斯涌出量预测和瓦斯抽采设计，1214工作面走向长度1 970 m，可采长度1 392 m，倾斜长度200 m。钻孔间距6 m，故需在材料巷布置本煤层顺层钻孔232个；另外在每个钻场内施工本煤层钻孔2个，一共42个；总计本煤层钻孔274个，钻孔直径95 mm，钻孔深度180 m，抽采瓦斯负压13 kPa。钻孔深度180 m为设计深度，由于钻机问题钻进困难实际钻孔施工深度80 m，计算注水参数时钻孔深度均取80 m。1214材料巷部分钻孔施工参数，如表1所示。

表1 1214材料巷部分钻孔施工参数

21214 工作面煤层注水模拟研究

根据煤层可注水性判定规则，1214工作面测定的数据完全符合国家安全生产监督管理总局发布的中华人民共和国煤炭行业标准（MT/T1023-2006）中煤层可注水标准。

通常，渗流问题[1]的数学模拟都是通过求解渗透压头的拉普拉斯方程来进行计算求解，而为了利用fluent软件强大的计算能力及其前后处理功能，我们通过在一般流体力学控制方程的基础上增加渗流阻力系数的方法，以源项的形式加入到Fluent软件的求解器中，实现对水渗流的数值模拟，并采用求解自由面的VOF多相流法对水在煤层中浸润面扩展的计算模拟。

假设前提：a.煤层均质，且各向渗透率相同。b.瓦斯、水均为不可压缩流体。c.不考虑煤层瓦斯对水渗流的阻滞效应。

为简化计算，仅对钻孔注水传播规律进行二维研究，选取钻孔水平截面为研究平面，选取钻孔末端区域为研究区段，简化后的注水几何模型，见图1。

为减小模型畸变度，模型采用结构化网格划分方法，采用四边形网格对模型进行划分，并在钻孔处进行加密处理，模型结构化划分，见图2。

图1 注水几何模型

图2 模型结构化划分

1214 工作面煤层原始含水量3.6%，注水压力5 MPa，瓦斯压力0.38 MPa，压差4.62 MPa，煤层渗透率1.5×10-3um2，钻孔直径0.095 m，模型长×宽= 12 m×10 m，钻孔区段长度6 m。模拟结果如下：

1）钻孔注水过程中水的流动状态。

在钻孔内注水高压的作用下，水流通过煤层中的孔隙与裂隙向钻孔周围的煤层中缓慢运移，受煤层低孔隙率的影响，水在煤层内只能保持层流状态[2]。图3为注水稳定时候钻孔周边水流速度。从图3中我们可以看出，水流速度分布主要集中在钻孔周边较小的范围内，大小基本在10-4数量级上，且越靠近煤层内部水流速度越小，这一方面是因为钻孔周边的压力差最大，同时钻孔对周边的破坏也使得钻孔周边的煤层较为破碎，煤层渗透率提高。

图3 注水稳定时候钻孔周边水流速度

2）湿润半径随着注水时间的变化。不同时刻钻孔周边煤层内水分含量分布，见图4。

图4 不同时刻钻孔周边煤层内水分含量分布

由图4我们可以清楚地看出，随着注水时间的延长，水流通过钻孔逐渐向四周煤层内渗流，且径向运移距离要大于轴向运移的距离。当注水时间到48 h时，钻孔的径向的润湿半径已经超过6 m了，忽略注水时效问题，那么这样的注水效果已经满足要求。图5展示了钻孔径向轴线上润湿边界的随时间的运移过程，由于模型未考虑煤层所占体积比，因此，图中的含水率[3]可以看成是煤层内水分的饱和程度，饱和度为1，表示该处煤已经完全被水浸润，无法再吸收水分了。

图5 不同时刻钻孔径向轴线1上水分含量分布曲线

利用瓦斯抽采钻孔煤层注水，最终瓦斯抽采量与煤层注水量统计表，如表2所示，最大的特点是注水实际用的时间远远低于设计时间，这在以前的煤层注水实践中是从未有过的现象，说明注水速度加快了，注水容易了。

表21214 材料巷部分钻孔瓦斯抽采与注水统计表

不仅如此，本文还对注水前后的工作面煤尘浓度进行了对比，对比结果，如表3所示。

由表3数据可以看出，经过煤层注水后，工作面产尘量大幅度下降，产尘地点降尘率提高比较明显，尤其是在割煤和移架过程，总粉尘浓度降尘率[4-5]达70%以上，效果明显，能极大的降低工作面的产尘量，对保护员工身体健康非常有利。达到了预期目的。加之完善其他防尘、降尘措施，加强了监督检查，使得工作面粉尘浓度降到有史以来的最低水平，基本满足了煤矿安全规程的要求，达到了降低尘肺病发病率的目的。

3 结束语

1）在原有的瓦斯抽放管路的基础上进行煤层注水，注水效果明显，湿润效果达到理想程度。

2）共用钻孔湿润后的煤层降尘率达70%以上，效果非常明显。

3）利用瓦斯抽放管路进行煤层注水，不仅节省了巨额成本，而且提高了注水效率，在本矿有很高的可行性。

[3]高鲁，康天合，鲁伟.水压、围压、浸泡时间对煤体含水率影响的试验研究[J].山西煤炭，2010（3）：43-45.

[4]常健.恒源公司采煤工作面短钻孔注水技术实践[J].煤矿安全，2007（6）：14-15.

[5]陈学习，傅贵.“三软”煤层综放工作面注水防尘效果考察及分析[J].华北矿业高等专科学校学报，1999（4）：16-20.

Simulation Study on Water Injection Efficiency by Gas Drainage

SI Aizhong
(Tian'an Co.,Ltd.,Jincheng Coal Group,Jincheng 048000,China)

To realize economical and effective gas drainage,research and practice of mining along coal seam have made some progress.However,it is wasteful if boreholes are directly discarded after the gas drainage.On the premise of economy,rationality,and efficiency,a simulation study was conducted on water injection in Shuguang mine,which have guided the practice.The results show that using boreholes of the gas drainage to inject water could greatly reduce their waste and the injection effect is ideal.

gas drainage;coal seam water injection;similarity simulation;Shuguang Mine

TD712

A

1672-5050（2015）03-0024-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.009

（编辑：武晓平）

2015-03-09

司爱忠（1968-），男，山西高平人，大学专科，工程师，从事煤矿一通三防技术研究及煤矿管理工作。