7151综采工作面煤层注水效果模拟研究

2015-05-08骆大勇

江西煤炭科技 2015年4期

骆大勇

（重庆工程职业技术学院，重庆402260）

煤层注水是指用水预先湿润煤体的一种减尘方法〔1，2，5〕，即煤体在开采之前，在煤体内打若干钻孔，通过钻孔向煤体注入压力水，水均匀分布于煤层中的无数细微的裂隙和孔隙之中，使其渗入煤体内部，增加煤层水分，在开采时降低煤尘。合理的注水参数是决定注水效果的关键，而煤层注水效果影响的因素纷繁复杂。因此，选择合理的煤层注水参数既重要，但又十分困难。利用Fluent数值模拟软件对7151综采工作面煤层注水效果进行了模拟研究，模拟结果与实际情况基本吻合，说明可以通过数值模拟方法选择合理的煤层注水参数。

1 Fluent软件简介

Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体／六面体／金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许根据具体情况对网格进行修改（细化／粗化）。Fluent是用C语言写的，具有高效、灵活的特点。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。

2 水在煤体的流动规律

煤层是裂隙—孔隙发育的多孔介质，水在煤层中流动符合Darcy定律，假设水在裂隙中流动满足Darcy流〔3－4〕，则对于各向异性介质的二维流动，Darcy定律为：

式中：q为比流矢量，I为水力坡度矢量，也称水头梯度，K为渗透系数，是二秩对称张量。它在二维情况下可表示为：

在均质各向异性介质中，对于某一坐标轴方向的流动分量，不仅与同方向的水力坡度Ix要作出贡献，其它方向的水力坡度Iy也要作出贡献。此时的流速方向与水力坡度方向不一致。以此建立水在煤体流动的数学模型。

3 7151采煤工作面概况

3.1 工作面地质概况

7151综采工作面位于姚桥煤矿东四下山采区东翼，工作面走向长1150m。工作面平均倾斜长度172m。该工作面采7＃煤层，煤层赋存平缓，地质构造比较简单，基本上为单斜构造。煤层平均厚4.98m，煤层倾角9°。采用长壁后退式分层回采，上分层采高2.4m，下分层采高2.4 m。全部冒落法管理顶板。煤层的天然水份为2.5%左右。煤的真、假密度、坚固系数、有效孔隙率等有关参数的实验测定结果见表1。

表1 煤层物理特征测定结果

3.2 煤层注水参数设计

注水方法采用长钻孔、静压注水，钻孔深度设计140 m。由于设备的限制及考虑到钻孔达到一定数值后，对实验的结果影响不大，故钻孔长度为50m。钻孔倾角8°～9°，钻孔的直径70mm。钻孔位置在工作面回风巷煤层中部，平行于工作面，注水钻孔间距15～25m；注水压力1.0～3.0MPa，注水量1.73m3／m，注水速度20L／min，注水累计时间142小时。采用TXU－75型钻机钻孔。采用封孔器封孔，封孔深度大于5m。注水孔开始注水超前工作面的最小距离为70m，注水超前回采时间最少为35天。

4 数值模拟

4.1 计算区域确定

根据煤层注水钻孔布置的特点，取垂直钻孔单位厚度煤体作为研究对象，但考虑到钻孔注水湿润区域的相互影响，所以采用单钻孔注水效果模拟和双钻孔注水效果模拟。钻孔的渗透区域一般包括煤层，顶、底板的岩石部分。根据煤层的特点，钻孔注水的计算区域见图1。

图1 数值模拟计算区域

4.2 数值模拟结果

数值模拟结果见图2、图3。由模拟结果可以看出在垂直煤层的层面上，煤体的湿润范围呈椭圆形。随着注水时间的延长，湿润半径不断增加。当注水时间达到一定时间后，注水模拟的等压线、等速度线不再变化。这说明当注水时间达到一定值后，煤层注水的湿润半径不再增加。采用多孔注水时，孔间距既不能过大，也不能过小，过大孔间不能充分湿润，过小钻孔互相影响，影响注水效果。

图2 注水1小时后的等速度

图3 注水100小时后的等速度

5 注水实际结果

现场实验注水后煤体水份增量测定结果见表2。煤层注水后，注水孔两侧沿走向的湿润范围基本上相对称。沿倾斜方向压力水向下渗透的长度是不一致的，在注水孔附近，向下渗透的距离较长，而随着距注水孔距离的延长，向下渗透的距离越来越短。在垂直煤层的层面上，煤体的湿润范围呈椭圆形。煤层注水后煤体的湿润范围是以注水孔为中心轴的锥状椭圆体。由此可见，模拟结果与实验结果基本吻合。