马兰矿02#层预抽钻孔抽采负压优化的数值模拟

关键词：预抽钻孔;矿井;抽放负压;抽采量;管道

随着矿井开采强度的增大和开采深度的增加，瓦斯事故日益增多，特别对于高瓦斯矿井，当工作面瓦斯浓度超过0.8%时，工作面瓦斯传感器将会报警，若瓦斯浓度继续增加，则有可能发生瓦斯爆炸等严重安全事故。所以瓦斯治理工作一直是矿井安全生产的重中之重，而预抽瓦斯抽采效果尤为关键[1]。抽采负压是影响瓦斯抽采效果的重要参数，合理配置预抽抽采钻孔的抽采负压，是获得高体积分数、高流量瓦斯的关键环节[2]。本文以马兰矿10608工作面为例，对预抽钻孔抽采负压进行数值模拟，进而确定合理的抽采负压，为类似工作面瓦斯抽采选择合理的抽采负压有一定的指导作用。

1 工作面概况

马兰矿是国家“七五”期间建设的国有重点矿井2014年10月经鉴定为突出矿井。10608回采工作面位于南六采区，工作面设计可采走向长1720m，采长216/96m，平均采高2.11m，工业储量79.87万t，可采储量71.11万t。绝对瓦斯涌出量为17.40m3/min，相对瓦斯涌出量2.66m3/t，工作面的瓦斯涌出主要由本层瓦斯涌出和临近层瓦斯涌出两部分组成，其中本层瓦斯涌出量6.30m3/min，下邻近层瓦斯涌出量11.10m3/min，可以看出，临近层瓦斯涌出为工作面主要瓦斯涌出来源。

2 数值模拟及结论分析

2.1 数值模拟软件

FLUENT数值模拟软件属于计算流体中比较常用的一种CFD软件，该软件有着强大的模拟功能，能够用来模拟不可压缩和可压缩等复杂流体的运动，由于在计算过程中采用了多种求解方法和网格划分等加速了收敛，增加了模拟的效果和精度[3]。

2.2 钻孔瓦斯渗流模型的建立

2.1.1 基本假设

模拟方案中需要假设的条件包括：①各向同性，工作面瓦斯压力与透气性系数、孔隙率等无关，但在钻孔周围内的卸压范围内增大;②可将瓦斯按理想气体，瓦斯渗流过程视为等温过程处理;③瓦斯解吸在瞬间完成;④可以将工作面的顶底板看做是不通透的岩层;⑤瓦斯含量满足以下方程;

式中：Q-是瓦斯含量，单位m3/t;a-是最大瓦斯吸附量，单位m3/t;b-是吸附常数，单位MPa-1;p-是瓦斯压力，单位MPa;ρ-是密度，单位t/m3;ϕ-是空隙体积，单位m3/m3;A-是灰分，单位%;M-是水分，单位%。

2.2.2 几何模型的建立

根据现场实际情况建立了预抽钻孔的二维模型，包括水平与竖直走向的切面模型，并进行网格划分，水平走向的横切面模型其中储层沿钻口方向距离设置为120m，储层宽50m，钻孔长60m，钻孔在中间位置，封孔深度为10m，共划分了14410个网格，其中对钻孔加密部分5140个网格。

2.3 模拟参数设置

2.3.1 模型基础参数设置

根据实验要求，模型应用于层流条件下的计算，瓦斯渗流模型选择多孔介质，分组进行五种不同条件下的模拟实验，条件参数设置如下：抽采时间为（60d）;钻孔抽采负压分别为（-8kPa、-15kPa、-30kPa）;渗透率为（2.22×10-17，单位：m2）;钻孔直径为（75mm）;原始瓦斯压力分别为（5MPa）。

2.3.2 模型边界设置

将图1中得到的网格模型导出，采用FLUENT进行解算。假设气体为理想气体，加入能量方程;由于瓦斯流速很小，设为层流;气体流动采用标准的k-ε模型，采用多孔介质模型;由于抽采与时间有关，流体设为非稳态流;通过不同抽采时间、改变抽采负压、渗透率、钻孔直径等参数，来模拟不同参数下流场抽采规律，在对进口边界进行初始化后，进行数值解算。

2.4 不同负压下钻孔周围瓦斯压力分布情况数值模拟

2.5 结论分析

由图1易得出，预抽钻孔的抽采量与抽采时间和与抽采负压成正比，但是抽采流量增幅不高。受管路及钻孔密封性的影响，且对抽采设备的要求也有所提高，因而现场提高抽采负压会受到一定限制，即通过提高抽采负压来增强抽采效果是比较困难的，所以，应该根据工作面的抽采条件等实际情况合理调整抽采负压，根据本文模拟结果及现场试验，马兰矿02#层的实际抽采情况，可以确定其预抽钻孔的抽采负压在15MPa-30kPa的范围内为最佳抽采负压。

3 现场验证

通过对10608工作面施工的预抽钻孔的抽采负压调整，其瓦斯浓度、标准混合量、以及标准纯量变化如表1所示。

由上可知，当预抽钻孔抽采负压在15～30kPa时，瓦斯的标准混流量以及标准纯流量数值较大，抽采效果较好，因此建议马兰矿02#层预抽钻孔的抽采负压应保持在15～30kPa。

4 结论

本文以马兰矿为研究对象，采用FLUENT模拟软件，对马兰矿02#层预抽钻孔抽采负压进行了优化，数值模拟结果表明，预抽钻孔的抽采量与抽采时间和与抽采负压成正比，但是抽采流量增幅不高。受管路及钻孔密封性的影响，且对抽采设备的要求也有所提高，因而现场提高抽采负压会受到一定限制，即通过提高抽采负压来增强抽采效果是比较困难的，所以，应该根据工作面的抽采条件等实际情况合理调整抽采负压，根据本文模拟结果及现场试验，马兰矿02#层的实际抽采情况，可以确定其预抽钻孔的抽采负压在15MPa-30kPa的范围内为最佳抽采负压。

参考文献：

[1]邵龙庆.煤矿穿层钻孔封孔位置选择的数值模拟研究[J].煤炭技术，2015，34（3）：173-175.

[2]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.

[3]李宗翔.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟[J].中国矿业大学学报，2004，33（1）：74-78.

作者简介：

郝志强（1972- ），男，山西省原平人，研究生，采煤高级工程师，主要从事专业研究采矿管理工作。