煤层钻孔液氮冷冻有效半径研究

2021-09-15姬书强

煤 2021年9期

姬书强

(潞安集团蒲县隰东煤业有限公司，山西临汾 041200)

我国煤炭占能源主导地位的局面将长期不变[1]，因此，瓦斯灾害防治仍是我国煤矿灾害治理的重中之重[2]，在各种类型的煤与瓦斯突出中，石门揭煤的平均突出强度较高[3]，严重威胁矿井的安全生产。

现有的石门揭煤防突技术方法有很多，比如预抽瓦斯[4-6]、深孔预裂爆破[7-8]等，但采取以上措施，还存在两个问题：一是揭煤进度缓慢[9]，二是存在安全隐患。因此，为解决以上问题，提出了低温冻结的方法[10-12]。翟成等[13]采取低场核磁共振技术对不同煤级的煤进行测试，指出褐煤、烟煤和无烟煤在低温冻结石门揭煤过程中在冻结温度相同时，褐煤的未冻水含量的降低程度最大；Yue Jiwei等基于人工冻结的方法，提出一种快速安全的石门揭煤综合技术，主要包括四个步骤，即钻孔、注水润湿、瓦斯抽放和液氮注入冻结煤层。冷冻煤的力学性能有了很大的改善，抗压强度和抗拉强度随温度的降低呈线性增加趋势。

本文主要运用comsol软件进行数值模拟，对不同时间和不同传热系数的煤岩进行钻孔液氮冷冻，分析其传热规律及有效半径，并探讨布孔方式。

1 煤层钻孔数值模型

1.1 数理模型的建立

由于煤体的导热系数非常低，因此，模型为边长1 500 mm的正方体，在中心位置取直径为100 mm的钻孔，内部边界给予恒定温度T1=77 K，其余边界给予温度T2=303 K，导热系数设定为λ=0.1，常压热容c=1 260 J/(kg·K)，泊松比v=0.3，煤体密度1 450 kg/m3，模型如图1所示。

图1 模型

1.2 基本理论

式中：λ为材料的导热系数，W/(m·℃)，负号“-”表示热流密度矢量与温度梯度的方向呈相反方向。

2 模拟结果与分析

2.1 导热系数λ=0.1时的温度径向变化规律

当λ=0.1时，7 d内钻孔处温度云图如图2所示。由图2可以看出：7 d内煤体钻孔冷冻时，随着天数的增加，钻孔处温度逐渐升高，但在传热过程中影响半径非常小。7 d内钻孔传热温度变化规律如图3所示，将温度273 K以内看做是有效的影响区域，由图3可知：在煤体钻孔冷冻后，7 d内钻孔传热温度影响半径分别为62 mm、85 mm、102 mm、115 mm、127 mm、138 mm、147 mm，但其相邻天数之间的差值在逐渐减小，即增大速率逐渐减小。

图2 7 d内钻孔处温度云图

图3 7 d内钻孔传热温度变化规律

2.2 不同导热系数下温度的径向变化

7 d内不同导热系数下温度的径向变化规律如图4所示。由图4可知：在相同时间下，随着导热系数的增大，钻孔冷冻煤体的影响半径也随之增大。煤体钻孔冷冻第1天，当导热系数为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0时，影响半径依次为62 mm、126 mm、172 mm、205 mm、232 mm；煤体钻孔冷冻第2天，影响半径依次为85 mm、172 mm、232 mm、276 mm、311 mm；煤体钻孔冷冻第3天，影响半径依次为102 mm、205 mm、276 mm、326 mm、365 mm；煤体钻孔冷冻第4vd，影响半径依次为115 mm、232 mm、311 mm、365 mm、401 mm；煤体钻孔冷冻第5天，影响半径依次为127 mm、255 mm、340 mm、393 mm、425 mm；煤体钻孔冷冻第6天，影响半径依次为138 mm、275 mm、364 mm、414 mm、440 mm；煤体钻孔冷冻第7天，影响半径依次为147 mm、294 mm、384 mm、429 mm、449 mm。