钻孔预抽煤层瓦斯影响因素模拟分析

摘 要：瓦斯抽采是预防瓦斯突出的方法之一，本文以朱集矿1112顶板下抽巷赋存条件及其瓦斯参数为对象研究不同抽放参数下的钻孔瓦斯流场及瓦斯抽放效果，以钻孔周围瓦斯流动方程为依据，进行推导和解算，利用FLUENT软件建立钻孔预抽煤层瓦斯抽采数值模型，通过数学模型给出的边界条件确定数值模拟的边界条件，进行计算机模拟运算，得到钻孔周围瓦斯抽采的数值解。
关键词：数学模型 FLUENT软件 钻孔周围瓦斯场
一、FLUENT软件介绍
FLUENT软件是美国FLUENT公司推出的用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机软件。它提供了很好的网格灵活性，可以使用结构化网格和非结构化网格，例如提供二维三角形及四边形网格，三维四面体网格、六面体、棱锥形及棱柱形网格，二维和三维混合网格等。这种网格的自适应能力对于精确求解具有较大梯度流场的问题有很实际的应用。同时，网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流动场，因此可以节约计算时间。
FLUENT是用C语言编写的，具有很大的灵活性与能力，因此可以实现动态的内存分配，高效的数据结构和灵活的控制器。又使用client/server结构，从而支持UNIX和Windows等多种平台，支持基于MPI的并行环境。在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言和LISP dialect语言编写的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。
FLUENT软件的解算器对于可压缩与不可压缩流动，稳态和非稳态流动，无粘流、层流及湍流，牛顿流体及非牛顿流体，对流换热(包括自然对流和混合对流)，导热与对流换热耦合，辐射换热，惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动，多运动坐标系下的流动，化学组分混合与反应，多孔介质流动，两相流，复杂表面形状下的自由面流动等问题都可以进行较好得模拟。因此，FLUENT软件被广泛地应用于流体流动、传热、燃烧和扩散等问题。
二、钻孔预抽煤层瓦斯数值模型的建立
（一）模拟方案的提出
（1）模拟假设条件
①煤层各向同性，透气系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响，但在钻孔周围的卸压范围内增大；
②瓦斯可视为理想气体，瓦斯渗流过程按等温过程来处理；
③煤层中瓦斯解析在瞬间完成；
④可以将煤层顶底板视为不透气岩层；
（2）模拟方案确定
根据实验要求，煤层给定多孔介质渗流边界条件，湍流计算选用层流模型，瓦斯在煤层中流动用多孔介质模型，确定以下三种模拟方案进行分别模拟：
①钻孔半径为113mm；
②采用掏穴孔把钻孔半径扩大为260mm；
③抽采管半径为113mm，钻孔里加半径为20mm的高压排水通气管，高压通气管的压力范围为0.4Mpa—1.2Mpa。
三、模型的建立
本科研项目主要解决的问题是运顺高抽巷打下向钻孔定向预抽瓦斯的，所以可以取垂直于钻孔的单位厚度的截面作为计算的平面模型，钻孔位于模型中心处，单钻孔模型边界为4m*4m，双钻孔模型边界为10m*10m,模型划分采用三角形单元。根据实验和实测数据知，井下大气压力为115045pa，多孔介质的孔隙率为0.075,多孔介质的粘性阻力系数为1e+8，惯性阻力系数和粘性阻力系数相比很小，可以近似为0.边界条件设置，设置模型边界为压力进口（pressure-inlet），初始值为0.4Mpa，抽采管为压力出口（pressure-outlet）初始值采负压为15Kpa。解算器选用非稳态，二阶迎风格式。
四、数值模拟结果分析
（一）钻孔周围瓦斯流动压力分布

由A,B图可以看出随着抽采钻孔径的增大瓦斯压力降低16%
由A,C图可以看出当钻孔中加入高压排水通气管的瓦斯压力降低15%
根据《煤矿安全规程》规定，抽采率应大于30%。因此，有效性指标定为抽采率大于30%，则可知当煤层压力降低30%时的等压线位置距离钻口中心距离确定为抽采半径。
从图A至图C可以看到瓦斯抽采半径与钻孔的大小有关，钻孔半径为113mm时钻孔有效抽采半径为0.6m，当采用掏穴钻孔把钻孔半径扩大为260mm时，抽采半径扩大为0.7m，图C是在113mm的基础上增加一个高压通气孔用来排除钻孔里面的水，瓦斯有效抽采半径扩大为0.8m。说明瓦斯抽采半径和钻孔大小有关，也和钻孔里面的水有关。根据郎格谬尔方程（1.1）可知，在其它条件相同的情况下，瓦斯压力越大，煤层瓦斯含量也就越大，相应的钻孔抽采量也增加。
（1.1）式
式中：Q——给定温度下，瓦斯压力为P时单位质量固体的表面吸附的气体体积，m3/t；
a，b——Langmuir吸附常数，a为极限吸附量，m3/t；
b----为吸附常数，MPa-1。
（二）钻孔周围瓦斯流动速度分布图

图1：半径为113mm

图2：半径扩大为260mm

图3：半径为113mm钻孔加高压排水通气管
由1,2图可以看出随着抽采钻孔径的增大瓦斯流速提高5倍

由1,3图可以看出当钻孔中加入高压排水通气管的瓦斯流速提高23%
由图1-3可知，钻孔周围煤体中瓦斯流动速度场分布，从钻孔中心向外呈减小扩散，距钻孔0-1m范围内煤体瓦斯流动速度值变化较快，1m以外煤体瓦斯流动速度值变化不明显。从图1可以看出速度变化比较明显的区域是0-0.6m，图2是0-0.6，图3是0-0.4m，是不同的钻孔半径瓦斯流动变化范围也不同。图1-3也证明了钻孔大小影响周围瓦斯流动规律。
（三）为了进行数据对比还模拟了两个钻孔情形下的瓦斯压力分布图

图4：双孔半径为113mm

图5：双钻孔半径为113mm

图6：双钻孔半径为113mm，钻孔加高压排水通气管
由4,5图可以看出随着抽采钻孔径的增大瓦斯流速提高2.25倍
由4,6图可以看出当钻孔中加入高压排水通气管的瓦斯流速提高18%
图4至图6是和图A-C进行对比，不同的是模拟的条件是两个并列的钻孔，从上图可以看出当用113mm钻孔的时候有效抽采半径为0.6m—1.5m，当钻孔半径扩大为260mm的时候钻孔的有效抽采半径为1m—1.5m，当抽采半径为113mm，钻孔里加高压排水通气管的时候钻孔半径范围为1m—2m。经过对比发现相邻的钻孔互相之间有影响。这是因为抽采是由于负压的影响钻孔周围的煤体发生蠕变，钻孔周围破碎，裂隙发育，煤层的透气性增加。
5 本章小结
以计算流体动力学软件FLUENT计算模拟了钻孔预抽煤层瓦斯在不同钻孔直径条件下，对预抽煤层瓦斯钻孔的抽采半径及抽采量的影响。
（1）随着抽采半径的增加，有效抽采半径影响区域也逐增大。
（2）根据模拟结果，相邻钻孔影响瓦斯抽采效果。
（3）煤层渗透率对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量有很大影响，低渗透率的煤层比渗透率大的煤层瓦斯流量随抽采时间降低得快，渗透率为的煤层。
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（作者单位：安徽理工大学能源与安全学院）