基于饱和—非饱和渗流的煤层注水数值模拟及应用

吴 兵 于振江 王紫薇 江泽泳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

基于饱和—非饱和渗流的煤层注水数值模拟及应用

吴 兵 于振江 王紫薇 江泽泳

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

针对当前同忻煤矿井下粉尘浓度偏大、工作条件恶劣以至严重影响该矿安全生产的问题,根据非饱和土渗流理论,提出采用comsol有限元数值模拟软件进行煤层注水方案优化,最后进行现场应用及效果测定。通过数值模拟得出同忻矿8103工作面的煤层湿润半径约为15 m,在保持4°倾角条件下,其湿润范围最大。采用了新的注水方案后,工作面的粉尘浓度明显降低,其中采煤机中部和前滚筒下风侧10 m处的降尘率分别达到了19.55%、30.62%。

不饱和土 非饱和流动 煤层注水 湿润半径

煤层注水就是通过钻孔将压力水注入到尚未开采的煤层中,增加煤的水分,使煤体预先得到湿润,减少煤尘的生成和飞扬,是采煤工作面最有效的防尘措施,能够大幅度减少采煤工作面产尘量。除此之外,煤层注水后对于煤体的软化、煤发火周期的延长、减少冲击地压的危害等也都能起到一定的积极作用。

1 煤层的非饱和流动

煤层属于典型的不饱和土,所以煤层注水属于典型的饱和—非饱和渗流。

确定煤层的渗透系数主要考虑煤体孔隙比和孔隙连通性两方面。当水充满煤层的全部裂隙,此时煤层的孔隙比和连通性几乎不再发生变化,导水率相对较大,此时可以认为渗透系数是一个常数。区别于饱和状态,当煤层处于非饱和状态时,水充满部分孔隙,但是煤层孔隙比变化很小,对渗透系数的影响一般可以忽略不计。孔隙的连通性——饱和度变化是影响渗透系数的主要因素,因而常常将渗透系数表达为饱和度或体积含水率的函数。

对非饱和渗流来说,因为煤层的含水率θ与孔隙率n存在正比例关系,θ＝nSw,Sw为饱和度,0≤Sw≤1;达西速度换成非饱和渗流场中达西速度,可得到饱和—非饱和渗流的数学方程:

式中:ρ——水的密度,kg/m3;

vx——x方向上水的达西速度,m/s;

vy——y方向上水的达西速度,m/s;

n——煤层孔隙率;

Sw——饱和度;

S——等效饱和度;

t——时间,s。

经典达西定理对于非饱和土渗流不再适用,其根本原因就是非饱和土中存在吸力,所以其渗流特性区别于饱和土渗流。煤层的总吸力主要受基质吸力和渗透吸力的共同影响,外界的注水压力或者其他因素的改变会直接导致基质吸力的变化,两种吸力中有一种产生变化都会导致煤体失衡。煤体的基质吸力指空隙气压力和空隙水压力的差值,它反映了以煤层的结构、颗粒成分、孔隙大小和分布形态为特征的煤层基质对其中水分的吸持作用,是研究非饱和土工程性质的一项重要参数。

2 煤层注水数值模拟

同忻矿8103工作面全长为200 m,采用综采放顶煤一次采全高,全部垮落法管理顶板。由于煤层的平均含水率为1.7%左右,远低于国家4%的要求,且井下粉尘浓度很大,尤其在工作面附近已经达到800 mg/m3,严重超标,所以必须采用煤层注水防尘技术降尘。如果在8103工作面采用单侧钻孔,那么钻孔的设计深度很大,打孔难度相当大且角度不容易确定,所以采用双向钻孔注水设计,分别从5103回风巷距工作面开切眼10 m及2103运输巷道距切眼15 m的位置开孔,5103回风巷道钻孔深度100 m,2103运输巷道钻孔深度80 m,钻孔倾角均为5°,钻孔开孔高度距巷道底板1.4 m,钻孔间距10 m,如图1所示。当前单孔注水量经常达到600 m3左右,注水量相当大,但是粉尘治理效果较差,所以必须对当前该矿煤层注水方案进行优化设计。为了更好地判定煤层中水的饱和程度,对同忻矿进行了煤层注水临近孔(同一煤层中远离试验注水孔的孔)测试,发现当含水量达到8%的时候,可以认为达到了饱和状态。本文使用非饱和渗流有限元模拟进行钻孔布置优化。

图1 8103工作面煤层注水钻孔设计图

2.1 不同注水压力条件下的湿润半径的分布

她被救援队救了出来，在医院的时候邵南有来看她。也许是内疚他帮她支付了所有的费用，请了高护给她。这之后她一直没有再给邵南打电话，她把他的号码和微信从手机里拉黑。她知道，她盛大的爱情已经落幕了。

通过等效饱和度确定湿润半径,当饱和度到达0.33左右的时候可以认为是湿润半径的临界点。利于comsol数值模拟软件分别模拟1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa不同注水压力条件下煤体湿润程度。在煤层空气和瓦斯压力一定的情况下,煤体的基质吸力随着注水压力的增大而减小。由于基质吸力的绝对值较大,渗透系数也就越大,毛细效果也就越明显,所以煤层更容易吸收更多的水分,煤层的饱和度也就逐渐增大,煤体的湿润半径也逐渐增大。为了更好地分析不同注水压力时煤层注水的湿润半径,将等效饱和度分布云图做成相应的线形图,如图2所示,可以明显发现煤层的等效饱和度从注水孔附近逐渐减低,不同压力下其降低速率也明显不同。当压力为5 MPa时,其降低速率最低,煤层湿润范围也就越大,湿润半径也相比于其他压力下明显增大。

当图2中纵坐标为0.33时,分别找到与不同曲线相交的交点所对应的横坐标,提取各点对应数值,计算出不同注水压力条件下煤层注水的湿润半径,如图3所示。由图3可以看出,当注水压力为1 MPa时,在距离注水孔6 m的地方其饱和度达到了0.33左右;注水压力为2 MPa时,在距离10 m的地方可以认为含水率增大了1%,饱和度达到了0.33;注水压力3 MPa时,湿润半径约为15 m;注水压力4 MPa时,湿润半径约为18 m;注水压力5 MPa时,湿润半径约为20 m。因此,煤层注水的湿润半径随着压力的增大而增大,其增大的速率却是先增大然后在减少,当注水压力为3 MPa的时候,其变化速率最大。所以认为该矿的理论煤层注水压力的范围约为3 MPa。

图2 不同压力条件下的等效饱和度分布

图3 不同注水压力条件下的湿润半径

2.2 不同倾角对于煤体湿润范围的影响

为了保证注水孔始终保持在煤层内,并且为了现场很好的测定角度,发现当倾角为＋6°的时候,钻孔不能保证全部在煤层内,所以煤层注水倾角要小于＋6°。分别对0°、＋1°、＋2°、＋3°、＋4°、＋5°不同倾角的煤层注水进行数值模拟。通过模拟表明,不同的钻孔倾角下的湿润范围明显不同,倾角越大其受到重力和毛细作用的影响也就越大,其饱和度分布也就更加复杂。

不同的倾角的布置对于煤体水的饱和度产生重要的影响,因此合理的选择倾角对于该矿来说即有利于优化生产又能节省资金。通过comsol后期处理分别得到饱和度大于0.33的区域,然后采用PHOTOSHOP处理得到不同条件下湿润区域的像素,再把后期图片的像素数值换算成湿润范围的实际面积。通过测量,发现不同倾角的湿润范围如图4所示。

由图4可以看出,煤体的湿润范围随着钻孔倾角的增大先增大再减小。随着钻孔倾角的增大,从注水孔出来的压力水在重力和毛细作用的双重影响下,湿润范围逐渐增大,但是在＋5°的时候由于注水孔顶端很接近煤层顶部,受浸润的空间有限,毛细作用不能很好的扩散,所以此时导致其湿润范围小于＋4°时的湿润范围。所以8103工作面的钻孔倾角设置为＋4°时,达到湿润要求的范围最大。

图4 不同倾角下煤体的湿润面积

3 现场试验及效果分析

根据数值模拟和相关的现场试验,对同忻矿8103工作面的煤层注水方案重新进行设计。设计工作面的钻孔间距为25 m,钻孔倾角为4°,采用先静压后动压的注水方案。当静压注水流量逐渐减少时直至注不进去,然后采用动压注水,注入煤体的水在压力的作用下迅速充满煤层内部大的孔隙、裂隙,形成相互关联的煤层注水渗流网,在水压力和毛细渗透压力的共同作用下,水进一步渗透到煤体微细孔隙中。

从图5可以看出,注水后工作面的粉尘浓度明显降低,其中采煤机中部和前滚筒下风侧10 m处的降尘率分别达到了19.55%、30.62%。进一步证明了当前煤层注水方案的科学性。

图5 改进注水工艺前后粉尘浓度对比

4 结论

(1)煤层是典型的非饱和土,通常情况下,较大量的空气和瓦斯在煤体中形成连续的气相,这时孔隙气压和孔隙水压出现显著的差别,从而使经典饱和土力学的原理和概念不再适用。所以饱和－非饱和渗流模型取代了达西定理并适用于煤层注水。

(2)煤体的基质吸力是空隙气压力和空隙水压力的差值,所以注水压力对于煤层注水的湿润半径有着很大的影响,并且随着注水压力的增大而逐渐增大,但是其变化速率却是先增大再减小。

(3)通过本次数值模拟结果和现场试验前后的对比发现,改进之后注水效果明显改善,工作面粉尘浓度显著降低,说明数值模拟具有一定的科学性。考虑到现场试验的复杂性和巨额的实验费用,利用有限元数值模拟的方法可以快速有效地为现场方案的优化设计提供一定的指导基础。

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(责任编辑 张艳华)

The numerical simulation of coal seam water injection based on saturated-unsaturated seepage and applications

Wu Bing,Yu Zhenjiang,Wang Ziwei,Jiang Zeyong
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

For larger concentration of dust in the current Tongxin Coal Mine and the poor working conditions,which seriously affects mine production safety issues,based on unsaturated flow theory,this article uses comsol finite element simulation software to optimize seam water injection program,and make the final determination of field application and effect.The results shows:the moist radius of 8103 working face in Tongxin Coal Mine is about 15 m,and in keeping＋4°inclination conditions,the moist range max.After the introduction of a new water injection program,the dust concentration was significantly lower.The rate at which the dust before the shearer drum central and leeward side of the 10 m position reaches 19.55%、30.62%respectively.

the unsaturated soil,the unsaturated seepage,coal seam water injection,moist radius

TD714.41

A

吴兵(1967－),男,山西阳泉人,教授,博士,主要从事矿井通风、火灾防治、粉尘防治等方面的研究。