边抽边掘钻孔周围瓦斯流动的数值模拟.pdf

2 0 0 5 年第 2 期 能 源 技 术 与 管 理 7 边抽边掘钻孔周围瓦斯流动的数值模拟 穆朝 民 安徽理工大学 资源开发与管理工程系， 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 [ 摘要] 应用多孔介质渗流力学理论， 建立掘进工作面边抽边掘 瓦斯抽放钻孔数学模型， 并 进行数值计算模拟及分析， 为现场施工提供 了依据。 [ 关键词] 掘进工作面； 边抽边掘 ； 数值模拟 [ 中图分类号] T D 7 1 2 ． 6 1 [ 文献标识码] A [ 文章编号] l 6 7 2 - 9 9 4 3 2 0 0 5 0 2 捌 0 引 言 边抽边掘是煤巷掘进主要防突措施 ， 取得了 很好的效果 ， 但由于抽放方法的发展还很不完善 ， 在抽放瓦斯钻孔抽放参数 抽放时间， 半径， 负压 等 的选取上还没有形成统一 的认识。因此运用 计算机数值模拟的方法 ， 对抽放钻孔周围煤体瓦 斯流动规律进行研究， 寻求合理的钻孔抽放参数。 1 基本假设 煤层顶底板透气性 比煤层小的多 ， 因此可以 把煤层顶底板岩层视为不透气岩层 ； 煤层各向同性 ， 透气系数及孔隙率不受煤层 压力变化的影响 ， 但在巷道及钻孔周围的卸压范 围内增大； 瓦斯可视为理想气体 ， 瓦斯渗流过程可按等 温过程处理； 吸附瓦斯符合 朗格缪尔方程， 煤层瓦斯解吸 在瞬间完成 ； 瓦斯在煤层中流动服从达西定律。 2 瓦斯流动方程的建立⋯ 在以上假设 的基础上， 根据流体在多孔介质 中的质量守恒定律 ， 得到如下方程组 d i v p V 一 一 k --- gr i p f I D ，v lD 2 1 式中， P为瓦斯压力p时的瓦斯密度， t ／ m 3 ； V为瓦 斯流动的速度向量 ， m ／ d ； M 为单位体积煤体所含 的瓦斯量 ， m 3 ； k 为煤的渗透率 ； 为瓦斯的绝对 粘度 ， M P a d ； P 为瓦斯压力 P 时的瓦斯密度， t ／ m 3 ； p 为 1 个标准大气压 ， M P a ； p为煤层瓦斯压 力， M P a 。 式 2 ． 1 分别为瓦斯在煤层 中流动时的连续 方程 、 运动方程和状态方程。又 MID 2 2 将式 2 ． 1 、 2 ． 2 联立得 苦 d M ra d p 2 - 3 式 中 p 2 p ／ { [ n 】 c ； c 2 7 3t ／ 2 7 3 ； t 为瓦斯在流动过程中的温度， ℃； 为煤层透气系数 ， r n 2 ／ M P ． d ， 入 。 z t t p N ‘ 令式 2 ． 3 中的 P U， 得 so U d i v A g r a d U 2 4 式 中 ，so u 2 ／ { 【 n 】 c 。 根据一些学者的分类 ， 井下大多数瓦斯流场 都可以简化为一维平行流动、 一维径向流动和二 维平面流动的有限流场及无限流场或者它们的组 合[2 ] 。本文所研究的是二维平 面流动的有限流 场 ， 因此， 有 一 c3t ‘ so u 【 未 】 2 - 5 式中， ， Y 。 3 瓦斯流动方程的定解条件 瓦斯流动属于弹性驱动方式下的渗流 ， 特点 是 ， 流动最先发生在煤层的暴露面， 然后流动不断 向纵深发展。 设煤层暴露 面外界压力为常压 P ， ； 维普资讯 8 穆朝民边抽边掘钻孔周围瓦斯流动的数值模拟 2 0 0 5 年第 2 期 在原始状态 ， 煤层 内各点瓦斯压力为 P 0 o 3． 1 无限流场 在 t0时， 层内各点瓦斯压力为 P 。 。 在开始 流动的一个极短瞬间， 煤壁上的瓦斯压力由 P 。 降 至 P 。 ， 与此同时， 在煤层内部形成一个降压区域。 由于流场无限大， 在任意时刻 ， 该区域的层 内边界 上压力值始终为 P 。 。 3 ． 2 有限流场 与无限流场相比， 流场外边界没有瓦斯源 ， 即 当流场影响到边界后 ， 始终有 a p ／ O x l O ， 其 中 L为流场长度。 比较以上两类流场 ， 不难发现无限流场是有 限流场的特殊形式。因为 ， 有限流场在影响到边 界之前 ， 其规律 与无限流场完全相同。本文应用 二维平面流动有限流场 ， 其顺煤层抽放瓦斯钻孔 模型如图 1 所示 J 。 图 1 抽放瓦斯钻孔模型 其流场的定解条件如下 其初始条件为 t0 ， U u 0P 其边界条件为 r U Ul P ， t 0， Y r o2 { a U ／ O x0 ， O U I 升 0 3 1 【 t o， R， y ‘ ， n 式中， r 。 为钻孔半径 ， m； U 。 为煤层原始瓦斯压力 的平方 ， MP a 2 ； U 。为钻孔 中瓦斯 压力 的平方 ， M 略 ； p 。 为煤层中原始瓦斯压力 ， M P a ； P 。 为钻孔 中的瓦斯压力， M P a 。 4 瓦斯流动方程的解算及现场实测与数 值模拟比较 通过解算可以得出不 同时期的瓦斯压力图。 现场实测与数值模拟比较如图 2 、 3 所示。 瓦斯抽放时问 ， h 图 2 瓦斯抽放总■随时间 变化数值模拟结果 5 结论 瓦斯抽放时问， I ． 图 3 瓦斯抽放总■随时间 变化现场实测结果 1 原始煤层 的有效抽放时间和抽放半径的 变化规律基本一致； 2 前 1 0 0 0 h抽放瓦斯占总量 6 0 ％， 3 0 0 0 h 抽放瓦斯 占总量 9 2 ％， 此后延长抽放时间没现实 意义； 3 可以通过数值模拟的方法掌握抽放半径 与瓦斯压力的关系。 [ 参考文献] [ 1 ] 周世宁． 瓦斯在煤层中流动机理[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 9 ， 1 ． [ 2 ] 孙茂远． 煤层气开发利用手册[ M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ]陈 国新 ． 煤矿 瓦斯抽 放技术 与分 析 [ J ] ． 煤矿 安全 ， 1 9 9 5 ， 5 ． [ 作者简介] 穆朝民 1 9 7 7 一 ， 男 ， 安徽理工大学资源开发 与管理 工程系安全技术及工程专业在读硕士研究生。 [ 收稿日期 2 O O 4 1 1 1 0 ] Th e Nu me r i c a l Va l u l e S i mu l a t o n a s W e U a s An a l y s i s o f t h e Ex c a v a t i n g W o r k i ng Fa c e I U Ch a o - mi n A n h u i U n i v e r s i ty o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u ai n an 2 3 2 0 0 1 ， C h in a Ab s t r a c t A p p l y i n g mult i o p mu s me d i u m p e r me a t i n g me c h a n i c s t h e o r y ， thi s p a p e r e s t a b l i s h e d the ma the ma t i c a l p a t - t e rn o f d r i l l d r a i n a g e o f d r a i nin g and e x c a v a t i n g s i mu h a n o u s l y i n e x c a v a t i n g w o r k i n g f a c e ．P o i n ti ng the mo d e 1． t h e n u me r i c a l v a l u e s i mu l a t i o n a s we ll as a n a l y s i s w e r e o b t a n ed ． Ke y wo r d s Ex c a v a ti ng w o r k i n g f a c e ；Dr a i n i n g and Ex c a r a t i ng ；S i n u h a n eou s l y Nu me r i c a l Valu e S imula ti o n 言， c ／ 捌餐霉蕞 率 维普资讯