首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 余吾煤业负压抽采瓦斯规律及动态调控研究

余吾煤业负压抽采瓦斯规律及动态调控研究

2025-02-09 77 上传者：管理员

摘要：本研究利用COMSOL软件，基于N3102工作面的基本参数，深入探讨了负压对瓦斯抽采效果的影响。通过模拟不同抽采负压条件，分析了钻孔内瓦斯流量、抽采浓度及空气渗透量的变化规律。结果显示：提高抽采负压显著增强了瓦斯抽采效率，减少了瓦斯泄漏风险。试验钻孔负压动态调控后平均瓦斯体积分数提升了13.79%,平均抽采流量提升了39.27%.本研究为瓦斯抽采参数的优化提供了借鉴，对煤矿安全生产及环境保护具有重要价值。

关键词：
COMSOL
动态调控
抽采负压
煤矿瓦斯
瓦斯抽采
加入收藏

煤矿瓦斯抽采作为矿井安全生产的关键环节,一直是矿业工程领域研究的热点｡近年来,随着抽采技术的不断进步,学者们对瓦斯抽采过程中的负压调控､浓度变化及其对抽采效率的影响有了更深入的认识｡在早期瓦斯抽采阶段,抽采系统负压的增加对提升瓦斯抽采效率的作用有限,这一现象在众多研究中得到了证实｡例如,张世龙等[1]指出,在瓦斯抽采初期,由于煤层中瓦斯的高压和丰富含量,增加负压对抽采效率的提升作用并不显著｡然而,随着抽采作业的持续,煤层中瓦斯含量减少,此时增大抽采负压可加强气体压力梯度,从而提高瓦斯抽采纯量｡都锋[2]通过研究发现,瓦斯抽采浓度随时间呈现下降趋势,且在一定时间后趋于稳定｡王海波设计出开采层､邻近层､采空区瓦斯抽放瓦斯综合抽采方案,结合“L+Y”型通风模式,解决了矿井瓦斯超限难题[3]｡陈勇[4]针对矿井瓦斯抽采负压动态调控下的工况参数进行了分析,能够很好地优化瓦斯抽采参数｡

综上所述,瓦斯抽采过程中负压的合理调控对于提升抽采具有重要意义｡本研究利用COMSOL软件进行数值模拟分析,结合现场试验数据,探讨了瓦斯抽采过程中的关键影响因素,旨在为煤矿瓦斯抽采提供理论依据和技术指导｡

1、工作面概述

N3102工作面位于高瓦斯矿井,采用抽出式通风方式,通风系统分为两个独立分区｡该矿井瓦斯绝对涌出量为196.38m3/min,相对涌出量为38.11m3/t.工作面位于+388~+457m标高,平直距离2171.5m,倾斜距离2175.8m,埋深范围537~693m,煤层总厚平均6.60m,倾角介于-10°~+2°.依据601孔资料可知,煤层主要由黑色块状及粉末状亮煤组成,偶有微薄的半暗煤层,裂隙发育,夹有黑色泥岩｡

2、数值模型及网格划分

2.1数值模型建立

本研究建立了1个120m×40m的二维数值模型,模拟N3102工作面煤层的具体参数｡模型中心设置了直径为110mm的瓦斯抽采钻孔,并特设漏气通道形成“漏气圈”,半径精确设定为0.12m.

2.2网格划分

为确保模拟结果的准确性与可靠性,使用COMSOL软件对模型进行了精细化网格划分,共计61402个网格,最小单元质量为0.4973.

2.3数值模型定解条件

1)初始条件｡首先需要设定初始条件｡在不考虑巷道开挖和钻孔施工对煤层瓦斯分布影响的前提下,模型边界之外不存在新的瓦斯补给｡此外,假设在“漏气圈”范围内,由于煤体破碎而释放的瓦斯已经完全散失,因此,在时间t=0的初始时刻,煤层内部的瓦斯压力等于初始瓦斯压力,且不存在空气通过漏气通道进入煤层｡数学表达式如下:

式中:p0为煤体初始瓦斯压力,取0.8MPa;p为煤体内部瓦斯压力,MPa;p2为“漏气圈”内气体压力,MPa;p1为空气压力,MPa.

2)边界条件｡对于煤体而言,设定整块煤体顶底板密闭,且距离无穷远处煤体瓦斯压力处于煤体初始瓦斯压力稳定不变,数学表达式如下:

假设整个煤层的顶底板均处于密闭状态｡在远离模型的无穷远处,煤层瓦斯压力维持在初始状态,即不受外部环境变化的影响｡在模型中,“漏气圈”左侧边界的瓦斯压力设定为与巷道内的气压相等,即标准大气压｡与煤层相邻的边界则设定为煤层内部的瓦斯压力,而与巷道相接的边界则受到抽采负压的影响｡数学表达式如下:

式中:pc为抽采时的负压,MPa;pa为巷道内气压,MPa.

3、结果与分析

3.1渗透率对瓦斯抽采效率的影响

研究发现,随着“漏气圈”内煤体破碎程度的增加,其渗透性提升,导致巷道内空气通过“漏气圈”的速度加快,导致漏气量加大[6]｡本研究对漏气通道的渗透率参数进行调节,成功模拟了不同破碎程度下“漏气圈”内煤体的特性变化趋势,并分析钻孔内瓦斯流量､抽采浓度及空气漏入量的动态变化,揭示它们之间的响应机制｡

在固定抽采负压为25kPa､抽采时长为180d的条件下,分别设定“漏气圈”内煤体渗透率0.2e13m2､1e-13m2､4e-13m2､8e-13m2,通过模拟计算得出瓦斯压力变化规律｡

结果表明,尽管“漏气圈”区域内煤体渗透率增加,但瓦斯压力的变化范围差距很小,揭示了“漏气圈”内煤体的破碎程度几乎影响不到瓦斯抽采纯量｡

为了更深入地研究这一现象,进一步分析“漏气圈”区域煤体在不同渗透率条件下的钻孔瓦斯抽采体积分数､空气漏入量及抽采纯量随时间的变化,相关结果如图1和图2所示｡

图1抽采体积分数与时间关系图

由于内部空气漏入量的变化,瓦斯浓度出现了明显的下降,甚至降低幅度超过了300%.这个观察结果凸显了煤体渗透率对瓦斯浓度的显著影响｡

进一步分析图2,发现在不同渗透率条件下,随着“漏气圈”内煤体渗透率的提升,漏入的空气量显著增加｡特别是在渗透率从0.2e-13m2增加至8e-13m2的区间内,漏入的空气量增加超过200%.这个趋势清晰地揭示了“漏气”的影响｡此外,随着“漏气圈”内煤体渗透率的增加,瓦斯抽取量持续减少,但变化相对较小,这表明“漏气”的影响有限｡这一发现强调了煤体渗透率变化对瓦斯浓度的重要影响｡因此,在实际的煤矿瓦斯治理过程中,为了优化瓦斯抽采效果,需要降低渗透率｡

图2空气漏入与时间关系图

3.2抽采负压对瓦斯抽采的影响

提高抽采负压能够增加瓦斯抽采纯量,但也会增加漏入钻孔的空气｡为了深入探究这一问题,本模拟实验固定“漏气圈”内煤体渗透率,分别设定抽采负压为20kPa､25kPa､30kPa和35kPa,以分析不同抽采负压下纵向煤体瓦斯压力变化规律｡

保持恒定的“漏气圈”内煤体渗透率,提升抽采负压相较于调整煤体渗透率,对钻孔周围煤体瓦斯压力变化范围的影响提升程度非常小｡这表明通过提高抽采负压来增加瓦斯抽采纯量效果不佳,反而可能对钻孔内空气漏入量的影响更为显著｡

图3､图4和图5进一步展示了不同抽采负压条件下,钻孔瓦斯抽采纯量､抽采浓度及空气漏入量与时间的关系｡

图3抽采纯量与时间关系图

据图3所示,揭示了在早期瓦斯抽采阶段,尽管增加抽采系统的负压能够提高瓦斯的抽采效率,但在不同负压条件下效率提升的差异性并不显著｡经过35d以上的抽采作业后,系统进入稳定状态,此时在各级别负压条件下瓦斯的抽采效率保持较低的差异性｡该发现表明,在瓦斯抽采的早期阶段,由于煤层中瓦斯的高压使其含量很高,增加抽采负压对瓦斯的抽采效率产生的影响有限｡此阶段,瓦斯主要由于压力差而自然进入抽采钻孔｡然而,随着抽采作业的持续,煤层中瓦斯量逐步减少,其压力和含量相应降低｡在这种情况下,增大抽采负压可加强钻孔与煤层间的气体压力梯度,从而抽取更多瓦斯,促进瓦斯抽采纯量的提升[5]｡

图4瓦斯抽采体积分数与时间关系图

图4清晰地展示了瓦斯抽采体积分数随着抽采负压的升高而呈现下降趋势,与张槐森等[6]的研究结论一致,至50d时该趋势趋于平缓｡结合图5的观察,抽采负压升高与漏入钻孔的空气量显著增加｡这一发现进一步证实了抽采负压的变化对漏入钻孔的空气量具有更为显著的影响,导致瓦斯抽采体积分数随负压的升高而持续降低｡

图5空气漏入量与时间关系图

4、负压动态调控现场试验

4.1负压动态调控装置在煤层气抽采过程中,通过在管路系统中安装可调节的截止阀,实现了对钻孔负压的精确控制｡通过调整截止阀的开度,可以调节管路中的流量,确保抽出的气体流量与煤层中瓦斯的生成流量之间保持适宜的差值,以维持稳定的负压抽采环境｡依据余吾煤业的井下瓦斯抽采并联工艺,每组8~10个钻孔通过10.16cm汇流管进行集中管理｡在忽略瓦斯浓度差异的情况下,同一组钻孔可以在相同的负压状态下进行抽采｡因此,在每组钻孔的汇流管上安装1个10.16cm的智能控制蝶阀,用以调节负压｡阀门的具体安装位置如图6所示｡

图6智能控制蝶阀安装位置示意

4.2负压调控结果分析

在北二采区进行的钻孔抽采负压动态调控试验中,选取了累计抽采时间分别为1.5､3､6､9､12､15､18､21､24个月的钻孔,每组两个作为试验对象｡在试验开始前,对钻孔的抽采负压和瓦斯体积分数进行了测量｡基于测得的数据,结合不同浓度钻孔及抽采时间的差异,对钻孔的负压进行了调节,并观察了调节前后瓦斯抽采参数的变化｡为了深入分析负压调节的效果,将相关数据绘制成如图7和图8所示｡

图7负压调节前后瓦斯体积分数变化

图7展示了负压调控前后瓦斯体积分数的变化情况｡从图中可以观察到,经过负压调节后,钻孔中的瓦斯体积分数和流量均有所提高｡特别是对于高浓度钻孔(体积分数超过30%),负压调节的效果更为显著,瓦斯体积分数从调节前的平均水平55.85%提升至调控后的66.42%,增加了10.57%.而对于低浓度钻孔(体积分数低于30%),调节效果相对较弱,但瓦斯体积分数仍有13.79%的增幅｡

图8负压调节前后瓦斯流量变化

图8显示了负压调节前后瓦斯流量的变化｡数据显示,高浓度钻孔调控前平均钻孔瓦斯流量为0.02978m3/min,调控后钻孔瓦斯平均流量为0.04679m3/min,较调控前增加了0.01701m3/min,提升了57.1%;低浓度钻孔调控前平均钻孔瓦斯流量为0.01273m3/min,调控后钻孔瓦斯平均流量为0.01242m3/min,较调控前减小了0.00031m3/min,降低了2.4%.尽管对于部分低浓度钻孔,调节后瓦斯流量有所下降,但整体而言,通过适当提高抽采负压,实现了抽采纯量的显著提升｡

综合分析所有测试钻孔的数据,可以看出,负压调节后钻孔的平均瓦斯体积分数从35.44%提升至49.23%,增幅为13.79%.同时,试验钻孔的平均抽采流量也从0.2126m3/min增加至0.2961m3/min,提升了39.27%.这些结果表明,通过精确控制抽采负压,可以有效提高瓦斯抽采的效率和安全性｡

5、结语

本研究利用COMSOL软件对瓦斯抽采过程中的关键影响因素进行了数值模拟分析｡研究结果显示:

1)提升抽采负压能够在一定程度增加瓦斯抽采纯量,但同时也会导致瓦斯浓度下降;降低“漏气圈”内煤体渗透性的同时提高抽采负压,会提升瓦斯抽采纯量并减少漏入的空气量,从而降低瓦斯抽采浓度｡

2)试验钻孔平均瓦斯体积分数､平均抽采流量在调控后均增加,钻孔平均瓦斯体积分数提升了13.79%;试验钻孔平均抽采流量提升了39.27%.

参考文献:

[1]张世龙,张民波,朱仁豪,等.近5年我国煤矿事故特征分析及防治对策[J].煤炭与化工,2021,44(8):101-106,109.

[2]都锋.钻孔抽采参数对瓦斯抽采效果影响的数值模拟研究[J].能源技术与管理,2023,48(6):36-39.

[3]王海波.贺西煤矿3303工作面瓦斯综合抽采技术研究[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(9):249-250.

[4]陈勇.负压动态调控下矿井瓦斯抽采工况参数变化对比与分析[J].矿业安全与环保,2020,47(5):108-120.

[5]马威.煤矿瓦斯治理“先抽后采”技术的应用[J].冶金与材料,2019,39(1):121-122.

[6]张槐森,秦玉金,苏伟伟.负压对瓦斯抽采效果的影响机制研究[J].煤矿安全,2019,50(8):23-26,31.

文章来源:叶建坤,牛涛涛,刘全福.余吾煤业负压抽采瓦斯规律及动态调控研究[J].煤,2025,34(02):69-72.