ba于UDEC的高位钻孔抽放瓦斯数值模拟研究

★煤矿安全——晋城煤业集团公司协办★ 基于UDEC的高位钻孔抽放瓦斯数值模拟研究* 李霄尖1 姚精明2 刘会田1 何富连3 李鹏举2 (1．阳煤集团新元有限责任公司，山西省寿阳市，031700； 2．北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室，北京市海淀区，100083； 3．中国矿业大学资源学院，北京市海淀区，100083) 摘要通过应用UDEC4．0软件，对E310101工作面开采过程中覆岩运动规律进行 了模拟，结果表明工作面垮落带高度11．2m，裂隙带高度为37．2ITI，“O”型圈分布在距离 38煤层23．83121、在工作面一侧距工作面15～45In采空区内。在此基础上确定了该工作面 瓦斯抽放的高位钻孔参数，并进行了现场实施。 关键词 高位钻孔 瓦斯抽放 “0”形圈 数值模拟 中图分类号TD712．61文献标识码A Researchonnumericalsimulationofhighlevelborehole drainaginggasbaseonUDEC LiXiaojianl，YaoJingmin92，LiuHuitianl，HeFulian3，LiPengju2 (1．YangquanminingGroupXinyuanlimitedco．，shouyang031700，Shanxi，China； 2．StateKeyLaboratoryofHigh—EfficientminingandSafetyofmetalminesofministryofEducation， UniversityofScienceandTechnologyBeijing，100083．China； 3ChinaUniversityofminingandTechnology，Beijing，100083，China) AbstractThenumericalsimulationresultsofoverlyingstratamovelawsduringminingfaceE310101byudee showthattheheightofcavingzoneis11．2meters，andtheheightoffracturedzoneis37．2meters，andtheshape enclosesOnearfacedistributesrangefrom15metersto45metersoffaceingoal．Accordingtoabovesimulatedre- sults，theconstructionparametersofhighlevelboreholearefixed． Keywoldshighlevelborehole，gasdraining，shapeencloses0，numericalsimulation 1 UDEC分析模型和方案 1．1 E310101工作面地质概况及UDEC模型的建 立 新元煤炭有限责任公司E310101工作面开采 山西组中部38煤层，煤层平均厚度为2．4rn，直 接顶为砂质泥岩，平均厚度2．27m，老顶为中粒 砂岩，底板为灰色砂质泥岩，平均厚度2．98ITI。 模型采用库仑一摩尔模型，取煤层开挖方向为 z轴，岩层垂直方向为Y轴方向，高度和长度分别 取100ITI和300ITI，其中，底板高度为23．3m， *基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金资助项 目(2007～1108)，高等学校优秀青年教师教学科研奖励。 幕于UDEC的高位钻孔抽放瓦斯数值模拟研究’ 顶板高度为74．2m，模拟采深560rn，开切眼位 置距左侧边界50m，切眼宽度7m(如图1所示)， 在模型上边界施加均布载荷以模拟其上方的顶板岩 层的自重应力q—pgh，模型两端边界条件均为 实体煤岩体，无水平位移，下部边界条件为底板， 无垂直位移。 1．2 E310101工作面UDEC模拟内容和方案 1．2．1 开挖前的计算模拟 E310101开切眼未形成以前，模型内的岩层已 经处于原岩应力场中，开切眼的开挖和工作面的推 进是在已有的原岩应力场的基础上进行的，因此， 开挖前进行计算模拟直至应力平衡。 1．2．2 开挖后的计算模拟 93 万方数据 (1)工作面顶板三带的模拟。工作面推进200 m，此时采空区中部顶板岩层已充分垮落，根据采 空区中部顶板岩层的垂直位移加以确定三带范围。 在采空区中部(即工作面推进到100m处)从38 煤层顶板向上布置14个测点，测点的位置如表1 所示。 表1各监测点位置列表 (2)裂隙带主关键层的确定。裂隙带主关键层 的垂直位移远小于下位裂隙带岩层的垂直位移，且 和其上位裂隙带岩层垂直位移一致。工作面推进 200rn，根据裂隙带岩层的垂直位移和垂直应力可 以得出裂隙带主关键层，为此在采空区中部布置 14个测点，与表1所示方法一致。 (3)裂隙带主关键层和下位岩层的离层。裂隙 带在弯曲下沉过程中，主关键层和下位岩层产生最 大离层。因此，工作面推进200m，自工作面向采 空区方向，在关键层和下位岩层交界处，每隔5m 取一个点，总共取21个点，根据所取各个点的离 层量情况，确定离层区的范围和宽度。 2数字模拟结果分析 2．1 工作面顶板三带的模拟结果分析 工作面推进到200m时，3。煤层上覆岩层及 各观测点的垂直位移见图2。 从图2中可以看出，工作面推进到200m时， 38煤层上位的第一层岩层下沉量达到2．456m，表 94 明3”煤层顶板充分下沉；从38煤层向上，各岩层 的下沉量逐渐减少，并最终趋于稳定，其中测点1 至测点5，各测点的岩层下沉量比较大，都在1．66 m以上，表明这部分岩层已经垮落，测点6岩层的 下沉量为1．042iri，和其上位测点5的岩层下沉量 相差比较大，达到0．62m，表明测点6岩层已经 断裂下沉，但是没有随测点5岩层一起垮落；测点 6到测点1l岩层的下沉量均在0．34m以上，表明 这部分岩层已经断裂，但是没有垮落，测点12至 测点14的岩层下沉量都在0．21m以下，趋于稳 定，并且该范围内岩层之间下沉量相差很小，这说 明这部分岩层没有断裂，只是稍微有点弯曲下沉。 由以上分析可知，测点1至测点5的岩层处在 垮落带，测点6至测点11岩层处于裂隙带，测点 12及其以上岩层处于弯曲下沉带。因此，垮落带 的高度为37—25．8=11．2m；裂隙带高度为63— 25．8—37．2m，其范围为11．2～37．2m，距离煤 层37．2m以上岩层处于弯曲下沉带。 O 昌一0．5 谗一1 盏_1．5 脚一2 —2．5 各测点编号 1 2 3 4 5 67 891011121314 图2工作面推进到200m各测点垂直位移 2．2裂隙带主关键层数值模拟结果分析 工作面推进到200m时，38煤层顶板垂直应 力如图3所示。 测点。广“蛋44阜；里轴蛆蚪4 ∞一2 皇一4 、-R-6 理-8 删一10 嘲一12 一14 图3各测点的垂直应力 从图3可知，从测点1至测点9，测点所在岩 层受到的垂直应力基本增加，其中测点9所在岩层 受到的垂直应力最大，达到12MPa，从测点lO到 测点13岩层受到垂直应力降低，测点13至测点 14岩层受到的垂直应力增加，这表明在测点1至 测点12所在岩层内，测点9所在岩层为关键层， 其控制测点10至测点12所在岩层，测点14也为 中国煤炭第34卷第8期2008年8月 万方数据 亚关键层。根据上面所确定的裂隙带范围11．2～ 37．2m，因此测点9所在岩层为裂隙带主关键层， 即6．40rn厚的中砂岩就是开采38煤层裂隙带主关 键层。 一 r。一 综上所述，距38煤层的23．83m，厚度为 6．40m的中砂岩就是E310101工作面开采过程中 裂隙带的主关键层。 2．3裂隙带主关键层和下位岩层的离层数字模拟 结果分析 一 根据关键层理论可知，裂隙带最大离层发生在 主关键层和下位岩层之间，即“o”型圈分布在裂 隙带主关键层和下位岩层之间。工作面推进到200 m时，裂隙带主关键层和下位岩层的离层量见图4 所示。 E 弋 删 瞍 镀 图4裂隙带主关键层和F位岩层的 离层量与距开切眼距离的关系 从图4可知，工作面推进200m时，从距开切 眼100m向工作面推进方向，裂隙带主关键层和 下位岩层的离层量逐渐增加，此后随着距开切眼的 距离进一步加大，裂隙带主关键层和下位岩层的离 层量逐渐降低，最大离层量发生在距开切眼170 m，即距工作面30m处。其中，距离开切眼155 ～185m范围内，裂隙带主关键层和下位岩层的离 层量均在5cm以上，距离开切眼100～150m范围 内，最大离层不超过4．10m，这表明这部分岩层 在采动过程中产生的离层已不同程度被压实。距离 开切眼190,---195m范围内，裂隙带主关键层和下 位岩层最大离层不超过3．4012"1，这表明在该范围 内岩层还没有充分垮落，裂隙带主关键层和其下位 岩层变形都比较小，在距离开切眼200m左右， 即工作面处，由于应力集中，岩层被压缩，所以各 离层产生负值。 因此，裂隙带主关键层和下位岩层的最大离层 发生距离工作面30m处，离层量超过5m的离层 显著区域为距离开切眼155～185m的30m范围 内，即工作面开采过程中的“O”型圈宽度为30 m，分布在距离工作面15～45m范围内。 基于UDEC的高位钻孔抽放瓦斯数值模拟研究‘ 3现场应用 根据上述数值计算结果，新元煤炭有限责任公 司E310101工作面邻近层抽放瓦斯高位钻孔参数 为：钻孔仰角25。，施工角度29。，钻孔长度52．7 m；钻孔间距为20～28m，钻孔布置在与回风巷 道相邻的尾巷顶板。 (1)从图5、图6中可以看出，尾巷瓦斯抽放 量、回风巷道瓦斯浓度随时间都是呈递减的关系， 抽放初期，瓦斯抽放量较大，巷道瓦斯浓度也很 大，其中尾巷的瓦斯抽放纯量为3．62m3／min， 回风巷道瓦斯浓度更是达到6％，瓦斯抽放后期， 回风巷道瓦斯浓度均在2％～3％，远低于抽放初 期的6％，这说明瓦斯抽放效果已经达到要求，抽 放效果比较好。． t 4 睾3 要 塞2 羹l 鹾 时问／d 图5 E310101工作面尾巷瓦斯抽放量随时间变化曲线 时同，d 图6 E310101工作面回风巷道瓦斯浓度随时间变化曲线 (2)瓦斯有效抽放的时间为2个月，在这个 时间段内，瓦斯抽放量较大，此后，尾巷瓦斯抽放 量基本稳定在2m3／min左右。 一· 4结论 (1)通过UDEC4．0对新元煤炭有限责任公司 E310101工作面数值模拟表明，工作面的垮落带高 度11．2m，裂隙带高度为37．2m，“O”型圈分布 在距离38煤层23．83m，在工作面一侧距工作面 15-,-．45rfl采空区内。 (2)根据UDEC数值计算结果，新元煤炭有 限责任公司E310101工作面邻近层抽放瓦斯高位 钻孔参数为：钻孔仰角25。，施工角度29。，钻孔 长度52．7m；钻孔间距为20～28m，钻孔布置在 与回风巷道相邻的尾巷顶板。 (3)新元煤炭有限责任公司 (下转第99页) 95 万方数据 (如挥发性成分)对煤尘吸附水能力的影响；哪种 处理水的方法更加有利于煤尘颗粒与矿井水形成的 液滴之间碰撞、吸附、湿润、渗透；哪种处理水的 方法有利于现场的操作等这些方面加深研究。 在建造的故障树中，液滴尺度为出现多次的中 间事件，这表明液滴的尺度在喷雾系统中是非常重 要的因素，必须寻求液滴的最佳尺度，有利于液滴 与煤尘颗粒的吸附、湿润、渗透。目前这方面研究 不少，但仍需对呼吸性煤尘做进一步研究。同时， 液滴速度与煤尘颗粒速度，也要寻找一个最佳值， 因为速度大，有利于液滴与煤尘颗粒的碰撞，但减 少了液滴与煤尘颗粒之间的有效作用时间，不利于 煤尘颗粒的沉降。 根据现场产尘源的特点，应合理布置喷嘴喷雾 方向、喷嘴数量。喷嘴喷雾方向有利于液滴与煤尘 颗粒的相互作用；喷嘴数可增大喷雾的有效作用 带、液滴数和液滴与煤尘颗粒的作用时间等。 4结论 (1)本文建立的喷雾系统降尘的故障树清楚地 反映了该系统的相关因素和它们之间的因果逻辑关 系。如果所有基本事件的发生概率已知，则可以计 算所有基本事件的重要度顺序和顶事件发生的概 率；根据建立的故障树，主要的基本事件可以分为 4大类。 (2)建立了喷雾降尘效率的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型，为定量 分析喷雾降尘效率奠定了基础。 (3)通过对影响喷雾降尘效率的关键因素分 析，表明考虑煤尘颗粒的亚微观结构特征、性质及 形状，矿井水的成分及性质，更利于选择有效的水 处理方法，提高降尘效率}为了增加液滴与煤尘颗 粒的有效作用时间，喷嘴的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、布置和数量的选 择应该达到喷雾液滴的最佳尺度和最佳速度，并与 煤尘颗粒的尺度相匹配。 参考文献： [1]张顶立，张延松．我国综采放顶煤粉尘控制技术的研 究与发展[J]．中国安全科学学报，1997(2) E23U．&DepartlnentofLabor．PracticalWaystoReduce ExposuretoCoalDustinLongwallmining——AToolbox [M]．1999 [3]赵栋，刘文虎，姚理忠．矿井综合防尘措施[J]．矿业安 全与环保，2003(6) [4]时训先，蒋仲安，楮燕燕．煤矿综采工作面防尘技术研 究现状及趋势[J]．中国安全生产科学技术，2005(2) [5]陈喜山．系统安全 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学[M]．中国建材工业出版社， 2006 [6]Cybulski，W．＆coalDustExplosionandTheirSup— pression．Warsaw：ForeignScientificPublicationDepartment [M]．1975 ． [7]傅贵，陈学习，雷治平．煤体吸湿速度实验研究[J]．煤 炭学报，1998(6) ． [8]聂百胜，何学秋，冯志华．磁化水在煤层注水中的应用 探讨[J]．辽宁工程技术大学学报，2007(1) [9]秦文贵，赵中玲，王振江．降尘剂对煤吸水性的影响 EJ]．煤炭工程师。1998(2) [10]安燕，刘云，曰海科．磁化水及其溶液表面性质的研 究[J]．贵州工业大学学报，1998(4) [113邱冠周，胡岳华，王淀佐．颗粒问相互作用与细粒浮 选[M]．长沙：中南工业大学出版社，1993 作者简介：赵振保(1965一)，男，山西新绛人，副教 授，博士研究生，从事煤矿安全及粉尘防治方面的研究。 (责任编辑孔晋华) (上接第95页)E310101工作面的现场瓦斯监测 表明高位钻孔抽放瓦斯效果较好，高位钻孔参数布 置合理。 参考文献： [13钱鸣高，缪协兴等．岩层控制的关键层理论[M]． 徐州：中国矿业大学出版社，2003 [2]钱鸣高，许家林．覆岩采动裂隙分布的“0”形圈 特征研究[J]．煤炭学报，1998(5) [3]刘泽功，袁亮等．开采煤层顶板环形裂隙圈内走向 长钻孔法抽采瓦斯研究[J]．中国工程科学，2004(5) [4]李霄尖，姚精明等．高位钻孔瓦斯抽放技术理论与 实践口]．煤炭科学与技术，2007(4) 基于故障树原理的煤矿喷雾降尘效率研究’ [5]许家林，钱鸣高．地面钻井抽放上覆远距离卸压煤 层气试验研究口]．中国矿业大学学报，2000(1) [6]许家林，钱鸣高，金宏伟．基于岩层移动的煤与煤 层气共采技术研究[J]．煤炭学报，2004(2) [7] ITASCACG．Universaldistinctelementcode [M]．NewYourkHashker．1996 [8]方新秋，万德钧，钱鸣高．离散元法在分析综放采 场矿压中的应用[J]．湘潭矿业学院学报，2003(4) 作者简介：李霄尖(1960一)．男，山西阳泉人。工程 师，阳煤集团新元有限责任公司总工程师。 (责任编辑孔晋华) 99 万方数据