高含硫煤矿注碱固硫和瓦斯抽采协同优化研究

作     者：范凯祥 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘建军

授予年度：2016年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：高含硫煤矿 硫化氢 注碱固硫 瓦斯抽采 化学场-渗流场耦合 数值模拟 

摘      要：煤矿在开采过程中,经常会遇到很多有毒有害气体,如瓦斯、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮和氢气等。我国煤炭经过近几十年的开采,随着开采深度的逐步加深,一些矿井煤层中硫化氢的问题也越来越突出,尤其是在高硫煤矿开采过程中,伴随瓦斯突出、矿井水突涌,回采工作面经常会产生大量的硫化氢(H2S)气体,严重威胁煤矿的安全生产。目前去除硫化氢比较有效的方法是采前向煤层内部预注碱液,使碱液与硫化氢在煤层内部发生化学反应,从而达到固硫的目的,而在煤层内部钻孔抽采瓦斯已成为治理瓦斯灾害的重要手段。因此,文章的主要目的是研究煤层注碱液体和瓦斯气体的渗流规律,探索钻孔布置的优化方案,最终目的是为煤矿安全开采和经济开采提供一定的理论支持和实践参考。本文主要以龙滩煤矿的地质条件和硫化氢、瓦斯的赋存情况为研究背景,通过建立煤层气-液两相流化学场-渗流场耦合运移模型,研究了煤层注碱固硫和瓦斯抽采的运移规律,并通过优化煤层注碱孔和抽采孔的钻孔布置,得到了相对经济和高效的布孔方案,最后通过对山西某矿的现场注碱试验进行数值模拟,将现场试验数据和数值模拟结果进行对比,验证了所应用的数值模型的正确性和可靠性,主要结论为：(1)注碱压力不同时,碱液渗透半径与注碱压力近似呈线性增长关系,注碱压力一定时,自然渗透半径曲线随时间近似呈线性增长,而有效渗透半径随时间呈现一定的非线性。(2)碱液在钻孔附近的渗流速度梯度较大,在距钻孔较远处,渗流速度梯度较小均满足达西定律。注碱时间较短时,流速矢量较大,随着时间的增加,流速矢量逐渐变小,最后趋于一个较小的稳定数值。(3)考虑硫沉积与不考虑硫沉积的渗透半径-时间曲线整体变化趋势是相同的,硫沉积造成的损伤效应随时间增加而增大并逐渐趋于稳定。(4)通过优化钻孔布置,可大幅降低注碱固硫所需的时间。通过平面钻孔布置优化方案的对比分析可知,优化方案二最多可降低90%的注碱时间。通过空间钻孔的优化布置分析可知,针对不同的煤层气体赋存条件和施工条件,应采用不同的空间钻孔布置。(5)现场注碱试验所得的碱液有效渗透半径为6m～8m,数值模拟所得的碱液有效渗透半径为6.1m,说明数值模拟与现场注碱试验所得的结果基本是吻合的,验证了本文所应用的数值模型可为高含硫煤矿的安全开采和经济开采提供参考。