基于RNG k-ε湍流模型的3D采空区瓦斯上浮贮移

为研究工作面后方采空区3D空间瓦斯上浮特征,根据质量守恒、动量守恒和Fick定律,建立综放采空区风流-瓦斯变密度混合气体非线性渗流-扩散控制方程。结合大兴矿N2-706工作面实例,运用CFD软件模拟三维采空区瓦斯运移及分布的状态;流场冒落非均质按照“O”型分布描述,计算采用RNG k-ε湍流模型,并考虑重力场条件。理论计算调整与现场实际条件和瓦斯监测记录数据相拟合,指出三维采空区形成的瓦斯分布及上浮态势,是风流移动、瓦斯组分扩散-弥散和含瓦斯风流密度差引起上浮迁移的结果,也是流场瓦斯不断解吸涌出与漏风不断流入所形成的一种动态平衡结果。研究结果表明,采空区高位抽采流量与抽采获得的瓦斯体积分数近似呈反比例函数关系、与回风巷瓦斯体积分数呈负指数函数关系。     

综放工作面抽放条件下瓦斯涌出及分布特征

针对乌兰煤矿5342综放工作面的实际条件,采用立体网格状的测点布置,对该工作面瓦斯体积分数三维分布进行了测定,绘出了瓦斯分布等值线图,采用求函数极值点的方法,得出了工作面沿倾向瓦斯体积分数最低点分布曲线,提出了基于瓦斯体积分数最低点分布函数的瓦斯涌出分量比例计算方法.研究表明,该工作面瓦斯体积分数沿风流方向总体呈逐渐增加趋势,介于0.095%～0.18%之间,受瓦斯抽放点的影响,局部有起伏变化;工作面横断面瓦斯体积分数分布不均匀,受瓦斯涌出、通风和抽放的影响,靠近煤壁侧瓦斯体积分数要高于采空区侧,在距离进风口约18～76.5 m范围内为凹函数分布,大于76.5 m之后,从煤壁至采空区为单调下降函数分布.经测算,该工作面瓦斯抽放总量为20.08 m3/min,风排瓦斯量为0.26 m3/min,瓦斯涌出煤壁占66.35%,采空区占33.65%.     

沿空留巷U型通风瓦斯时空分布及治理研究

针对明鑫煤矿沿空留巷单U型通风回采初期回风巷和上隅角瓦斯蓄积问题,建立瓦斯对流和扩散数学方程,构建强耦合物理模型;对通风稳定阶段,上隅角埋管联合高位钻孔抽采和纯风排条件下瓦斯时空分布进行研究,并通过现场实践进行验证。研究结果表明：回采距离为20 m时,采空区流场形成B型和D型复合分布,使工作面瓦斯体积分数出现峰值现象,存在抽采条件下沿空留巷侧采空区2/5区域形成截流影响区,1/7区域形成三角回流区,表明抽采作用可减弱留巷侧采空区流线向上隅角闭合和采空区流线向留巷侧采空区发展的趋势;抽采条件下,上隅角位置采空区走向方向瓦斯体积分数上升起始点较纯风排滞后4.7 m,上隅角瓦斯体积分数峰值和工作面平均值、回风巷平均值分别下降了86%、69%、37.7%。现场实践表明：治理前后回风巷瓦斯体积分数平稳区延长60 m,上隅角与回风巷瓦斯体积分数峰值下降21.7%。     

采空区高抽巷及埋管抽采下瓦斯分布规律研究

针对高瓦斯矿井采空区遗煤多、瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯体积分数超限等威胁煤矿生产安全的问题,以余吾煤业3#煤层N1101工作面为研究对象,首先数值模拟未抽采时在工作面漏风影响下采空区瓦斯的分布特征.在此基础上,进一步研究高抽巷和预埋立管抽采采空区瓦斯的情况,分析不同抽采方式和抽采位置对采空区瓦斯流场和体积分数的影响规律,以此确定高抽巷的最优空间布置以及预埋立管的最佳埋管间距.最后,通过煤矿现场实测的瓦斯体积分数和抽采流量数据,验证了采空区高抽巷及埋管抽采方式的有效性和合理性,为优化采空区瓦斯抽采方案提供了借鉴.     

埋管抽采参数对采空区自燃特性影响研究

为了提高采空区埋管抽采效果,以开滦集团吕家坨煤矿5877Y工作面为研究模型,通过COMSOL软件模拟不同埋管抽采参数条件下,采空区漏风流场和氧浓度场的变化规律,得到最优瓦斯抽采参数。研究结果表明:随着埋管长度的增加,采空区氧浓度分布情况变化较小,而漏风风流的汇集端不断向采空区深部位移,最佳埋管长度为30m;埋管半径的增加导致采空区"自燃带"逐渐变宽,漏风流速逐渐增大,最佳埋管半径为120mm。埋管抽采参数的确定对采空区瓦斯治理和火灾防治具有重要意义。     

上区段巷抽采采空区瓦斯技术

根据采空区顶板压力分布规律和通风负压作用下采空区风流流动规律,建立采空区瓦斯涌出理论模型,分析采空区瓦斯涌出规律及其与顶板压力和通风负压的关系.提出上区段巷抽采采空区瓦斯技术方法,建立抽采情况下采空区瓦斯流动理论模型,将该方法应用于演马庄矿27091工作面采空区瓦斯抽采,根据采空区瓦斯流动理论模型和现场应用情况提出提高抽采效果的措施.     

高瓦斯煤层群“煤与瓦斯共采”技术研究

为了解决沙曲矿近距离高瓦斯煤层群开采过程中综采面上隅角和回风流中浓度超限这一难题,结合从德国引进的千米定向钻机设备,提出了高抽钻孔纽和顶板裂隙钻孔组联合抽采瓦斯技术,构建了沙曲矿"煤与瓦斯共采"技术体系.本文在项板千米钻孔抽采技术原理分析的基础上,采用UDEC4.0数值模拟软件计算得出采空区冒落带和裂隙带高度为9 m和30 m,采动裂隙"0"形圈的范围为距工作面顶板垂高10～25 m,距采空区两侧水平距离为10～35 m.研究表明,顶板千米大直径钻孔抽采技术治理瓦斯效果明显,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.8%以下,且钻孔抽采瓦斯体积分数达55%以上,抽采量达50 m3/min以上,实现煤与瓦斯安全高效共采.     

无煤柱开采采空区瓦斯分布特征及抽采技术研究与应用

平煤集团为煤层群开采条件，为了更好地开展瓦斯治理工作，采用FLUENT数值分析软件模拟在无煤柱开采条件下，抽采前后戊8煤层采空区瓦斯分布特征，从而为高抽巷抽采钻孔的布置提供参考。研究表明：随着回风横贯距离工作面距离的增加，回风隅角处的瓦斯体积分数逐渐减小，且根据数值模拟结果及现场实际情况，综合确定高抽巷抽采钻孔应布置在垂高14.75倍处最佳，抽采后采空区体积分数明显减小；优化设计了高位瓦斯抽采钻孔的布置，分析钻孔抽采效果，发现高位裂隙带瓦斯浓度基本稳定在23%～45%，瓦斯抽采纯量稳定在12～18 m³/min。表明高位裂隙带瓦斯抽采浓度和纯量基本稳定。     

中能煤矿2301工作面采场瓦斯运移规律数值模拟研究

为了明确采空区瓦斯运移规律,获得采空区范围与瓦斯体积分数间相互关系,为工作面通风设计提供借鉴,根据渗流力学相关理论,结合守衡原理构建风流流动和瓦斯运移过程力学模型,基于采空区不抽放以及抽放瓦斯相结合2种情况下获得了采场瓦斯风流流向和瓦斯浓度场分布。结果表明,预设回风顺槽抽放,可以降低采空区涌入到工作面的瓦斯含量,从而大大降低回风隅角采空区瓦斯体积分数,对回风隅角的瓦斯治理效果非常显著。     

不同数量钻孔瓦斯抽采有效区域数值模拟分析

为了研究钻孔数量对煤层瓦斯压力及有效抽采区域的影响,采用三维数值模拟方法,计算并分析了单排不同数量钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力及有效抽采区域的空间分布特征。结果表明:煤层瓦斯压力变化具有显著的时空响应特征,抽采初期钻孔数量对抽采半径之外的煤层瓦斯压力影响较小,但随抽采时间的增加,钻孔数量对其影响逐渐显现,抽采影响半径增大,瓦斯压力下降趋势加大;钻孔有效抽采区域空间分布形态及其范围受到钻孔数量与抽采时间的影响;有效抽采区域体积与抽采时间基本呈y=ax~b函数关系,且钻孔有效抽采区域体积与钻孔数量并未呈线性关系;在瓦斯抽采过程中钻孔之间会产生叠加效应,随抽采时间的增加叠加效应更加明显。     

水平分段综放开采工作面瓦斯涌出及分布特征

为了深化急倾斜特厚煤层水平分段综放工作面瓦斯灾害理论和技术,分析总结了工作面瓦斯涌出来源,实测了工作面瓦斯浓度分布,利用分源法与估算法对采空区瓦斯涌出量进行了计算,得到了瓦斯浓度沿工作面长度和垂直断面方向的分布规律。研究表明:工作面瓦斯浓度沿风流方向逐渐增大,沿工作面走向断面分布不均,受采空区瓦斯涌出、瓦斯抽采及通风影响,采空区侧的瓦斯浓度高于煤壁侧,考虑瓦斯抽采影响,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的85.08%。因此,建议工作面在开采过程中,采用采空区、邻近层抽采及下部煤体卸压拦截抽采的综合措施防治瓦斯灾害。     

瓦斯抽采条件下采空区自燃升温及注氮降温规律研究

针对瓦斯抽采条件下采空区潜在的自燃问题,利用数值方法研究了瓦斯抽放与注氮并存时的采空区升温过程与流场分布表征。结果表明:采空区经一段时间的升温后高温区位置位于漏风风速放缓的氧气富集区内,其在升温过程中呈现加速特征。大流量的瓦斯抽采会使抽放口附近形成二次高温区域,并使整个采空区升温速率加快。     

高瓦斯综采工作面煤层瓦斯运移机制数值仿真

基于渗流力学原理,构建采场瓦斯运移数学模型,应用CFD技术与空度分布函数实现对不连续空间区域的方程求解,进而数值模拟单独采用专用尾巷疏导瓦斯条件及尾巷疏导与抽采瓦斯相结合条件下采场瓦斯风流场和瓦斯浓度场分布,结果表明采空区回风侧联络巷尾巷排放瓦斯结合采空区抽采,对回风隅角的瓦斯治理效果非常显著。     

高瓦斯回采工作面卸压瓦斯抽采与配风量相关性研究

对阳煤集团3个矿近年来12个回采面不同配风量,矿井主要通风机不同运行状态时的卸压瓦斯抽采数据进行统计分析发现:回采面卸压瓦斯抽采率与配风量成反比。当瓦斯抽采系统能力确定后,加大工作面配风量会使瓦斯抽采率降低;而增加风排瓦斯量,甚至会使上隅角、回风流及瓦斯排放巷的瓦斯浓度升高,与期望目标相背离;采空区卸压瓦斯在其体积浮力和通风流场的共同作用下不断向垮落带顶部的"O"形圈通道的回风侧区域运移,形成卸压瓦斯抽采的最佳区域;强化瓦斯抽采是保障安全高效生产的关键。     

底抽巷一巷两用瓦斯治理技术实践

为解决保护层开采瓦斯抽采中底抽巷利用率不高,工作面瓦斯浓度控制效果差,巷道及钻场布置成本较高的弊端,结合顾桥煤矿的地质条件,合理确定底抽巷的位置及瓦斯抽采钻孔的布置,采用底抽巷"一巷两用"瓦斯抽采方法,既抽采上覆被保护层的卸压瓦斯,又抽采下伏保护层回采后采空区及上隅角的瓦斯。采用底抽巷抽采后:被保护层瓦斯最大和最小残余瓦斯压力分别为0.49、0.21 MPa,平均0.38 MPa,较煤层原始瓦斯压力0.67 MPa明显降低。随着抽采进行,回风流瓦斯体积分数控制在0.17%左右,上隅角瓦斯体积分数在0.7%以下,瓦斯抽采体积分数在30%左右,抽采量在50 m3/min以上。     

高瓦斯易自燃煤层高抽巷瓦斯抽采与浮煤自燃耦合研究

运用FLUENT数值模拟方法对采空区三维耦合场进行研究,简要概括FLUENT流体数值模拟软件基本理论,通过对FLUENT进行自行编程,利用开发模型对杉木树煤矿N3062工作面采空区三位耦合场进行模拟分析,得到漏风流场分布规律。通过理论分析,确定散热带与自燃带分界线处氧浓度降低值,进而准确判定高瓦斯易自燃煤层采空区"自燃带"范围,并通过预先铺设在采空区中的光纤测温系统进一步判定采空区"自燃带"范围。利用实测采空区"自燃带"范围验证数值模拟采空区流场分布准确性,进一步对不同高抽负压条件下采空区自燃带宽度进行模拟,并结合现场实测不同高抽负压条件下回风巷瓦斯浓度及瓦斯抽采率的变化,确定最佳高抽负压范围。最后,采空区三维耦合场数值模拟结果也表明自燃"三带"呈现立体分布,在紧邻支架后部上方位置存在一个自燃发火危险区域。     

七台河新立矿近距离薄煤层群煤与瓦斯共采技术

 七台河新立矿区具有煤层薄、透气性差、煤坚固性系数小、瓦斯含量高等特点,同时煤层群具有分组性,各组内煤层间距较小。为解决邻近层瓦斯涌出量大、顺层钻孔施工难度大、本煤层抽放效果差,回采工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度容易超限等难题,提出了顶板高位近水平长钻孔瓦斯抽采技术,构建了新立矿区近距离薄煤层群煤与瓦斯共采技术体系,并在新立矿区进行了应用研究。本文在邻近层卸压瓦斯抽采技术原理分析的基础上,采用UDEC4.0数值模拟软件计算得出采空区冒落带和裂隙带高度为6～8m和18～20m。抽采结果表明,顶板高位钻孔组瓦斯抽采技术治理瓦斯效果明显,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.8%以下,且钻孔抽采瓦斯体积分数达55%以上,抽采量达50m3/min以上,实现煤与瓦斯安全高效共采。     

基于采场三维相似模型的流场特性实验分析

为研究瓦斯涌出与煤自燃耦合下采空区流场特征,构建了采空区流场三维相似物理模型,分析了模型相似度,并对模型流场特性进行了实验研究。实验结果表明:实验条件下模型巷道风流流态为紊流而进入自模区,模型在常规通风压力下具有较好密封性;模型采空区流场压力随时间变化未出现系统性偏移,压力场相对稳定;在弱排放条件下,瓦斯场50 min后即可达到相对稳定状态;模型多孔介质物理特征符合采空区采动裂隙分布规律。     

高瓦斯易自燃采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟研究

以高瓦斯易自燃111811综采工作面采空区为对象,研究了无抽采和瓦斯立体抽采条件下采空区瓦斯抽采治理效果及与浮煤自燃的耦合影响。通过建立理论模型,结合现场观测,计算得出了分段渗透率范围并建立了采空区渗透率三维控制方程。模拟结果表明:无抽采条件下,采空区瓦斯积聚严重,在可能自燃带范围内存在瓦斯与煤自燃共生致灾危险区,必须加以处置;而在采用了采空区留管及高抽巷等瓦斯立体抽采措施后,有效治理了采空区瓦斯积聚问题,抽采负压4.5 k Pa时,上隅角处的瓦斯体积分数降至0.5%,满足要求;可能自燃带范围内的瓦斯体积分数下降至0.48%~4.69%,有效消除了瓦斯与煤自燃共生致灾危险,保障了安全生产。但瓦斯抽采作用会造成采空区漏风量增大,可能自燃带范围扩大,采空区自然发火危险性有所增加,应加强观测。     

高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理研究

为解决高瓦斯易自燃煤层安全生产过程中的关键难题,结合阳泉矿区石港矿实际情况,利用实验室试验、理论分析和现场实测相结合的方法对高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理进行研究。结果表明:高瓦斯易自燃煤体在含瓦斯风流不同瓦斯体积分数条件下,氧化产物总体上呈现"滞缓效应",而在等温条件下,随着CH4体积分数的增加煤自燃氧化产物总体上呈现"抑制效应";立体抽采条件下采空区漏风使得自燃"三带"范围变宽,同时利用高抽巷和尾巷CO体积分数可进行采空区自然发火预测,将自然发火划分为两个阶段;高瓦斯易自燃采空区立体抽采条件下散热带可采用氧气氮气体积比等于0.221来进行划分,自燃带仍可采用氧气体积分数5%来进行划分。