采空区非均质多孔介质渗透特性三维建模及应用

为了减小采空区渗透率分布对流场数值模拟精确程度的影响,在岩梁理论和"O"型圈理论研究的基础上,分析了采空区非均质多孔介质孔隙分布规律,建立了采空区孔隙率及渗透率三维分布数学模型;以姚桥煤矿7271综放工作面采空区注CO_2防灭火技术为研究背景,采用FLUENT数值模拟方法,分别研究了采用渗透率三维分布模型及不同固定常数渗透率时采空区气体运移规律,并进行了现场实测对比分析。研究结果表明,沿采空区深度方向,采空区的孔隙率在靠近工作面侧较大;沿工作面倾向,采空区内靠近煤柱侧的孔隙率变化较大,压实稳定区的孔隙率较小。随着渗透率的增大,工作面漏入采空区的漏风量增大,CO_2不易在采空区中聚集;当渗透率减小时,CO_2的体积分数由回风巷侧逐渐向进风巷侧升高。数值模拟采用渗透率三维分布函数得出的结果与实测数据的平均误差为8.0%,小于固定常数渗透率,可为采空区风流场数值模拟研究提供了基础参数依据。     

沿空留巷采空区氧化带分布特征与关键参数分析

为预防沿空留巷采空区内的煤自燃,研究了渗流规律、氧化带分布及影响氧化带范围的关键参数,建立了煤自燃多物理场耦合的动态模型,以典型工作面为例,分析了沿空留巷采空区内煤岩体冒落的分布特征,提出了对应的空隙率分布模型,并将解算结果与现场实测进行对比,计算结果表明:充填墙体厚度在1~4 m时,厚度对氧化带范围影响较小,而墙体的渗透率对氧化带影响显著,渗透率由10-12m2变化至10-9m2,氧化带最宽范围由60 m变化至105 m,面积逐渐增大;邻近采空区渗透率大于10-8m2时,靠近相邻采空区一侧氧化带范围显著增大;因此,对进、回风巷的充填墙体进行堵漏和加固是缩小采空区内煤自燃危险区域的有效措施。     

采空区“三带”划分数值模拟及其应用

根据通风网络理论,建立了采空区渗流模型。通过对采空区渗流场的数值模拟,确定了采空区漏风风速场。并以采空区漏风风速为依据对采空区"三带"范围进行划分。在朱仙庄873综放工作面对所建立的数值方法进行了运用,得到其采空区"三带"的范围。通过与实测结果的对比,检验了模型的正确性。     

基于FLUENT的采空区流场数值模拟

研究使用FLUENT进行采空区数值模拟多孔介质渗透率确定方法时,引入通风阻力定律验证所建三维模型。分别从x、y、z 3个方向总结分析采空区垮落煤岩体碎胀系数,确定采空区孔隙率和渗透率三维连续分布函数。将采场空间作为一个与采空区渗透系数不同的多孔介质区域,建立更加准确的工作面—采空区连续流场数学模型。引入通风阻力特性,对比数值模拟与现场实测压差、风量验证所建阻力系数模型。以沙曲矿14204综采工作面为背景,结合现场实测参数进行数值模拟验证,结果表明该模型是可靠有效的。     

小窑火区下煤层群多层采空区渗流数值模拟

通过对工作面采用均压通风开采时,小窑火区下煤层群多层采空区渗流数值模拟研究,求解了多层采空区渗流和扩散耦合的稳态数学模型,得到速度场和氧气、CO、CO2气体组分浓度场分布,并划分了工作面采空区和上覆采空区自燃"三带"分布范围,经过与实际测定结果比较,模拟结果与实际符合度较好。     

采空区瓦斯渗流规律的CFD模拟

对瓦斯在煤层中流动、在邻近煤层和围岩中流动规律进行分析;总结出采空区瓦斯分布规律。引入地质变化连续函数,更加准确地建立了采空区瓦斯渗流模型,利用CFD软件进行模拟解算,研究了采空区瓦斯渗流场变化规律,并通过对比确定了一种计算模型。研究表明：采用CFD模型研究采空区瓦斯渗流规律是可行的方法之一。     

多孔介质渗流场数值模拟分析

通过比较渗流场与温度场的相似性,论证了利用温度场模拟渗流场的可行性。对于给定的有限元计算模型,利用ANSYS中的APDL参数化语言完成对材料参数与属性的赋值。模拟出渗流场的渗透压及渗流速度的断面分布,根据模拟出的断面流量,计算出等效渗透率,并得出等效渗透率与孔隙率之间的关系。     

基于CFD的远距离煤层卸压瓦斯抽采数值模拟研究

为研究地面钻井抽采上覆远距离煤层卸压瓦斯情况下采空区流场特征,建立了采空区"三带"几何模型,通过数值模拟手段进行分析。结果表明:采空区四周孔隙率、渗透率较大,是瓦斯渗流的主要通道;垂向上采空区中部具有瓦斯浓度先降低后升高直至保持不变的特点;在抽采负压作用下处于弯曲下沉带的卸压瓦斯易向钻井方向流动,不易向采空下方大量涌入。     

采空区孔隙率非均质模型及其流场分布模拟

分析了现有采空区渗透率分块取值或仅按走向上连续分布取值计算方法的缺点,引用顶板岩层沉降理论,建立了垮落带介质孔隙率和渗透率的非均匀连续分布模型;并引入Brinkman Forchheimer的扩展Darcy模型,采用多孔介质流体计算的单区域处理方法,建立了涵盖工作面与采空区统一流场的数学模型.U型采场模拟分析表明：距煤壁10 m以内,受支架和煤柱支撑作用,孔隙率较大为0.4左右,采空区深处岩层沉降明显,其深部边界处孔隙率已接近0.1,总体上采空区倾斜方向和工作面推进方向上孔隙率表现为二维分布规律;漏风风流沿工作面倾向在中间位置点之前即汇出,沿采空区深度方向上漏风强度逐渐减小,在距工作面约40 m时趋于一致,总体上漏风流场垂直于工作面煤壁的中心线呈现出非对称的分布规律.     

不同渗透率条件下采空区自燃“三带”数值模拟

通过建立采空区流场物理数学模型,利用Fluent模拟软件,对采空区渗透率为连续分布、分段均匀分布和均匀分布3种不同条件下的氧浓度进行了数值模拟。结果表明,不同渗透率条件下的采空区自燃"三带"位置和宽度存在很大差异。     

不同渗透率条件下采空区自燃“三带”数值模拟

通过建立采空区流场物理数学模型,利用Fluent模拟软件,对采空区渗透率为连续分布、分段均匀分布和均匀分布3种不同条件下的氧浓度进行了数值模拟。结果表明,不同渗透率条件下的采空区自燃"三带"位置和宽度存在很大差异。     

压入式通风条件下浅埋煤层工作面采空区漏风规律研究

以活鸡兔井12下206工作面为研究对象,基于采空区"O"型垮落压实和非线性渗流理论,结合采空区"竖三带"分布,建立了采空区三维渗透率分布模型,利用CFD软件Fluent对压入式通风工作面采空区漏风规律进行了数值模拟研究。结果表明:压入式通风下浅埋煤层工作面能位大于地表,使得工作面风量经采空区漏至地表,采空区内漏风流场在水平方向上近似呈"O"型分布,在垂直方向上近似呈"浴盆"状分布;从空气能位角度模拟研究了工作面与地表之间的能位差对采空区漏风的影响,研究得到工作面与地表之间的能位差越大,采空区与地表之间的漏风量也越大,并得到工作面与地表之间的能位差与漏风量呈指数函数关系。     

基于sigmoid函数的采空区渗透率模型及瓦斯流场模拟应用

为研究综放工作面的高抽巷对采空区瓦斯流动的控制作用,基于sigmoid函数建立了采空区三维非均质渗透率模型,模型参数能够反映采空区分区、分带特性。以塔山煤矿特厚煤层厚硬顶板条件下的综放工作面为工程背景,由于缺乏"三带"高度经验公式,离散元程序被用于研究其采空区分区、分带特性。通过模型对比和现场监测,分析了采空区渗透率模型的准确性,并结合CFD模拟研究了高抽巷对采空区内流态和瓦斯浓度分布的影响。结果表明,厚硬顶板综放开采条件下运用离散元模拟比综采经验公式得到的"三带"结果更为准确;建立的渗透率模型准确可靠,能真实反映采动覆岩的形态特征;高抽巷导流能消除隅角瓦斯超限危险。     

采空区空隙率分布模型

根据采场上覆岩层移动理论,将采空区沿工作面推进方向分为自由堆积区和承压堆积区,推导建立了采空区空隙率分布模型。该模型在自由堆积区和承压堆积区内分别连续可导,且在两区分界处连续。该数学特性将有利于保证采空区渗流模型求解的稳定性。     

破碎岩石渗流特性及其应用研究

根据采空区岩石的特征,制配破碎岩石岩样,利用MTS815.02岩石力学伺服试验系统及渗透仪完成了破碎岩石的渗流试验,利用1stOpt(First Optimization)软件分别对渗透率和非达西流因子与孔隙率、粒径的关系进行了二元统计分析,分别给出了三者之间的关系式。研究表明,渗透率与孔隙率呈幂次关系,相同孔隙率下,渗透率受粒径影响。根据采空区孔隙率分布情况和试验结果,推出采空区渗透率和非达西流因子的表达式,用VB编程并利用Tecplot9.0软件对数据进行处理,给出了采空区渗透率和非达西流因子的分布图。这对采空区漏风及自燃发火的防治研究具有重要的意义。     

尾巷改变采空区瓦斯流场的数值模拟研究

为了研究尾巷配置对采空区瓦斯流场的影响,根据N1-2工作面的巷道布置情况,建立了配置尾巷的工作面与采空区数学物理模型.结合周期来压对采空区冒落物孔隙率的影响,按周期来压步距分析了孔隙率阶跃变化,合理计算了分段渗透率大小.根据气体在多孔介质中的渗流理论,将FLUENT中3种湍流模型的模拟结果与实测结果对比,选择Realizablek-ε模型对不同条件下的采空区漏风场和瓦斯体积分数场进行模拟,模拟结果与现场效果表明:均匀渗透率和分段渗透率条件下的瓦斯场分布模拟结果与实测瓦斯体积分数对比,分段渗透率的模拟结果更接近实测值;受采空区瓦斯体积分数梯度与渗透率变化的影响,尾巷配风量越大上隅角漏风量越小,尾巷步距越小临近工作面区域的瓦斯体积分数越低,综合尾巷联络巷的施工量与回风顺槽配风量,尾巷步距为50 rn,配风量为总进风的2/3时效果最佳;现场结合尾巷步距、风量分配与调节、周期来压等因素制定了综合措施,提高了尾巷利用率,有效解决了配置尾巷的综放工作面上隅角及尾巷口瓦斯波动超限问题.     

采空区滞留干冰防灭火数值模拟研究

为了实现采空区滞留干冰释放低温二氧化碳防灭火技术,采用Fluent数值模拟方法,建立采空区滞留干冰的渗流场与浓度场的三维模型,对气体运移进行数学计算,研究干冰储存释放装置释放出的低温二氧化碳在采空区中运移规律及对自燃"三带"的影响规律。结果表明:低温二氧化碳从释放点处起渗流扩散至回风侧,布满采空区,到16 d时浓度分布达到稳定。在采空区的进风侧距离工作面40~60 m处二氧化碳的浓度最高,可达35%,在回风侧浓度也达到10%以上,相应的采空区整体的氧浓度都发生了下降,尤其是在进风侧的氧浓度下降幅度较大;使氧化升温带最大宽度从进风侧向采空区中部移动。     

弱胶结地层重复采动覆岩渗透性演化规律研究北大核心

为研究西部地区弱胶结地层煤层群开采过程中覆岩渗透性演化规律,以伊犁矿区伊新煤业开采地质条件为基础,通过构建弱胶结采动地层数值计算模型,分析了重复开采扰动下弱胶结煤系地层覆岩的应力分布特征、塑性破坏区发育及渗透性演化规律。结果表明:近距离上位煤层开采时,采动支承压力峰值的应力集中系数达到1.81,采空区覆岩最大拉应力值达到0.9MPa;上位煤层工作面推进距离达到300 m时,采空区上行破坏区和下行破坏区相互导通;重复开采扰动下,弱胶结地层采动覆岩的孔隙压力大幅下降,采动渗流场呈现采空区四周渗流速度大于采空区中部渗流速度、采空区煤壁侧的渗流速度大于两侧和切眼侧渗流速度,当上行和下行破坏区连通时渗流速度大幅增大;近距离下位煤层开采,当煤层间岩层破坏区初次贯通时,上下煤层间岩层形成中间渗流速度大、两边渗流速度小的扇形渗流场,随着工作面持续推进,最大渗流速度位于工作面前方。     

综放工作面采空区连续注氮防灭火工艺参数仿真优化

为确定5-2S-2综放工作面采空区连续注氮防灭火最佳工艺参数,依据计算流体力学基本理论,构建采空区渗流场物理数学模型,借助于Comsol模拟软件,对不同注氮条件下的采空区氧浓度分布及"三带"划分进行数值模拟研究,得到最佳注氮参数为:注氮量400 m3/h,注氮口位置距工作面30 m,注氮时间15 h/d。     

刘庄矿综采工作面动态注氮参数的优化

为了研究注氮对采空区遗煤自燃"三带"分布的影响,基于"O"型冒落压实和Bachmat非线性渗流模型,运用Fluent软件对刘庄矿171101工作面采场的漏风分布情况进行了数值模拟,模拟得到的工作面风量分布与现场实测结果基本吻合。在此基础上,利用组分输运模型,对不同注氮位置下的采空区内多组分气体浓度场进行模拟分析,结果表明:注氮前、后的采空区内氧气浓度分布发生了明显的变化,特别是在注氮口附近,氧气浓度降低较为明显;甲烷浓度无明显变化。通过多方案比较,优化得到注氮口设置在距离工作面在10~30 m,注氮效果较佳。