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RNGk-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,...     

考虑温度变化的采空区瓦斯抽采数值模拟

考虑采空区瓦斯抽采工作面漏风引起采空区遗煤氧化升温问题,基于Darcy渗流定律、Fick扩散定律和Fourier导热定律,利用质量守恒方程和能量守恒方程建立了考虑温度变化的采空区流场、瓦斯浓度场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场的瓦斯抽采多场耦合数学模型;应用有限体积法分别离散了考虑温度变化下的采空区瓦斯抽采多场耦合二维数学模型,基于Microsoft Visual Basic编制了计算机解算程序,利用Tecplot软件对求解结果进行可视化,研究了瓦斯抽采前后的采空区瓦斯压力、瓦斯浓度、氧浓度、固体温度和气体温度分布情况及前后变化趋势。结果表明:瓦斯抽采前,采空区下隅角附近存在明显的气体高压区并且向四周逐渐降低,上隅角附近存在明显的气体低压区并且向四周逐渐升高;瓦斯浓度从下隅角向上隅角逐渐降低,采空区深处的瓦斯体积分数高于近工作面处,高达16.0%;采空区下隅角附近的氧气体积分数较高,达到7.0%,且氧气浓度由下隅角向上隅角逐渐降低;在采空区漏入风侧存在明显的固体和气体高温区,并且温度由此处向四周逐渐降低。瓦斯抽采后,在抽采点处形成气体低压区,气体压力在采空区深度方向变化趋势缓慢;采空区上隅角的瓦斯浓度大幅降低,而采空区深处的瓦斯受抽采的影响较小;采空区浅部(0～100 m)氧气浓度升高,采空区深部(100～300 m)氧气浓度基本保持不变;高温区依旧形成于采空区漏入风侧,但高温区的范围有所扩大,采空区内固体和气体温度最大值要比抽采前高2℃。     

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。     

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.     

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。     

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。     

地面钻井抽采负压对采空区气体流场分布影响

将采空区视为各向同性多孔介质,构建了采空区气体流场基本闭合方程组,利用FLUENT模拟软件对采空区内部气体流场进行模拟,分析了地面钻井不同抽采条件下的采空区内部气体浓度分布特征,以此研究地面钻井不同抽采负压对采空区气体流场的影响。研究发现地面钻井布置在采空区靠近回风巷20～70 m有利于抽采,且负压抽采可能给采空区带来自然发火的危险,但在采取一定的监控措施下,40～50 kPa的抽采负压是可取的。     

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.     

王庄煤矿6206综放面采空区瓦斯流场及浓度分布规律研究

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对6206综放面回采不同区段时采空区瓦斯流场及浓度分布进行了数值模拟,得到了"J"型通风条件下的采空区流场及瓦斯运移规律。结果表明,采用"J"型通风系统可减少采空区向上隅角的集中漏风,对有效解决工作面上隅角瓦斯积聚有着重要的作用。     

一进两回Y型通风采空区气体分布数值模拟

为了掌握Y型通风采空区气体分布规律,根据现场实际建立了一进两回Y型通风采空区物理模型,运用Fluent软件对一进两回Y型通风采空区漏风流场、漏风量和瓦斯浓度分布进行数值模拟研究。结果表明:随至下隅角距离的增大,工作面向采空区的漏风量减小,在上隅角附近漏风量急剧增大;沿采空区长度方向,越靠近采空区深部瓦斯浓度越大;沿工作面方向靠近运输巷侧瓦斯浓度低,靠近沿空留巷侧瓦斯浓度高。     

离柳矿区综采工作面瓦斯涌出规律研究

针对山西离柳矿区煤层瓦斯赋存特点及综采工作面开采条件,实测得出了工作面瓦斯浓度分布特征、工作面煤壁和采落煤块瓦斯涌出规律;通过数值模拟分析了采空区流场和瓦斯浓度分布特征,测定了采空区瓦斯涌出的有效深度;综合分析了工作面地质、开采条件对瓦斯涌出的影响.     

浅谈坚硬石英砂岩顶板综放工作面通风方式优选

夏阔坦矿业公司工作面顶板为坚硬细砾砂岩和石英砂岩,采空区易悬顶,顶板来压垮落时,易引起采空区瓦斯燃爆、回风隅角和回风流瓦斯超限。在氧气、火源不可控条件下,通过优选合理的工作面通风方式,改变采空区风流场和瓦斯浓度场,超前采取顶板预裂爆破、高位钻孔抽采等手段使工作面顶板垮落在瓦斯浓度3%以下采空区区域内,有效预防采煤工作面回风隅角瓦斯超限和坚硬石英砂岩相互摩擦、撞击产生火花引燃采空区瓦斯等事故。     

高瓦斯矿井急倾斜综放面瓦斯涌出规律研究

针对四川广旺公司赵家坝煤矿1944综采工作面上隅角瓦斯超限的问题,采用单元法在现场测量工作面瓦斯涌出量和采空区漏风量,研究了高瓦斯矿井急倾斜综放面瓦斯涌出规律以及U型上行通风工作面风流流动原理。结果表明,采面的瓦斯浓度从煤壁至中部再至采空区有先下降后上升的趋势,采空区的回风侧瓦斯浓度要比进风侧高,靠近回风侧的采面上部（上隅角附近）是瓦斯浓度容易超限的区域;采面上、下隅角部分的漏风量最大,在上、下隅角采取堵漏措施可以有效防止采空区瓦斯涌出至工作面。     

采空垮落区瓦斯非线性渗流-扩散模型及其求解

根据高强度快速推进条件下大空间采空垮落区瓦斯运移的特点,按照渗流力学理论,将采空区视为连续的渗流空间,瓦斯在采空区实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程,通风风流流动状态是由工作面湍流向采空区深部层流的过渡状态.运用质量守恒定律和非线性渗流方程,提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,综合考虑了流体压力梯度和动能作用,比较适合采空垮落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律.通过数值求解,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理.     

泄排巷对采空区瓦斯分布影响的数值模拟

为了考察泄排巷对采空区瓦斯分布的影响,运用滤流理论建立了采空区瓦斯运移数学模型,模拟研究了无瓦斯泄排巷、有1条泄排巷和2条泄排巷,以及泄排巷位置发生变化时采场瓦斯分布特性。结果表明,泄排巷数目和位置对采空区瓦斯分布有重要影响,其作用相当于漏风汇,能分流采空区瓦斯,从而降低工作面上隅角、回风流及采空区瓦斯浓度,并且泄排巷离回风巷越近,分流瓦斯的效果越好。泄排巷对采空区瓦斯分布的影响上层比下层更大。     

“U+L”型通风条件下采场瓦斯分布规律研究

为了研究“U+L”型通风条件下采场瓦斯分布规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了工作面瓦斯赋存规律和多孔介质瓦斯运移模型基本方程,然后,采用Fluent数值模拟软件,模拟了“U+L”型通风方式下采空区瓦斯浓度分布、工作面瓦斯分布规律以及采空区风流场分布规律。研究得出,该通风方式下,能够稀释和疏散采空区瓦斯,同时也增大了回风巷排瓦斯的负担,应增加其他相关瓦斯抽采措施,确保矿井的安全开采。