采空垮落区的风流运动和瓦斯运移作用机理

通过对采空区内矸石的特性分析,研究瓦斯在采空区中的扩散规律。建立瓦斯在采空区内扩散的数学模型,描绘了回采中采空区瓦斯的运移与分布的流体动力学原理。给出增大风量后瓦斯分布的算例,由此反映出工作面风压与采空区内部瓦斯压力的动态平衡性。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。通过数值模拟并与实验结果对照,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理。认为采空区内瓦斯扩散的数值模拟的模型是有效可行的,为扩散规律的研究提供理论依据,从而有助于煤矿瓦斯监测与安全管理。     

基于采空区孔隙率动态演化模型的卸压瓦斯运移规律研究

为了获得工作面推进过程中采空区卸压瓦斯的运移规律，以大佛寺煤矿40118工作面为研究对象，基于煤岩层的物理力学参数，建立了基于采空区应力分布特征的采空区孔隙率动态演化模型，采用数值模拟的方法获得了工作面不同通风量、高位钻孔不同抽采负压，以及不同瓦斯涌出量条件下的采空区瓦斯运移规律。研究结果表明：采空区孔隙率动态演化模型可以较好地适应该矿的地层条件，其随着工作面推进而动态变化；在高位钻孔抽采条件下，随着工作面通风量和抽采负压的增大，采空区瓦斯浓度(甲烷体积分数)逐渐减小，但浓度值处于爆炸界限内的区域却有所增加，这在一定程度上增大了发生瓦斯爆炸风险的范围；随着采空区瓦斯涌出量的增加，采空区内甲烷体积分数整体上升，但瓦斯爆炸风险有所降低。     

高温源和封闭对采空区瓦斯运移规律的影响

为了得到采空区瓦斯运移规律,以小型采空区气体运移规律实验台为研究对象,利用计算流体力学软件Ansys-fluent对综放面采空区瓦斯运移规律进行了数值模拟,研究采空区在采用"U"型通风方式下,通风量、高温源和封闭分别对采空区的瓦斯浓度分布的影响。结果表明:通风量适当的增大能明显的降低采空区浅部的瓦斯浓度;采空区出现高温源后,随着温度升高,采空区底部瓦斯受热加剧,升浮作用明显,使得瓦斯向采空区上部积聚;采空区进行封闭措施后,采空区浅部瓦斯浓度上升较快,在各个方向上的浓度梯度逐渐消失,整个采空区瓦斯浓度不断上升并最终趋于平衡。     

沿空留巷综放工作面采空区瓦斯运移规律

本文结合河南某矿14211沿空留巷综放工作面实际,结合渗流力学及流体力学理论建立采空区瓦斯运移数学模型,利用FLUENT数值模拟软件模拟得出了沿空留巷综放工作面采空区瓦斯运移分布规律。结果表明:采空区瓦斯浓度沿深度方向呈增大趋势,回风侧瓦斯浓度高于进风侧,上部区域瓦斯浓度高于下部。     

大佛寺煤矿40108综采工作面瓦斯涌出规律及影响因素分析

为了合理地确定高抽巷的布置和抽采参数,通过束管监测,研究了40108综采工作面和采空区瓦斯浓度分布规律以及影响工作面瓦斯涌出的关键因素。研究结果表明:工作面沿倾向从进风巷到回风巷瓦斯浓度逐渐增大,采空区距工作面33~38 m范围内,瓦斯浓度逐渐增大到5%,到采空区深部,瓦斯浓度趋于稳定。综采工作面绝对瓦斯涌出量随产量和推进速度的增加而增大,而当工作面推进速度超过一定值时,有所下降;相对瓦斯涌出量随着产量和推进速度的增大而呈负指数规律衰减。     

双U形通风系统采空区瓦斯运移规律研究

应用FLUENT软件对综采工作面双U形通风方式采空区瓦斯运移规律进行数值模拟,得出采空区走向方向、垂直方向和倾斜方向瓦斯浓度分布规律;进而发现采空区内高浓度瓦斯富集带,瓦斯浓度最高可达85%左右,为瓦斯抽采合理位置的确定提供了理论依据。     

高抽巷抽采负压优化的数值模拟

基于山西某矿9101工作面的实际情况,利用Fluent模拟软件针对高抽巷不同抽采负压对采空区瓦斯分布规律的影响进行研究。结果表明:采空区在高抽巷不同抽采负压下均呈高瓦斯区域逐渐减小,低瓦斯区域逐渐增加的趋势,采空区内回风侧瓦斯浓度降低的速度比进风侧采空区大,且距离工作面越近,高抽巷瓦斯抽采的影响越明显;随着高抽巷抽采负压的增加,高抽巷抽采混量和抽采瓦斯纯量都逐渐增加,抽采负压超过12 k Pa后,抽采瓦斯纯量增速明显减小;抽采瓦斯浓度呈先增大后减小的趋势,当抽采负压为12 k Pa时存在1个峰值即14.25%,综合考虑高抽巷抽采瓦斯纯量和瓦斯浓度的变化,确定9101工作面高抽巷抽采负压为12 k Pa左右最合理。通过现场实测的采空区瓦斯浓度值与模拟值基本吻合,误差在工程允许的范围内。     

“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。     

采空区注氮对瓦斯爆炸危险区的影响数值模拟

为研究注氮对高瓦斯矿井采空区内瓦斯爆炸危险区的影响,以安徽许疃煤矿3235工作面为实例,使用COMSOL多物理场耦合模拟软件建立采空区注氮模型,分析了不同注氮流量及注氮位置条件下采空区气体运移规律,并依据线性叠加的数学原理对采空区瓦斯爆炸危险区进行划分,分析其分布特征。通过对比研究发现:随采空区注氮流量的增加,爆炸所需最低浓度的氧气和爆炸极限内的甲烷,分别有向工作面和采空区移动的趋势,瓦斯爆炸危险区的最大宽度以及面积均呈现减小趋势;注氮位置和瓦斯爆炸所需氧气体积分数的危险区域,在一定范围内呈现负相关性。     

王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律及卸压区瓦斯抽采试验研究

为实现低瓦斯高涌出矿井综放工作面安全高效开采,以王家岭煤矿为背景,结合物理相似模拟实验、UDEC数值模拟和微震监测,系统分析了王家岭煤矿综放工作面上覆岩层运动规律,在此基础上,开展了现场卸压区瓦斯抽采试验。研究结果表明：随工作面推进,煤层顶板上覆岩层垮落高度距煤层底板距离增大,离层裂隙距顶板距离增大,空洞高度减小;采空区两侧瓦斯运移通道的裂隙多于压实区的裂隙。初次来压前,采空区垂直应力随工作面的推进而降低;初次来压后,采空区垂直应力随工作面的推进而增大。在进、回风巷顶板,煤层、采空区顶底板共发生2 572个微震事件,工作面前方50 m范围内应力集中较大,应注意超前支护防范。12301工作面周期来压步距20～26 m,采动裂缝带高度90～110 m,周期来压4～6次。现场卸压区瓦斯抽采试验中,合理层位工作面瓦斯抽采量是其他层位工作面瓦斯抽采量的1.5倍,且工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%,瓦斯治理效果显著。     

厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律分析

矿井瓦斯是在煤的变质和煤的生成过程中伴生的一种气体,是影响矿井安全开采的主要因素。采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对厚煤层采动覆岩变形特征及瓦斯运移规律进行了研究,分析了厚煤层采动覆岩变形特征、瓦斯在裂隙带中的扩散计算方程以及不同高度时和不同走向区域时瓦斯压力和流场分布规律。研究得出:切眼裂隙区的瓦斯浓度高于压实区的瓦斯浓度,在空间上瓦斯浓度呈“回型”分布;瓦斯在边界离层裂隙带进行集聚,在竖直方向上瓦斯浓度呈“马鞍型”分布。研究为钻孔合理层位的选择提供了理论支持,确保了矿井的安全生产。     

采动条件下围岩破坏及瓦斯流动规律研究

为了研究采动条件下围岩破坏及瓦斯流动规律,分析了煤层开挖和瓦斯流动卸载模拟分析,采用数值模拟软件,研究了采动条件下上覆岩层垂直变形破坏规律、工作面推进方向上煤层破坏规律以及煤层孔隙率和渗透率变化规律。研究为巷道支护和瓦斯抽采提供了理论支持。     

散体充填材料压实力学特性的宏细观研究

为提高西部矿区散体充填材料的抗压性能,采用扫描电子显微镜技术、图像处理技术以及颗粒流数值模拟相结合的方法,研究散体充填材料的细观参数与宏观应变量之间的关系。通过选取颗粒等效粒径、颗粒形状系数、颗粒定向度、表观孔隙率、连通率和颗粒接触关系等6个指标对散体充填材料的形态特征、孔隙特征、接触特征进行了细观量化分析;通过PFC数值模拟对散体充填材料细观参数与宏观压实力学特性的相关性进行了模拟研究,结果表明：颗粒摩擦因数和颗粒孔隙率是散体充填材料宏观应变量的主控参数。基于西部矿区散体充填材料的细观结构,从减少充填材料孔隙率和增大充填材料摩擦性两方面出发,对其进行优化,并将优化后的散体充填材料在陕北常兴煤矿3101工作面进行工业性试验,实测地表最大下沉量为15 mm,最大水平变形为0.8 mm/m,地表沉陷得到有效控制。     

两种典型受载含瓦斯煤样渗透特性的对比

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩实验系统,进行了受载含瓦斯煤的渗透特性实验,对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤两种典型煤样的渗透特性之间的异同。研究结果表明,控制煤体渗透率大小的直接原因是有效孔隙度而非总孔隙度,有效孔隙度大,则渗透率大。在恒定瓦斯压力条件下,型煤与原煤的渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;相同实验条件下,型煤渗透率普遍远大于原煤渗透率,且型煤渗透率随围压下降的速度比原煤的快。在恒定围压条件下,型煤与原煤的渗透率呈现先减小后增加的趋势,在瓦斯压力p<1.0 MPa范围内均具有明显的Klinkenberg效应。全应力-应变条件下,瓦斯渗流规律与煤样的破坏形式相关,煤样渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的“V”字型变化规律。     

风速对工作面瓦斯稀释影响规律的数值模拟

以张矿集团宣东二矿33208工作面为工程背景,运用数值模拟软件Fluent研究了工作面风速对瓦斯稀释的影响。研究结果表明:风速固定时,风流对工作面各处瓦斯稀释作用不同,其规律是在垂直工作面推进方向上靠近煤壁处呈波浪形,其他部分规律为较缓慢减小趋势,仅在局部出现较小变化;风速对工作面空间混合气体密度分布的影响表现在自工作面煤壁至采空区距离上呈“反J”字型,且对靠近工作面煤壁处影响较大;在垂直工作面推进方向上呈“J” 字型,且对回风巷附近气体密度影响较大;在瓦斯涌出量一定的情况下,随着风速的增加,上隅角的范围呈减小趋势,且其内混合气体密度越小。     

地应力分布对动力灾害的影响规律分析

为研究地应力分布特征对煤与瓦斯突出的影响规律,采用理论分析和现场实例验证相结合的方法,即通过数值模拟方法分析原岩应力的分布对采动应力场、煤岩体的物理力学性质等要素的影响,探究应力方向对采面回采突出危险性影响规律,并结合桑树坪煤矿南一采区实测数据加以验证。研究结果表明,当最大应力方向垂直于巷道掘进或采面回采方向时,工作面前方应力集中现象更明显、卸压破坏区范围更大、煤体孔隙率更低,工作面发生突出危险率也更强。并结合桑树坪煤矿南一采区煤与瓦斯突出现象与地应力实测数据,验证了当最大主应力方向垂直于推进方向时突出危险性更大。     

彬长低阶煤高瓦斯矿区瓦斯地质及其涌出特征

针对近年来低煤阶煤矿区高瓦斯矿井数量增多,但瓦斯赋存规律及涌出特征知之甚少的问题,以陕西省黄陇煤田彬长矿区为例,依据勘查阶段和煤矿生产过程中测试的瓦斯参数及抽采数据,总结分析低煤阶煤矿区矿井瓦斯参数及瓦斯富集规律,讨论地质因素对低煤阶煤矿区瓦斯涌出特征的影响及其机理。研究表明,低阶煤煤化程度低,孔隙度较高,游离气含量高,煤层透气性好,瓦斯富集规律和涌出特征明显区别于中、高阶煤。彬长矿区发育大佛寺瓦斯富集区、小庄-亭南瓦斯富集区、胡家河瓦斯富集区3个瓦斯富集区。地质构造是控制低煤阶煤矿区矿井瓦斯富集的主要因素,煤质特征决定了低煤阶矿区瓦斯赋存状态。瓦斯涌出量同时受控于开采层瓦斯含量、煤厚、煤层底板标高、地质构造等地质因素。开采煤层原位瓦斯含量越高,煤层厚度越大,煤层底板标高越大,回采工作面瓦斯涌出量越大。褶曲翼部瓦斯涌出量明显要大于向斜轴部宽缓区域,翼部地层倾角越大,回采工作面瓦斯涌出量越大,褶曲对煤层倾角的影响控制了低阶煤瓦斯涌出特征。断层附近受游离气含量的影响,易造成回采工作面瓦斯涌出量突然增大。综采放顶煤采煤工艺在显著提高煤炭产量的同时,也造成了近年来低煤阶煤矿区高瓦斯矿井数量增多。     

综采工作面覆岩压实区演化采高效应分析及应用

采用相似材料物理模拟试验及理论分析,研究在不同采高条件下覆岩压实区的动态演化规律及形态特征。研究结果表明:在煤层开采之后,采动覆岩离层量分布呈“马鞍”状,采空区底板在一定区域内存在应力集中,结合两者可作为压实区底部边界判定依据;采空区覆岩压实区的形态及时空演化规律受采高与工作面推进距离的共同影响,得到了压实区宽度、高度及垮落角度的演化规律与采高的关系;同时,结合冒落带岩体的碎胀特征与底板应力集中的特点,分析了压实区压实程度的采高效应,即在一定范围内,采高越高,压实程度越大。基于采动裂隙椭抛带理论,在试验结果分析的基础上,建立了采动裂隙椭抛带压实区的数学表达方程,为卸压瓦斯抽采系统的布置及参数优化提供借鉴。     

采动区瓦斯地面井抽采影响范围及流量变化规律研究

为解决煤矿采动区地面井布置间距目前大多依靠工程经验获得而缺乏科学理论根据的问题,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立了计算采动区地面井抽采瓦斯纯流量和瓦斯压力分布的三维数值模型.以岳城煤矿相关物性参数计算出符合实际情况的煤岩渗透率、孔隙率及瓦斯质量源项,以此为基础进行数值模拟.模拟分析结果表明,在...     

采煤工作面瓦斯流动模型及COMSOL数值解算

引入溶质扩散平移方程和Fick扩散定理来模拟瓦斯的流动扩散行为,应用N-S方程和Brinkman方程构建工作面和采空区气体流动模型,并将两个模型有机地联系在一个统一的流动场中,基于质量守恒和压力平衡,建立出采煤工作面瓦斯流动的物理模型。进风巷道、回风巷道、工作面以及采空区瓦斯涌出和扩散被有效地联系在了一起,应用COMSOL Multiphysics多物理耦合分析工具求解该物理模型。模型计算结果表明：该模型能够模拟工作面和采空区瓦斯浓度分布,并能对瓦斯专排巷的位置布置、工作面通风方式优劣进行对比判断,对于采煤工作面有一定的适用性。