掘进巷道瓦斯分布数值实验研究

根据局部通风流场特点确定适合矿井局部通风掘进巷道工作面瓦斯与风流质量交换的数学模型,在近壁面使用标准壁面函数法解决近壁面的流动,在湍流充分发展区,使用RNG k-ε双方程湍流模型;讨论考虑巷道支护的情况下壁面粗糙度的影响,确定矿井掘进工作面局部通风模型网格划分的方法、掘进头瓦斯涌出的边界条件;利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对掘进工作面的风流与瓦斯的混合过程进行了模拟;得出不同瓦斯涌出量情况下掘进巷道工作面风流分布和瓦斯浓度的分布规律。研究表明:瓦斯涌出量和风速对流场分布有影响,随着瓦斯涌出量的增大和风速的降低,瓦斯对流场的影响越来越明显。     

倾斜巷道中风流方向对瓦斯分布与积聚的影响

基于计算流体动力学基本理论,利用Fluent软件,采用控制容积法对描述流体流动的控制方程进行离散,用SIMPLEC(协调一致的压力耦合方程组的半隐式方法)算法来解算流场,使用标准 k-ε 壁面函数法解决近壁面的流动,在湍流充分发展区使用标准双方程湍流模型,对倾斜巷道两帮煤壁涌出瓦斯情况下的瓦斯分布与积聚进行数值模拟,研究了风速和倾角不同时风流方向对巷道中瓦斯分布的影响规律.结果表明:倾斜巷道两帮煤壁涌出瓦斯情况下巷道两帮煤壁附近及其上部的两个角上容易积聚高浓度瓦斯,且同一个横断面上部的瓦斯浓度比下部高;风速越大、巷道倾角越大,高浓度瓦斯与空气的交换距离越短,瓦斯与空气充分混合需要的距离越短;下行通风且风速较小时,巷道顶板出现明显的瓦斯逆流现象,逆流区瓦斯浓度远大于瓦斯涌出点下风流一侧的瓦斯浓度,随着风速增大,瓦斯逆流长度逐渐变短.     

风筒出口位置对掘进工作面瓦斯分布的影响

根据计算流体动力学(CFD)理论,运用Fluent软件对掘进工作面的风流流场及瓦斯分布进行数值模拟,研究了在断面形状为梯形的掘进巷道中,瓦斯从掘进迎头和巷道两帮均匀涌出时,风筒出口离掘进迎头的距离对掘进巷道中风流流场和瓦斯分布的影响.结果表明: 压入式局部通风掘进巷道工作面风流从风筒出口流出后,沿风流方向瓦斯浓度逐渐增大,在靠近迎头处巷道两帮底部和顶部瓦斯浓度较高;随着瓦斯涌出量的增加,由于高浓度瓦斯密度降低而产生的上浮力的作用,在靠近迎头的上部区域发生瓦斯沿顶板逆风流方向流动的现象;上浮力的作用会改变流场的分布状况,在靠近迎头处产生涡流;风筒出口离掘进迎头越近,风流到达迎头时携带的瓦斯量越少,且迎头处的风速越大,靠近迎头区域中的瓦斯浓度越低.     

Y形通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、多相气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区瓦斯与自燃发火耦合数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解的计算机程序(简称G3).计算以图形方式给出各量的区域分布解,从理论上描绘了Y形通风采空区的漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧和CO的体积分数以及温度分布状态及其变化过程,并证明了Y形通风形式能避免采空区瓦斯向工作面涌出.计算中采空区按冒落非均质介质处理,考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,给出了这种耦合作用关系和解决办法.Y形通风采煤的自燃,两者存在着顾此失彼的关系.     

采场瓦斯运移的三维LBM仿真

地下煤矿工作面上隅角瓦斯积聚并超限是煤矿生产的重大安全隐患.为了解瓦斯积聚规律及瓦斯积聚量,构建了采场统一的三维LBM仿真模型,并开发采场瓦斯运移的三维LBM仿真软件.采场由工作面和采空区2个流场组成,其中,瓦斯与大气混合气体在工作面流场中的运动为紊流运动,而在采空区内的运动为非均质多孔介质的渗流运动.采场统一的LBM仿真模型通过采用不同的松弛时间和平衡分布函数来体现2个流场的特征.由于采场结构复杂,为了提高运算效率,采用分块耦合算法将采场划分成多个块,各块独立并行计算,块与块之间通过耦合交换数据,最终实现整个采场瓦斯运移仿真.模拟实例表明,该方法可以模拟和分析采场瓦斯运移状况,并得到采场瓦斯运移的相关数据.同时也可以得到采场流线分布规律、速度变化规律和采空区瓦斯运移规律.     

采空区瓦斯涌出源位置对瓦斯分布影响的数值模拟

根据多孔介质渗流理论,利用Fluent软件,分别对采空区瓦斯在整个采空区均匀涌出、上邻近层及底板遗煤涌出2种情况下采空区瓦斯分布规律进行了数值模拟.结果表明:采空区瓦斯为上邻近层及底板遗煤处涌出时,沿走向方向,靠近上邻近层及底板处高体积分数瓦斯距离工作面较近;沿竖直方向,瓦斯体积分数分布呈钩状,靠近瓦斯涌出源处瓦斯体积分数最高;整个采空区均匀涌出时采空区瓦斯体积分数分布与上邻近层及底板遗煤涌出时有很大差别.因此,为了得到更符合实际情况的瓦斯分布规律,数值模拟时应按照现场实际的瓦斯涌出源位置建立模型.     

矿井反风时期网域系统瓦斯运移仿真

为了解矿井反风时期矿井系统网域中瓦斯运移及其体积分数分布的变动,以九里山矿井为实例,运用TF1M3D进行仿真分析。根据反风时采空区瓦斯分布换向变化和涌出处在最低值期的特征,指出反风后系统瓦斯涌出源主要来自采煤工作面。模拟得到反风时期工作面瓦斯体积分数的变化规律是,在实施全矿反风后,工作面回风道的瓦斯重新回流至工作面,与工作面内涌出的瓦斯重复叠加形成体积分数高峰瓦斯风流,致使反风后原来进风巷中回风流瓦斯体积分数增高;反风刚开始时瓦斯体积分数陡增,待峰值过后,瓦斯体积分数逐渐呈阶梯式降低。模拟结果反映出反风时采煤工作面中回流瓦斯与涌出瓦斯形成二次叠加的存在性,而所产生的瓦斯体积分数高峰值与矿井回风网络系统的结构有关。高峰瓦斯风流影响矿井反风过程的安全性,因此不但应连续检测工作面的瓦斯体积分数变化,更应提前做好应对措施和技术预案。     

矿井火灾逃生路径规划及其三维仿真研究

为研究矿井火灾中受风流变化和烟流蔓延影响的人员逃生路径规划问题,构建火灾时期人员逃生三维仿真模型。首先,建立巷道网络三维结构模型,作为展示平台;其次,基于通风网络解算模型与烟流蔓延参数模型,解算巷道网络中的风速风向、火灾温度和烟气质量分数;然后,确定矿井火灾巷道当量长度的影响系数,并依据火灾逃生路径规划算法得到人员逃生路径规划结果;最后,以国内某矿山为例,对火灾时期人员逃生进行三维仿真。仿真结果表明:依据矿井火灾情况的不同,可以掌握火灾时期的风速风向、火灾温度和烟气质量分数等参数,得到理想、可行和紧急等3种类型的逃生路径。     

压入式局部通风倾斜巷道掘进工作面瓦斯分布规律

运用Fluent软件对压入式局部通风倾斜巷道掘进工作面瓦斯分布进行了模拟.比较了向上掘进和向下掘进巷道中瓦斯分布的不同;分析了风量对向上、向下倾斜掘进巷道中瓦斯分布的影响;研究了消除瓦斯高浓度区域向上、向下倾斜巷道所需风量的差别.结果表明:当条件相同,即风筒出口平均风速、倾斜角度和迎头瓦斯涌出量相同时,向上倾斜掘进工作面的高浓度瓦斯区域比向下倾斜时的高浓度瓦斯区域大;当回风流中瓦斯平均浓度不变时,随着风量和瓦斯涌出量的增加,由于风量的增加使到达迎头的风速变大,使空气和瓦斯混合得更加均匀,向上倾斜掘进工作面的高浓度瓦斯区域和向下倾斜的高浓度瓦斯区域之间的差距逐渐减小.消除高浓度瓦斯区域所需的风筒出口风量向上倾斜掘进巷道比向下倾斜掘进巷道大.     

低含量超强开采工作面瓦斯异常涌出防治技术

为解决低瓦斯含量煤层在超高强度开采工艺下,U型通风回采面割煤期间瓦斯涌出量突增、采空区持续高瓦斯涌出以及上隅角瓦斯频繁超限等问题,在确认瓦斯异常涌出原因基础上,以塔山煤矿为例,研究煤层注水抑制落煤瓦斯涌出和专用巷分期排抽采空区瓦斯联合防治技术。结果表明,煤层注水消除了割煤期间瓦斯突增现象——回风流中最大瓦斯体积分数仅0.58%;在开采初期瓦斯专用巷自然引排使回采面形成U+I型通风方式,分担风排瓦斯量约30 m~3/min,在开采中、后期的密闭负压抽采,瓦斯排放量提升至40 m~3/min。采用该技术,已将回采期间的工作面瓦斯体积分数有效控制在0.6%以下,实现安全高效开采。