煤层倾角对采空区流场及瓦斯分布的影响研究

为获得不同煤层倾角条件下的采空区流场及瓦斯分布变化规律,以平煤六矿22310工作面为原型,通过建立采空区数学物理模型并设置边界条件,数值模拟了工作面采空区气体压力、漏风和瓦斯分布情况,并与该工作面现场实测通风参数对比,对模型可靠性进行验证。在已建立模型的基础上,模拟了煤层倾角分别为5.75°、35.75°、65.75°时的采空区气体压力、漏风和瓦斯分布,对比分析了三种煤层倾角下的采空区流场及瓦斯分布变化规律。结果表明:随着煤层倾角增加,采空区气体压力降低,压力梯度升高;工作面漏风量变化微小,漏风分布规律不变;采空区瓦斯浓度和采空区瓦斯总量降低。     

U型和Y型通风采空区瓦斯分布数值模拟

运用Y型通风方式可解决传统U型通风难以解决的上隅角和回风巷瓦斯浓度超限问题.为了对比分析U型和Y型通风采空区瓦斯运移及分布规律,建立了U型通风和Y型通风采空区物理模型,运用Fluent软件对U型通风和Y型通风方式采空区漏风流场、漏风量(沿采空区边界风速分布)和瓦斯体积分数分布进行数值模拟.结果表明,Y型通风回采工作面采空区漏风流场与U型通风分布有较大差别.Y型通风时工作面端头0～30 m时漏风约占工作面漏风量的50％,且总漏风量较U型通风时多,可避免采空区高浓度瓦斯积聚.采用两进一回Y型通风可从根本上解决上隅角瓦斯积聚和回风巷瓦斯超限问题.     

Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究

为了更好的研究Y型通风系统下的采空区的瓦斯流动和涌出规律,针对综放面Y型通风系统特点,建立了Y型通风采空区流场模拟的计算流体力学模型。通过数值模拟,系统研究了Y型通风采空区流场和瓦斯运移规律,对比分析了Y型通风和U型通风条件下的采空区流场及瓦斯运移特征,并将其应用于15120高瓦斯综采工作面的Y型通风系统中,根据现场的实际情况建立对应的CFD模型,得出Y型通风系统下采空区瓦斯流动及分布规律,数值模拟结果与现场大量观测数据相吻合,为瓦斯治理和通风系统优化提供理论依据。研究表明,采用Y型通风系统可消除采空区向上隅角的集中漏风,从而有效解决了U型通风上隅角瓦斯积聚和回风巷中的瓦斯。     

综放孤岛工作面采空区自燃与爆炸危险区监测及数值模拟

针对高瓦斯矿井自燃煤层综放孤岛工作面开采时采空区漏风导致的采空区自燃和瓦斯爆炸灾害综合防治的技术难题,以天池煤矿102孤岛工作面为例,进行采空区自燃"三带"及爆炸危险带现场监测及数值模拟研究。监测结果表明,102工作面采空区氧气体积分数随与工作面距离增加而下降,工作面进风侧采空区氧化升温带宽度较大,工作面中部到回风侧采空区氧化升温带宽度逐渐减小。利用COMSOL软件模拟采空区风流速度场、氧气体积分数场、甲烷体积分数场和自燃"三带"分布。数值模拟结果表明,102工作面采空区进风侧切顶线20~70 m范围内氧气体积分数大于8%,风速小于0.004m/s,存在自然发火危险;工作面回风侧采空区没有自燃危险带;工作面进风端头后部采空区的自燃危险带内瓦斯体积分数也处于爆炸范围5%~15%内,此重合部分即为瓦斯爆炸危险区。     

综采支架对采空区漏风及瓦斯分布规律的影响

基于多孔介质渗流理论和多组分气体渗流-扩散方程,分别建立有、无综采支架时的采空区渗流和组分传输数学、物理模型,利用Fluent软件,模拟了有、无综采支架两种情况下工作面向采空区的漏风量以及采空区瓦斯体积分数分布规律,分析了综采支架对数值解算结果的影响。结果表明:有综采支架时工作面向采空区漏风量的解算结果明显小于无综采支架时工作面向采空区漏风量的解算结果;在采空区进风侧,有综采支架时瓦斯体积分数的解算结果与无支架时瓦斯体积分数的解算结果相比差别不明显;而在采空区回风侧,有综采支架时瓦斯体积分数的解算结果明显高于无支架时瓦斯体积分数的解算结果,且有综采支架时在采空区回风侧靠近底板处解算得到的瓦斯体积分数更高。     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征北大核心CSCD

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区"O"型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈"L"形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。     

瓦斯抽采下沿空留巷工作面采空区漏风机制研究

漏风对煤自燃有重要影响,研究漏风形成机制对工作面采空区防火具有重要的作用。针对采空区瓦斯抽采、上覆围岩裂隙发育对采空区漏风影响问题,以沙曲矿沿空留巷综放工作面为研究背景。根据采空区上覆煤岩特性选择经验公式计算采空区裂隙发育高度,分析了沿空留巷侧采空区上覆裂隙发育,现场实测了沿空留巷压埋管及高位钻孔中气体体积分数,并根据实测参数利用数值模拟分析了瓦斯抽采条件下采空区风流流场变化。结果表明:上覆裂隙成为采空区漏风通道,导通距离在27.2~37.2 m;在沿空留巷侧采空区回采距离100m,其氧气体积分数在10%以上,验证了采空区漏风去向;模拟结果显示,沿空留巷侧采空区立体空间范围内氧气体积分数均达到10%以上,模拟结果与实测基本保持一致。最终确定瓦斯抽采条件下沿空留巷的布置及煤岩裂隙发育是形成漏风通道的主要原因。     

采空区渗透率对瓦斯运移影响的模拟研究

根据计算流体力学基本理论,利用Fluent软件,对采空区渗透率为均匀分布、分段均匀分布、连续分布、"O"型连续分布4种不同分布情况下采空区瓦斯运移规律进行数值模拟。当渗透率均匀分布时采空区漏风较少,高浓度瓦斯分布靠近工作面;当渗透率分段均匀分布时,在采空区中有2条跳跃的瓦斯沟壑;当渗透率连续分布时,采空区漏风较多,高浓度瓦斯分布靠近采空区深部;当渗透率"O"型连续分布时,采空区漏风最多。结果表明,当渗透率不同分布情况下采空区漏风和瓦斯分布有很大差别。因此,为了得到更符合现场实际情况的瓦斯运移规律,在模拟采空区瓦斯运移规律时需要描述更能如实反映采空区煤岩冒落规律的渗透率分布。     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区“O”型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈“L”形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。     

顶板巷瓦斯抽采量对漏风流场的扰动效应研究

为深入研究顶板巷瓦斯抽采量对漏风流场的扰动效应,以河南义马耿村煤矿13190工作面实际情况为例,通过数值模拟与实测相结合的方法分析瓦斯抽采诱导漏风规律。首先,对现场实际工况下的漏风流场进行数值模拟及分析;其次,根据示踪气体实测结果,验证了模拟的有效性;最后,分析不同抽采量下工作面的漏风分布情况。研究结果表明:漏风风流进入采空区后呈现立体迁移和"一源两汇"的分布特征;随着顶板巷抽采量的增加,工作面向采空区的漏风区域逐渐向回风巷方向扩展,最低风量点位置向回风巷方向移动,采空区气体向工作面的涌出效应逐渐减弱,工作面向采空区的漏风量逐渐加大。     

保护层开采工作面采空区瓦斯分层治理

为实现保护层开采工作面生产过程中瓦斯不超限,在分析工作面瓦斯来源的基础上,提出了保护层开采工作面竖向分层治理瓦斯的思路。根据相似模拟结果,分析了采空区瓦斯流动范围和流动范围内孔隙率、风阻分布特征。采用数值模拟分析了Y型通风、Y型通风+采空区埋管及Y型通风+采空区埋管+高抽巷+高位钻场3种瓦斯治理方式下采空区瓦斯体积分数场,结果表明:采空区瓦斯体积分数在竖直方向和水平方向均具有典型的递变特征,距工作面越远,距煤层越高,瓦斯体积分数越大;合适位置的煤层顶板高抽巷对抽采来自上邻近层的瓦斯具有较好的效果,试验条件下高抽巷抽采瓦斯量达到了总量的36.4%~63.6%;沿充填墙的采空区埋管不能完全拦截下层采空区进入沿空巷的采空区瓦斯,随沿空巷长度增加,瓦斯体积分数增大,建议沿空巷长度控制在250 m范围内。     

高瓦斯矿井孤岛综放采空区遗煤自燃综合防治技术

针对国阳二矿高瓦斯自燃煤层综放开采的实际情况,分析了"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃特点及危险性。利用单元法对孤岛面的漏风状况进行了实测,并通过数值模拟分析了综放采空区内的漏风流场,根据采空区自燃"三带"的渗流风速确定了可能自燃带的范围,表明采空区漏风是"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃的主要危险因素。在此基础上,结合实际情况系统地制定了以有效控制采空区漏风和重点发火区域注胶为主的综合防灭火技术措施,为有效控制综放采空区遗煤自燃,实现矿井高产高效、安全生产提供技术保障。实践表明,运用控制工作面风量与高抽巷负压、均压堵漏、压注胶体防灭火材料及加快工作面推进速度等综合防灭火技术防治高瓦斯矿井"U+Ⅱ"型孤岛综放面采空区遗煤自燃是可行的。     

“U+L”型通风综采工作面采空区漏风特性研究

为了掌握“U+L”型通风综采工作面采空区的漏风规律,以某矿综采工作面为试验地点,先采用Fluent软件对综采工作面采空区的漏风流场进行了数值模拟,后结合数值模拟结果制定了综采工作面示踪气体SF6的测漏风技术方案,并现场实测了“U+L”型综采工作面采空区的漏风风流分布特征.数值模拟结果与现场实测结果十分吻合.结果表明:1)“U+L”型综采工作面全程向采空区漏风,漏风汇至滞后联络巷后经专用排瓦斯巷排出;2)“U+L”型综采工作面漏风量随联络巷距离工作面距离增大而逐渐降低;3)“U+L”型综采工作面漏风量沿工作面倾向方向(从进风至回风)呈逐渐减少趋势.     

采空区三维漏风路径示踪测试

采用SF6示踪气体探测技术,对Y型通风方式下采空区三维裂隙场漏风路径进行了测试.结果表明:示踪气体在采空区内发生弥散,采样点采集到的示踪气体体积分数随时间变化呈先快速增大后逐渐减小的规律,具有拖尾现象;距工作面155 m范围内,采空区裂隙带上部漏风速度较小,示踪气体体积分数高,裂隙带下部及冒落带漏风速度较大,示踪气体体积分数低;155 m后,冒落带、裂隙带下部和裂隙带上部示踪气体体积分数相差不大;采空区漏风路径是经顶板裂隙绕流后下降至冒落带的曲线渗流路径.     

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.     

回采工作面及采空区瓦斯运移的数学模型及数值模拟研究

为更真实可靠地还原回采工作面及采空区内流场和瓦斯场的分布特征,基于回采工作面和采空区不同的介质属性,并考虑瓦斯扩散能力的差异,建立了各自的强耦合多物理场数学模型,并给出了瓦斯涌出所满足的质量通量边界条件。采用COMSOL Multiphysics构建了强耦合的自由和多孔介质流动以及自由和多孔介质稀物质传递等物理场,以龙煤矿业集团股份有限公司双鸭山分公司的东保卫井田二水平一采区36号煤-570左面为研究对象,研究了回采工作面及采空区稳态下的瓦斯运移特征。结果表明:采空区浅部瓦斯体积分数较小但梯度较大,且随着采空区向深部延伸,瓦斯体积分数的梯度逐渐降低,但其数值逐渐增大并趋于稳定;另外,采空区内实测的瓦斯体积分数分布与数值模拟结果具有较好的一致性,验证了建立的回采工作面及采空区瓦斯运移的数学模型和数值模型的可靠性和准确性。     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

采空区遗煤自燃过程及其规律的数值模拟研究

基于非均质多孔介质中的连续性方程、多相气体渗流———扩散方程和综合传热方程,建立了工作面动态推进下的采空区自燃数值模型。结合实例,从理论上描绘了工作面开采过程中采空区的漏风流态、氧、CO、瓦斯和温度等分布状态及其动态过程。计算中考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用;工作面动态推进对自燃的影响,以及沿边界冒落非压实性对漏风供氧、自燃高温区产生的影响。从理论上重点讨论了采空区自燃与各因素的定量化关系,得出自然发火期与煤氧化速度、工作面风量二者均呈显著的反比例关系;对于综放工作面采场漏风供氧系统,自然发火期主要取决于煤的耗氧能力,提高工作面风量仅能扩大自燃高温区的范围,增大自燃的发生几率;提高推进度能显著延长采空区自然发火期,呈指数变化。     

基于通风网络理论及试验的采空区自燃“三带”分析

基于通风网络理论模型演化得到采空区走向及倾向的漏风阻力系数分布,综合考虑了采面的回采速度、顶板岩性以及采空区倾向上顶板的沉降量不同等因素影响.采用专业的流体力学计算软件Fluent对桃园矿1033工作面及其采空区进行了流场数值模拟,得到了工作面的漏风量分布及采空区漏风流场分布.模拟结果表明,工作面向采空区漏风区域主要发生在倾回上靠进风侧0～10m范围,并有部分漏风量在工作面倾面从中间点前流回至工作面,采空区内的流场等值线并不完全呈对称分布. 采用工作面埋管取气分析采空区内氧气体保分数,得到了采空区内氧气体积分数分布规律.试验结果表明,沿着采空区走向,氧气体积分散逐渐下降;在采空区倾向上,回风卷氧气体积分数下降最快,进风巷氧气体积分数下降最慢.综合考虑采空区内的滤流速度和氧气体积分数分布,得到了采空区自燃“三 带”范围.在采空区回风巷,氧化带距离工作而范围为11～ 38 m;在采空区进风巷,距离工作面范围为23 ～ 76 m;在中部,距离工作面范围为12～66m.最后,计算得到工作面安全回采速度为2.2m/d.     

综放采空区遗煤厚度的分布规律及模拟研究

鉴于采空区遗煤厚度对其自燃规律影响的重要性,对综放采空区遗煤厚度的分布规律进行了研究.应用松散介质理论、放煤椭球体理论及三维数值模拟方法对综放采空区遗煤的空间分布形态、采空区顶板压力及空隙率分布进行分析,得到采空区遗煤厚度的计算公式及三维分布示意图,采空区顶板压力与遗煤空隙率、遗煤厚度的函数关系及在算例条件下三者的三维分布状态.结果表明:综放采空区遗煤的空间形态受工作面的放煤步距、放煤口间距及顶煤破裂角、采空区顶板压力、遗煤空隙率等因素的影响,采空区遗煤厚度分布的确定应是非连续、非均匀的.