基于格子Boltzmann的非均质采空区瓦斯运移仿真方法

瓦斯在采空区内运移造成工作面上隅角瓦斯超限是煤矿安全的重大隐患.为揭示采宅区瓦斯运移规律,提出基于格子Boltzmann的非均质采空区瓦斯运移仿真方法.综放采场采空区是由非均质多孔介质组成的空间,大气和瓦斯混合气体在采空区的流动是非常复杂的具有层流、过度流和紊流的渗流运动.基于修正的Brinkman-Forchheimer-Darey定律,建立非均质采空区瓦斯运移的控制方程组.由于该方程组求解复杂,分别建立瓦斯渗流速度场和瓦斯浓度场的格子Boltzmann模型.通过格子Boltzmann模型的演化,实现采空区瓦斯运移的仿真.模拟实例表明,用该方法进行仿真可以得到任何时刻采空区内任意位置瓦斯和大气混合气体的流动速度和压力以及瓦斯浓度等数据,同时也可以得到采空区流线分布规律、速度变化规律、采空区压力的变化规律和采空区瓦斯运移规律.该方法能将时间、空间和系统行为结合起来,可在直观的条件下完成对地下煤矿采空区瓦斯运移态势的精确分析与模拟,可为揭示综放采场采空区上隅角瓦斯超限的原因提供一种新的方法.     

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。     

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.     

采场气体涌出与煤自燃的动态数值模拟研究

为提升采场气体涌出和遗煤自燃问题的数值模拟可靠性,实现动态仿真计算,使用COMSOL Multiphysics软件,建立变形几何(DG)物理场、流场、温度场、浓度场等多场耦合的动态模拟模型。研究工作面推进对采场气体涌出及遗煤自燃的影响。对比数值模拟与现场测试结果,验证模型的有效性。结果表明:在工作面的日均瓦斯体积分数、CO体积分数、每日最大瓦斯及CO体积分数、采空区氧气体积分数与自燃"三带"分布6个方面,模拟结果的相对误差限为-15%~15%,平均相对误差为-1.16%~2.67%,数值模拟结果与实测结果的动态变化趋势一致。     

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。     

基于三维“O”型圈的采空区多场分布特征数值模拟

为进一步研究综放采空区的多场分布特征,以大兴矿N2-706工作面为例,构建"双三"模型,即优化三维"O"型圈采空区冒落非均质多孔介质数学模型及"U"型通风方式下的三维综放采空区物理模型,重点考虑了采空区垂直方向上的孔隙率变化,并实现了孔隙率的三维可视化。运用Fluent软件加载自定义UDF对采空区气体压力分布、漏风场及氧气、瓦斯分布情况进行了数值模拟,得出与实际情况相吻合的采空区气体压力分布、合理漏风量范围内的风流场分布,其中重点分析瓦斯体积分数分布规律。结果表明:考虑三维孔隙率的数值模拟结果收敛性更好,采空区瓦斯的积聚现象不仅出现在采空区顶部,在距底板20~25 m高度的位置就大量上浮,且呈现高体积分数瓦斯积聚分布的特征规律。     

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。     

低透气性薄煤层煤与瓦斯共采技术研究

煤与瓦斯共采技术是煤矿绿色开采技术的重要组成部分之一.针对矿井煤层薄、煤层透气性低、煤层瓦斯含量低等特点,应用岩层移动理论和采空区瓦斯流动规律,研究了采场内卸压瓦斯的运移路径和富集区域,建立了矿井煤与瓦斯共采系统,采用了高位顶板穿层钻孔瓦斯抽采方法和老采空区瓦斯抽采方法等综合瓦斯抽采方法,降低了矿井瓦斯涌出量,消除了工作面瓦斯积聚现象,提高了矿井瓦斯抽采率和抽采浓度.在保障煤炭资源安全开采的前提下实现了瓦斯资源的安全、高效抽采.     

偏Y形通风工作面上隅角瓦斯抽采模拟

为解决保德煤矿81505工作面上隅角瓦斯超限问题,选择联巷埋管抽采瓦斯方式进行治理.使用COMSOL模拟软件建立采场物理模型,研究瓦斯埋管抽采前后采空区和工作面O2、CH4体积分数分布、工作面在推进过程中采空区最高温度与工作面风速的关系,分析采空区瓦斯分布和采空区"三带"的变化.结果表明:随瓦斯抽采流量增加,工作面上隅角瓦斯体积分数降低;抽采位置距工作面距离增加,工作面上隅角的瓦斯体积分数降低.根据保德煤矿81505工作面采空区的最短自然发火期,选择抽采流量为40 m3/min,在距工作面40 m处进行瓦斯抽采,工作面上隅角瓦斯体积分数从0.53％降低到0.17％,氧化带宽度从100 m增加到149 m.最后通过现场实践,工作面上隅角瓦斯体积分数降低到0.16％,采空区氧化带的宽度范围为135～150 m,在降低工作面上隅角瓦斯体积分数的同时降低了采空区发生自燃的危险性.     

薄煤层采煤工作面顶板穿层钻孔瓦斯抽采试验研究

以凤凰煤矿1402采煤工作面为工程应用背景,针对煤层薄、瓦斯含量高、透气性差、地质条件差的特点,运用岩层移动理论,研究了采煤工作面采空区大流量、高浓度卸压瓦斯的运移路径和富集区域;借鉴了邻近煤矿瓦斯抽采经验,选择顶板穿层钻孔瓦斯抽采方法作为主要矿井瓦斯抽采方法之一,试验了该方法的合理瓦斯抽采参数;提高了采煤工作面瓦斯抽采率,消除了采煤工作面瓦斯积聚现象。