大采高综采工作面风流-呼吸带粉尘分布数值模拟

为了研究大采高综采工作面在多工序、多尘源情况下的呼吸带范围粉尘质量浓度分布,运用Fluent软件对井下大采高综采工作面风流分布、粉尘运移、呼吸带高度范围粉尘质量浓度分布进行模拟研究,并结合现场实测对比分析.结果 表明,采煤机械设备的影响使得工作面空间体积发生突变,造成采煤机附近局部风速增大,并且在采煤机下风侧附近产生3 m/s的湍流.湍流使得运移到此处的粉尘发生扩散,致使湍流下风侧呼吸带粉尘质量浓度剧烈升高十几倍.根据实测数据与模拟结果对比分析:采煤机下风侧10～20 m是粉尘防治的重要区域;而在采煤机下风侧30 m以后的范围,巷道中心部位呼吸带高度粉尘受风流影响漂浮在空中而不易沉降,导致粉尘质量浓度居高不下,此范围也是重点防尘区域.     

“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.     

综采面高压注水联合高压喷雾二级防尘技术研究

综采工作面的粉尘防治一直是煤矿安全工作的重点和难题之一。结合双鸭山矿区新安矿综采工作面的实际状况,采用现场煤层高压注水实验方法,研究了高压注水条件下煤体增湿的规律;运用注水实验数据进行反演数值试验,优化煤层高压注水数学模型内部参数,利用注水数值模拟试验确定了综采工作面煤层高压注水减尘技术的最优参数;运用了高压喷雾降尘效率模型数值模拟方法,分析确定了综采工作面采煤机外置高压喷雾降尘的最优参数,研发了孔径为1.2 mm的7孔高压集成喷嘴。新安二矿、三矿煤层高压注水联合高压喷雾二级防尘技术应用效果表明:通过二级联合防尘措施,工作面全尘去除率高达96%,呼吸性粉尘去除率高达94%。     

综采面高压注水联合高压喷雾二级防尘技术研究

综采工作面的粉尘防治一直是煤矿安全工作的重点和难题之一。结合双鸭山矿区新安矿综采工作面的实际状况,采用现场煤层高压注水实验方法,研究了高压注水条件下煤体增湿的规律;运用注水实验数据进行反演数值试验,优化煤层高压注水数学模型内部参数,利用注水数值模拟试验确定了综采工作面煤层高压注水减尘技术的最优参数;运用了高压喷雾降尘效率模型数值模拟方法,分析确定了综采工作面采煤机外置高压喷雾降尘的最优参数,研发了孔径为1.2 mm的7孔高压集成喷嘴。新安二矿、三矿煤层高压注水联合高压喷雾二级防尘技术应用效果表明:通过二级联合防尘措施,工作面全尘去除率高达96%,呼吸性粉尘去除率高达94%。     

综采工作面隔尘空气幕出口角度对隔尘效果的影响

综采工作面隔尘空气幕的出口角度是影响其隔尘效果的关键因素之一。利用Fluent计算流体力学软件,以河北金牛能源股份有限公司葛泉矿1528综采工作面为研究对象,对空气幕不同出口角度下综采工作面气流流场及空气幕两侧呼吸性粉尘浓度分布进行数值模拟,分析空气幕出口角度对其隔尘效果的影响。研究结果表明:适当调整空气幕出口角度,使气幕射流倾斜于产尘区,有利于提高空气幕的隔尘效果;并获得了阻止采煤机滚筒割煤时所产生的粉尘向司机工作区扩散的最佳空气幕出口角度,即出口角度在5°～10°范围,隔尘空气幕的工作效率较高,采煤机司机处的粉尘浓度最低,并通过现场试验对数值分析结果进行了验证。     

综采工作面上覆岩层裂隙动态发育规律

以陕西某矿为试验矿井,采用现场试验、数值模拟研究了综采工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育特征。研究结果表明,陕西某矿综采工作面冒落带和裂隙带发育高度分别为42.9,94.2 m;工作面回采前裂隙发育度低,工作面回采后,受采动影响裂隙发育度明显提高;工作面推进到某一位置前,裂隙数量及发育高度随着工作面的推进而不断增加,随着工作面继续推进,采空区被压实,裂隙数量降低,而在工作面边缘区域,裂隙数量一直处于高水平,整个裂隙发育曲线呈"波浪"型分布。     

山丘地形对浅埋7.0 m采高综采面矿压显现的影响

为分析山丘地形对浅埋煤层大采高综采面矿压显现的影响,以上湾煤矿12205综采面为例,采用理论分析、数值模拟与现场实测方法,研究综采面过平直与山丘地形下矿压显现的异同。通过应力传递力学模型确定山丘坡度、高度为矿压显现主要影响因素,进而利用数值模拟分析坡度、高度对矿压显现的影响。研究表明:与平直地形相比,工作面经过山丘地形时支承压力峰值、峰值点位置和影响范围均增加,大于30°的山丘坡度或大于30 m的高度,可能引起强烈的矿压显现;同时现场实测表明在山丘地形下(坡度45°,高度50 m)矿压显现较为强烈,证明了理论分析与数值模拟的可靠性。     

综采工作面风流-粉尘运移规律的数值模拟

针对综采工作面粉尘浓度居高不下的问题,基于风流场和颗粒场特点,建立三维k-ε湍流模型,并利用混合差分格式和基于同位网格的SIMPLE算法作为风-尘颗粒两相流的数值解法,利用FLUENT软件进行数值模拟。通过与现场实测数据对比,发现模拟结果与实测数据相吻合。研究结果表明,最大风速可达入口风速的1.67倍,并沿程形成了长达15 m的高速风流带;从后滚筒开始的下风侧区域,粉尘浓度发生两次急剧的降低,由此提出了"三阶梯现象",用以指导现场工作和防尘作业。     

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。     

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。     

采空区三维耦合场数值模拟研究

采用FLUENT数值模拟方法对采空区三维耦合场进行了分析研究,简述了FLUENT流体数值模拟软件的理论基础,并对FLUENT进行了自行编程,运用开发模型对祁南矿1015工作面及采空区的三维耦合场进行了模拟分析,得到了采空区压力场、漏风流场分布规律。运用现场实测氧气浓度和模拟结果相对比,得出此次模拟能够较好满足现场工程要求。对采空区进行了自燃三带划分,指出采空区自燃最危险的区域在支架后上部,结合10煤最短发火期算出最小推进速度0.8m/d,对工作面的安全回采和采空区火灾的防治具有指导意义。     

坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究

以顾桥煤矿坚硬顶板综采工作面工程地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测手段,分析了开采速度对工作面覆岩运动、围岩破坏、应力分布和液压支架承载特性的影响。研究结果表明:1个周期来压内工作面落煤引起的岩梁刚性回转下沉量是一定的,工作面作业循环时间引起的岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比,加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉部分。工作面开采速度增加,覆岩塑性区发育范围减小,煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小。工作面快速推进时,液压支架承载多为2次増阻和3次増阻,支架工作阻力较小;缓慢推进时,液压支架承载多为1次急增阻,载荷近似呈线性增长,支架工作阻力较大。     

分段留巷Y型通风采场瓦斯与流场分布三维实测与重构

为掌握分段留巷Y型通风工作面流场及瓦斯浓度在三维空间上的分布规律及采空区高瓦斯浓度区域分布范围,采用现场试验、数值分析和理论分析的方法,分别在检修班和采煤班对工作面、沿空留巷内的流场和瓦斯浓度进行了三维实测,同时借助自主研发的"一种采空区瓦斯浓度区域分布三维实测装置"对靠近留巷侧采空区瓦斯空间分布进行了三维实测和重构。研究结果表明:两进风巷道在靠近工作面煤壁交叉口拐角处风速减小而瓦斯浓度升高,工作面内高瓦斯浓度区域为靠近煤壁上方区域和与沿空留巷交叉口靠近采空区侧,沿空留巷内靠近采空区上角位置瓦斯浓度较高;近留巷侧采空区在距工作面垂直距离35~45 m和距沿空留巷垂直距离25~50 m范围内的采空区上部空间形成瓦斯集聚;工作面采用Y型通风方式时,工作面上隅角瓦斯集聚的问题能够得到很好的解决,但在靠近留巷的采空区内部一定范围内形成高瓦斯浓度区域。     

喷浆支护掘进工作面通风热环境数值模拟

为准确分析矿山掘进工作面喷浆支护后的热环境,采用工程实测和数值模拟的方法对喷浆支护掘进工作面热环境进行研究.在分析混凝土水化放热原理、喷浆支护掘进工作面热交换原理和标准κ ε湍流模型的基础上,结合矿山工程实例,利用ICEM CFD和Fluent软件建立喷浆支护掘进工作面模型,模型中通过对支护体设置热源形式实现混凝土水化放热的模拟.制定方案进行掘进工作面温度实测和数值模拟,通过实测数据验证了数值模拟的准确性.分析数值模拟喷浆支护掘进工作面温度场和速度场的分布规律,得出断面温度随混凝土龄期呈多项式函数规律变化,可为矿山掘进工作面热害控制提供参考.     

基于UDEC的采场矿山压力显现数值模拟研究

运用UDEC数值模拟软件,以山西某矿F2105综采工作面为工程背景,根据该工作面岩石物理力学实验,确定数值模拟所需参数,对该工作面的矿山压力显现和覆岩运移规律进行研究。分析矿山覆岩运移和矿山压力显现过程得出:F2105综采工作面初次来压步距为25 m,周期来压步距平均为18 m,采场覆岩失稳形式主要为滑落失稳,岩层破断后呈台阶岩梁结构。     

极限平衡区顶煤自燃三维非均质动态数值模拟

为探究极限平衡区内顶煤自燃规律,利用Fluent软件对顶煤自燃进行数值模拟研究。通过对顶煤移动变形及自燃特点的分析,确定顶煤自燃过程的模拟为三维非均质动态模拟,并建立数学模型,给出相关参数及边界条件的确定方法。以恒大矿某工作面为例,对其顶煤的自燃过程进行数值模拟,并分析工作面风量及煤体耗氧速度与自然发火期之间的关系。结果表明:对计算区域进行模拟所得到的速度场、氧浓度场及温度场与现场观测结果及理论结果比较吻合;工作面风量对煤体自然发火期影响较小,而对高温区域中心点位置影响较大;煤体耗氧速率与自然发火期近似成负指数函数关系。     

工作面动态推进下采空区煤自燃分布特征模拟

为了研究动态推进过程中工作面推进距离对采空区煤自燃分布特征的影响,采取及时有效的煤自燃防治措施,以13210综放面为工程背景,基于采空区渗透率分布公式和传热传质控制方程,建立采空区煤自燃数值解算模型。利用COMSOL软件模拟了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律,分析了高温区域与氧化带的叠加效应。通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟的准确性。研究结果表明:采空区渗透率随着工作面推进距离的增加而不断变化,近工作面端渗透率变化不大,而中深部采空区的渗透率不断减小;采空区氧化带分布随工作面推进距离的增加呈现阶段性变化特征,推进初期氧化带范围不断变化,推进后期氧化带范围趋于稳定;采空区氧化带分布与高温区域重叠深度随工作面推进不断增加,最终稳定于工作面后方60~70 m范围内。     

蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究

为解决蒙西矿区深部开采受多层含水层威胁条件下,覆岩破坏高度难以准确计算的问题,应用现场实测、数值模拟和相似模拟相结合的方法,研究厚煤层大采高综采覆岩破坏高度。首先,综合采用井上下钻孔联合观测,基于钻孔注水及数控摄像技术,实测纳林河二号矿井厚煤层综采一次采全高条件下的导水裂缝带发育高度;然后,通过构建数值和物理相似模型,并结合全国类似条件矿井实测资料的回归分析,确定蒙西矿区覆岩破坏高度计算方法。结果表明:实测导水裂缝带发育高度与采高比为17.1～22.06;采用相似模拟、数值模拟和理论计算确定该条件下导水裂缝带高度与采高的比值为15～18.8;蒙西深部厚煤层高强度开采工作面覆岩破坏高度可按18倍采高估算。     

综放工作面微气候对工人操作失误影响研究

阐述综放工作面微气候的特点,即综采工作面的温度、湿度、煤尘等普遍偏高的情况。指出微气候的各个指标对于工人操作可靠性的影响;利用人因学原理分析了综放工作面温度、湿度、风速和煤尘对于工作操作可靠性影响的机理;强调要将综放工作面微气候中的温度、湿度、煤尘控制在一个合理的范围内;针对不同的因素提出有效的应对措施。研究取得的成果为改善井下综采工作面微气候,提高工人操作可靠性提出了理论依据。     

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。