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.     

U型工作面上隅角埋管瓦斯抽采数值模拟研究

传统的U型通风工作面上隅角瓦斯积聚现象经常出现,严重制约着矿井正常生产能力的有效发挥,对矿井安全生产造成重大威胁。基于前人对采空区非均质多孔介质气体运移理论的研究,采用Fluent软件数值模拟研究了U型和上隅角埋管条件下U型通风系统的静压力场和瓦斯浓度场。研究结果表明：在相同的模型参数条件下,U型通风容易造成上隅角瓦斯积聚,上隅角瓦斯超限问题十分严重;采空区5m处埋管,治理上隅角瓦斯积聚的效果欠佳,达不到安全开采的条件;15m处埋管可以较好的解决上隅角瓦斯超限问题,工作面没有出现瓦斯积聚现象,工作面和回风巷的瓦斯浓度始终处于1％以下;25m处埋管的效果与15m基本相同,没有表现出更好的瓦斯治理效果。综合数值模拟的结果,确定了上隅角埋管抽放采空区瓦斯的理想抽放位置为距离地板垂高1．2m、沿走向深入采空区15m处。     

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。     

极近距离煤层大采高工作面上隅角瓦斯治理

为了解决三交河煤矿2-512大采高工作面上隅角瓦斯经常超限的难题,运用理论和现场实践进行了分析,分析得出工作面上隅角瓦斯超限的主要原因有:①上隅角是风流汇合处;②顶板跨落;③2#下煤层瓦斯涌入采空区;④地质构造.针对上隅角瓦斯超限问题,提出了高位钻孔抽放裂隙带瓦斯和低位钻孔抽放采空区和冒落带瓦斯的防治措施.现场实践表明,在实施上述措施之后,2-512工作面回风流中瓦斯浓度控制在0.02％ ～0.06％,上隅瓦斯浓度由原来的0.8％～3.0％下降到0.8％以下,有效地解决了上隅角瓦斯超限问题,保证了矿井的安全高效生产.     

基于COMSOL的采空区埋管抽采参数优化数值研究

针对回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题,提出了回采工作面采空区埋管抽采的方法。以保德煤矿81307工作面为研究对象,运用数值模拟软件COMSOL模拟采空区无抽采和不同抽采参数条件下工作面内瓦斯分布规律,研究埋管抽采参数对上隅角瓦斯浓度的影响规律,确定最佳的采空区埋管抽采参数。同时进行现场抽采参数优化试验,对瓦斯浓度进行监测,研究结果表明:合适的布置间距、抽采负压和抽采流量能够有效解决上隅角瓦斯超限问题,试验期间内,上隅角瓦斯体积分数最大为0.74%,进风流中瓦斯体积分数最大为0.2%,工作面风流中瓦斯体积分数最大为0.45%,回风流中瓦斯体积分数最大为0.5%,均没有超过安全标准。     

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.     

顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究及应用

为了解决由于采空区及邻近煤层瓦斯的涌人而造成的工作面上隅角瓦斯超限问题,提出了运用顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术,对采空区及邻近煤层瓦斯进行抽采,进而解决上隅角瓦斯超限问题的方法。利用分源预测法对工作面瓦斯涌出源进行了分析,并理论计算了采空区冒落带和裂隙带的高度范围,结合矿井具体情况,确定了合理的高位钻孔参数,并对作用效果进行了现场考察。研究表明：高位钻孔瓦斯抽采技术,能有效地解决工作面上隅角瓦斯超限问题,降低回风流中瓦斯体积分数,并提高了工作面的推进速度,有效地保证了工作面的安全回采。     

高瓦斯综放工作面瓦斯综合治理技术研究与应用

为了解决高瓦斯特厚煤层综放工作面瓦斯超限问题,分析了工作面瓦斯源的构成,以彬长矿区某矿综放工作面为研究对象,提出了本煤层采用顺层平行孔与扇形钻孔相结合的方法抽采瓦斯,沿煤层顶板与回风顺槽水平内错掘进瓦斯专用抽放巷,上隅角采用埋管抽采及均压通风技术,与瓦斯专用抽放巷协同治理上隅角和采空区瓦斯,风障导流稀释法等一系列技术措施。现场应用表明,工作面上隅角瓦斯体积分数由0.68%降低至0.2%以下,回风巷口瓦斯体积分数由0.7%降低至0.4%,风排瓦斯量由20 m~3/min降低至5 m~3/min以下,瓦斯抽采率保持在85%以上,最大值达到95%左右。表明此套瓦斯综合治理技术应用到高瓦斯特厚煤层综采放顶煤工作面瓦斯治理中是切实可行的。     

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。     

松散破碎岩石中气体渗流影响因素实验研究

由于储煤仓结构设计较为封闭,通风效果较差,导致煤仓内部残存瓦斯不能有效地排放,极易造成煤仓内瓦斯超限。通过对原煤仓内部空气渗流规律进行研究,可以对其进行合理地通风,从而有效地治理瓦斯超限问题。实验采用玻璃球体和碎石子作为填充介质,采用单一变量法研究了非均质各向同性多孔介质的渗流规律,以及非均质各向异性多孔介质的渗流规律。在此基础上得出,随着粒径和渗流速度的增加,渗透压力梯度也在增加;同时,随着粒径的增大,渗流状态由线性渗流转变为非线性渗流,渗流速度不断地减小,其渗流速度与压力梯度均呈现非线性变化规律。