综放工作面采空区瓦斯运移规律数值模拟研究

论文摘要

近十几年来,我国综放采煤方法得到了广泛的应用。由于综合机械化放顶煤开采具有高产、高效、推进速度快的特点,从而使瓦斯涌出更为集中且不均衡,常造成上隅角及回风巷瓦斯浓度超限,成为矿井安全生产的重大隐患。因此,综放工作面采空区瓦斯运移规律的研究,具有重要理论与现实意义。论文根据放顶煤开采时采空区瓦斯的运移规律和特点,通过FLUENT软件对采空区瓦斯运移规律进行数值模拟研究。较详细的分析了综放工作面的瓦斯涌出规律及其影响因素;阐述了采空区瓦斯运移的特征——升浮、扩散和聚集;应用上覆岩层在竖直方向形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带的理论,结合成庄矿2311综放工作面的情况,确定了垮落带和断裂带的高度,为综放工作面采空区瓦斯运移物理模型的高度奠定了基础。通过质量守恒定律、动量守恒定律和扩散定律,建立了综放面采空区瓦斯运移数学模型。应用FLUENT软件对U型通风工作面采空区瓦斯运移进行数值模拟,得出采空区瓦斯浓度分布规律,即在走向方向上随着进深瓦斯浓度逐渐升高,在倾向方向上从进风侧到回风侧瓦斯浓度逐渐升高,在竖直方向上随着高度的增加瓦斯浓度逐渐升高,为采空区瓦斯治理提供了可靠的理论依据。通过数值模拟对比分析了U型、W型、U+L型、U+I型、双U型、U+I+走向高抽巷六种情况下以及U型、W型通风方式工作面不同风量下的综放工作面采空区瓦斯浓度分布规律,结果表明:W型通风方式在工作面风量为1440m3/min的情况下,工作面中部瓦斯浓度为10.4%,相比U型通风方式上隅角瓦斯浓度12.2%,瓦斯浓度有所降低;增加U型和W型通风方式工作面的风量能够降低上隅角和工作面中部的瓦斯浓度;U+L、U+I型通风方式可以降低采空区瓦斯浓度,明显降低回风巷和上隅角瓦斯浓度,但尾巷瓦斯浓度超限;双U型通风方式针对产量大、瓦斯涌出量大的高产高效综放工作面能有效的解决回风巷、上隅角瓦斯超限问题,回风巷、上隅角瓦斯浓度分别为0.45%和0.65%;U+I+走向高抽巷中内错尾巷和高抽巷的抽排作用使得综放面采空区内的高浓度瓦斯向抽采口运移,减少了采空区内瓦斯向工作面的涌出,能有效的解决综放工作面回风巷和上隅角瓦斯超限问题,回风巷、上隅角瓦斯浓度分别为0.6%和0.65%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 瓦斯运移机理的国内外研究现状
• 1.2.1 瓦斯渗流规律的研究
• 1.2.2 瓦斯扩散理论的研究
• 1.2.3 瓦斯渗流──扩散理论的研究
• 1.2.4 多煤层系统瓦斯越流理论的研究
• 1.2.5 多物理场煤岩瓦斯耦合规律的研究
• 1.2.6 数值模拟研究现状
• 1.3 主要研究内容和研究方法
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 主要研究方法
• 第二章 综放面采空区瓦斯运移理论研究
• 2.1 瓦斯涌出分析
• 2.1.1 综放工作面瓦斯来源
• 2.1.2 综放工作面瓦斯涌出特点
• 2.1.3 瓦斯涌出量计算
• 2.1.4 影响瓦斯涌出量的主要因素
• 2.2 采空区瓦斯运移特征
• 2.2.1 多孔介质的特性
• 2.2.2 采空区瓦斯的升浮
• 2.2.3 采空区瓦斯的扩散
• 2.2.4 采空区瓦斯的聚集
• 2.3 综放采空区岩体垮落特征
• 2.3.1 垮落带及断裂带高度的确定
• 2.3.2 自然堆积区岩体的碎胀特性
• 2.3.3 载荷影响区岩体的碎胀特性
• 2.3.4 压实稳定区岩体的碎胀特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 综放面采空区瓦斯运移数学模型及FLUENT 软件介绍
• 3.1 综放面采空区瓦斯运移基本方程
• 3.1.1 渗流运动方程
• 3.1.2 扩散运动方程
• 3.2 控制微风方程的建立
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 采空区气体流动方程
• 3.2.3 采空区瓦斯的动力弥散方程
• 3.3 FLUENT 软件介绍
• 3.3.1 FLUENT 软件组成
• 3.3.2 FLUENT 求解
• 3.4 本章小结
• 第四章 综放面采空区瓦斯运移规律数值模拟
• 4.1 数值建模的初始条件
• 4.1.1 采空区瓦斯运移规律数值模拟模型的建立
• 4.1.2 采空区瓦斯运移数值模拟参数及边界条件的设定
• 4.2 综放面采空区瓦斯运移数值模拟
• 4.2.1 U 型通风方式数值模拟结果
• 4.2.2 W 型通风方式数值模拟结果
• 4.2.3 U+L 型通风方式数值模拟结果
• 4.2.4 U+I 型通风方式数值模拟结果
• 4.2.5 双U 型通风方式数值模拟结果
• 4.2.6 U+I（走向高抽巷）瓦斯数值模拟结果
• 4.2.7 模拟结果对比分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文