高瓦斯矿井综放开采采空区瓦斯治理数值模拟研究

论文摘要

本文研究应用多孔介质流体动力学、传热传质学和数值方法等理论,研究采空区风流压力场、速度场和浓度场。结合天池某煤矿103工作面采空区跨落岩石的特征,研究了采空区孔隙率的分布特性,提出了采空区渗透系数呈“椭圆型”分布特点;通过质量守恒、动量守恒和组分守恒定律,结合采空区风流流态,建立了不同流态下瓦斯流动通用数学模型;针对采空区形状和瓦斯流动数学模型,采用有限体积法对计算区域、瓦斯流动控制方程以及边界条件进行离散化,借助SIMPLE算法求解离散方程组;运用商业CFD软件Fluent对采空区进行模拟,得出尾巷引排瓦斯时采空区瓦斯及氧气浓度分布,与现场实测数据非常吻合。通过封堵瓦斯尾巷和调节进风量,模拟了采空区瓦斯浓度分布,得出仅靠增加风量解决上隅角瓦斯超限和采空区漏风严重问题是不可能;瓦斯尾巷引排和调节进风量,模拟了采空区瓦斯浓度分布,确定合理的进风量,确保上隅角瓦斯浓度小于1%。通过采取瓦斯尾巷引排和调节进风量办法来解决上隅角瓦斯超限问题。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 选题意义
• 1.2 瓦斯渗流力学的国内外研究现状
• 1.2.1 线性瓦斯渗流规律的研究现状
• 1.2.2 非线性瓦斯流动规律的研究现状
• 1.2.3 采空区瓦斯渗流规律的研究现状
• 1.3 采空区瓦斯治理技术的国内外研究现状
• 1.4 研究技术路线
• 1.5 论文研究主要内容
• 2 综放开采采空区特点及瓦斯涌出研究
• 2.1 采空区垮落岩体的空隙率变化规律
• 2.1.1 采空区岩体垮落特征
• 2.1.2 采空区碎胀岩体的空隙率
• 2.1.3 采空区几何尺寸
• 2.1.4 综放采空区孔隙率与漏风形态关系
• 2.2 工作面瓦斯的来源分析
• 2.2.1 采空区瓦斯的来源
• 2.2.2 工作面瓦斯涌出量
• 2.2.3 采空区瓦斯涌出量
• 2.3 采空区瓦斯涌出特点
• 2.4 本章小结
• 3 综放开采采场瓦斯运移数学模型
• 3.1 多孔介质物理模型
• 3.2 采空区气体的物理性质
• 3.2.1 采空区气体的基本假设
• 3.2.2 采空区气体的物理性质
• 3.3 采场内瓦斯运移的数学模型
• 3.3.1 采空区气体流动控制方程
• 3.3.2 组分质量守恒方程
• 3.3.3 采空区瓦斯运移通用模型
• 4 采空区瓦斯运移数学方程组的数值解法
• 4.1 瓦斯运移规律的求解方法
• 4.2 微分方程的数值解法
• 4.2.1 数值求解问题的基本思想
• 4.2.2 计算区域的网格化
• 4.3 基于有限体积法的微分方程离散化
• 4.3.1 离散化的基本假设
• 4.3.2 微分方程离散的基本原则
• 4.3.3 采空区瓦斯运移通用模型的离散
• 4.3.4 采空区风流瓦斯通用方程的积分
• 4.3.5 采空区风流瓦斯的离散方程
• 4.4 交错网格及动量方程的离散
• 4.4.1 交错网格
• 4.4.4 动量方程的离散
• 4.5 求解代数方程组的SIMPILE 算法
• 4.5.1 速度与压力修正方程
• 4.5.3 SIMPLE 算法的计算步骤
• 5 采空区瓦斯流动数值模拟
• 5.1 软件介绍
• 5.1.1 Gambit 简介
• 5.1.2 Fluent 简介
• 5.1.3 Tecplot 简介
• 5.1.4 软件应用
• 5.2 采空区瓦斯流动物理模型
• 5.2.1 模型建立的前提
• 5.2.2 物理模型及网格划分
• 5.3 采空区瓦斯流动模拟
• 5.4 尾巷引排瓦斯效果分析
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 附录内容名称
• 作者简历
• 学位论文数据集