采空区非均质多孔介质渗透特性三维建模及应用

为了减小采空区渗透率分布对流场数值模拟精确程度的影响,在岩梁理论和"O"型圈理论研究的基础上,分析了采空区非均质多孔介质孔隙分布规律,建立了采空区孔隙率及渗透率三维分布数学模型;以姚桥煤矿7271综放工作面采空区注CO_2防灭火技术为研究背景,采用FLUENT数值模拟方法,分别研究了采用渗透率三维分布模型及不同固定常数渗透率时采空区气体运移规律,并进行了现场实测对比分析。研究结果表明,沿采空区深度方向,采空区的孔隙率在靠近工作面侧较大;沿工作面倾向,采空区内靠近煤柱侧的孔隙率变化较大,压实稳定区的孔隙率较小。随着渗透率的增大,工作面漏入采空区的漏风量增大,CO_2不易在采空区中聚集;当渗透率减小时,CO_2的体积分数由回风巷侧逐渐向进风巷侧升高。数值模拟采用渗透率三维分布函数得出的结果与实测数据的平均误差为8.0%,小于固定常数渗透率,可为采空区风流场数值模拟研究提供了基础参数依据。     

综放工作面采空区渗透率及漏风规律研究

根据流体力学基本理论、多孔介质渗流理论,利用计算流体力学Fluent软件,在测定的通风阻力与漏风量条件下,通过对比模拟与现场实测工作面漏风速度,确定出适宜的采空区渗透系数。并对综放工作面的漏风分布及风温进行了测定,结果表明风温在靠近进回风口的区域温度变化较大,而工作面中段温度变化较小。     

上隅角抽采治理采煤工作面瓦斯的正交模拟优化

为了使采空区风流流动及瓦斯分布的数值模拟更加符合实际,基于采空区上覆岩层移动破断及裂隙演化的"O"形圈理论,研究煤矿井下采空区多孔介质的渗透特性,建立了正常回采期间煤矿采空区更符合实际的连续渗透率模型,并将该模型应用于五阳煤矿7601综放工作面上隅角抽采治理采煤工作面瓦斯的通风与抽放参数组合优化中。根据7601工作面现场实际情况建立CFD数值计算模型,根据正交试验方法设计了一个4因素3水平的正交试验,采用FLUENT软件平台对各试验进行数值模拟,选出了上隅角抽采治理采煤工作面瓦斯的优化参数组合,将优化后的参数应用到工作面生产中后,与模拟结果较为吻合,从而验证了模拟结果的可靠性。     

采空区自然发火多场耦合数值模拟研究

采空区遗煤自然发火严重制约着煤矿的安全生产,其受到渗流场、扩散场、化学反应场以及多孔介质传热场共同作用影响,基于这一特点,本文采用有限元数值模拟手段对采空区内部自然发火多场耦合作用进行细致研究,并通过模拟结果与现场实测数据比对验证了模拟的可行性以及模拟结果的可靠性。研究结果表明:依靠传统的三带划分方式并不能很好的确定采空区可能自然发火位置,此外,工作面漏风入口后部煤体温度变化明显,在实际工作中该区域范围应作为重点监控对象。     

薄煤层Y型通风采场瓦斯分布规律研究

为揭示"两进一回"Y型通风方式采场瓦斯流动与分布规律,利用多孔介质模型对Y型通风采场及采空区瓦斯流动进行数值模拟.结果表明:当进风巷、运输巷配风比为1:1时,上隅角处因局部阻力与风流转向出现了低速紊流区从而导致瓦斯聚积;由于尾巷与进风巷相联通,靠近上隅角处采空区的瓦斯会涌入工作面;工作面瓦斯浓度随着进风巷与运输巷配风比...     

采空区“三带”划分数值模拟及其应用

根据通风网络理论,建立了采空区渗流模型。通过对采空区渗流场的数值模拟,确定了采空区漏风风速场。并以采空区漏风风速为依据对采空区"三带"范围进行划分。在朱仙庄873综放工作面对所建立的数值方法进行了运用,得到其采空区"三带"的范围。通过与实测结果的对比,检验了模型的正确性。     

“U+L”型通风条件下采场瓦斯分布规律研究

为了研究“U+L”型通风条件下采场瓦斯分布规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了工作面瓦斯赋存规律和多孔介质瓦斯运移模型基本方程,然后,采用Fluent数值模拟软件,模拟了“U+L”型通风方式下采空区瓦斯浓度分布、工作面瓦斯分布规律以及采空区风流场分布规律。研究得出,该通风方式下,能够稀释和疏散采空区瓦斯,同时也增大了回风巷排瓦斯的负担,应增加其他相关瓦斯抽采措施,确保矿井的安全开采。     

尾巷改变采空区瓦斯流场的数值模拟研究

为了研究尾巷配置对采空区瓦斯流场的影响,根据N1-2工作面的巷道布置情况,建立了配置尾巷的工作面与采空区数学物理模型.结合周期来压对采空区冒落物孔隙率的影响,按周期来压步距分析了孔隙率阶跃变化,合理计算了分段渗透率大小.根据气体在多孔介质中的渗流理论,将FLUENT中3种湍流模型的模拟结果与实测结果对比,选择Realizablek-ε模型对不同条件下的采空区漏风场和瓦斯体积分数场进行模拟,模拟结果与现场效果表明:均匀渗透率和分段渗透率条件下的瓦斯场分布模拟结果与实测瓦斯体积分数对比,分段渗透率的模拟结果更接近实测值;受采空区瓦斯体积分数梯度与渗透率变化的影响,尾巷配风量越大上隅角漏风量越小,尾巷步距越小临近工作面区域的瓦斯体积分数越低,综合尾巷联络巷的施工量与回风顺槽配风量,尾巷步距为50 rn,配风量为总进风的2/3时效果最佳;现场结合尾巷步距、风量分配与调节、周期来压等因素制定了综合措施,提高了尾巷利用率,有效解决了配置尾巷的综放工作面上隅角及尾巷口瓦斯波动超限问题.     

双U型通风系统综放开采采空区瓦斯分布规律

利用矿用移动式束管采样、色谱分析系统对成庄矿5303双U型通风系统综放工作面采空区进行定期采样分析、随工作面推进分阶段释放示踪气体测定采空区气体流场、应用CFD模拟技术对采空区瓦斯分布进行数值模拟。模拟结果表明：双U型通风综放工作面在正常生产情况下,高浓度瓦斯在采空区深部沿回风侧逐渐汇集,形成瓦斯富集带,瓦斯浓度最高可达70%;现场实测表明采用CFD模型模拟得到的双U型通风系统综放工作面采空区瓦斯分布规律与现场实测结果相吻合,模拟结果为制定采空区瓦斯抽放措施提供了科学依据。     

冒落带非均质模型对采场流动传热计算的影响

在采动影响下,采场冒落带内碎岩和遗煤呈现出初始冒落到不断被压实的非均质状况。为了更准确地模拟采场流动换热状况,本文将孔隙率和渗透率视为在二维空间内不均匀分布的连续变量,并建立相应的计算模型。基于多孔介质流动传热模型对典型U型采场流场与温度场进行数值模拟和实测对比。通过给出不同孔隙率模型下的计算结果,表明采空区冒落带的孔隙率分布模型对采场内流动传热模拟结果有较大影响。采用冒落带孔隙率二维连续非均匀模型后,工作面采空区侧的各点温度模拟与实测值相差<0.5℃,因而其结果更符合实际。     

采空区自燃三带时空演化特征与防治技术研究

针对红会一矿1715综放工作面采空区外因火灾隐患，从时空演化的角度分析了工作面具体冒落情况，优化了工作面采空区孔隙率、渗透率动态分布模型，结合COMSOL数值模拟软件计算了该工作面推进不同阶段采空区三带范围及漏风情况，提出了适宜该工作面的时空联合火灾治理措施。结果表明：总配风量一定情况下，“两进一回”W型通风方式“三带”范围比U型通风方式更小，后者漏风情况更为严峻，自燃发火隐患更大|而采用“两进一回”W型通风方式后，随总配风量增加，自燃三带范围增加且向采空区深部延展，最终确定进风巷风量为300m/min、辅助通风巷风量为400m/min的配风方案为该工作面火灾治理期间最佳通风方案，自燃区域最窄|依据时空联合防治技术方案，于1715工作面进行了现场验证，1715工作面外因火灾隐患得到了有效解决，对国内类似火情治理具有重要借鉴意义。     

基于CFD的采空区三维空间漏风流场数值模拟

采空区漏风易引发遗煤自燃灾害,威胁煤矿井下安全生产。为研究和掌握采空区漏风流场分布,以梁宝寺煤矿3308工作面为研究对象,建立采空区三维模型,构建了采空区三维阻力系数分布函数,借助CFD软件对采空区漏风流场规律进行数值模拟。结果发现：工作面向采空区漏风流场的分布在各方向上具有明显的分区域特性|采空区的主要漏风发生在工作面倾向0～10m的范围内,应加强此范围的密封工作,以隔绝漏风通道|数值模拟得到的沿工作面倾向风量与现场实际测量的结果误差较小,验证了数值模拟具有一定的准确性。上述分析为减少采空区漏风,防治采空区遗煤自燃发火等灾害提供一定的理论基础。     

Y形通风采空区注氮防灭火的数值模拟

基于非均质漏风渗流方程、气体（瓦斯、氧、CO）渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了开采区注氮采空区自燃防灭火非定常数值模型.用迎风格式有限元方法联立求解,通过计算机程序（G3）对Y形通风采空区注氮问题进行了数值模拟.描绘了Y形通风注氮采空区的漏风流态和瓦斯、氧、CO等气体浓度以及温度的分布状态及其变化过程;以图形方式给出了各量的区域分布解,分析了Y形通风采空区在注氮条件下特有的规律;给出了注氮与工作面推进的合理配比关系.在进风侧向采空区注氮,对于防止Y形通风采空区自燃效果明显.     

U+L型通风条件下采空区煤自燃危险区域研究

U+L型工作面采空区漏风治理一直以来是矿井火灾防治的重要课题之一，为研究这一问题，采用绝热氧化升温试验、现场监测以及数值模拟的方法，在测定煤自燃极限特征参数的基础上，以陕西杭来湾煤矿实际为例对采空区“三带”区域分布规律进行研究，进而揭示采空区煤自燃特征及危险区域分布规律。研究发现：该采空区煤体自燃的下限氧浓度为12.9%|U+L型通风方式对于采空区“三带”区域划分有着较为严重的影响，进风侧采空区由于辅运巷漏风影响，会出现煤自燃“三带”范围的波动|数值模拟能够更加直观的体现煤自燃危险区域的分布特征。研究结果对于同类工作面的矿井火灾防治具有一定的指导和借鉴意义。     

采空垮落区瓦斯非线性渗流-扩散模型及其求解

根据高强度快速推进条件下大空间采空垮落区瓦斯运移的特点,按照渗流力学理论,将采空区视为连续的渗流空间,瓦斯在采空区实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程,通风风流流动状态是由工作面湍流向采空区深部层流的过渡状态.运用质量守恒定律和非线性渗流方程,提出基于Fick扩散定律和Brinkman方程的瓦斯扩散-通风对流运移模型,综合考虑了流体压力梯度和动能作用,比较适合采空垮落区的风流运动和瓦斯对流扩散规律.通过数值求解,研究采煤工作面采空垮落区内瓦斯运移的作用机理.     

基于三维数值计算的U形和Y形通风瓦斯运移规律研究

U形通风和Y形通风是目前工作常用的2种通风方式,采用这2种通风方式后,采空区的瓦斯运移规律存在很大差别.由于现场无法直接测定采空区内的瓦斯浓度及其流场分布规律,而理论研究方面的数字模拟计算采用的二维模型忽略了与开采平面垂直方向上的瓦斯浓度分别,论文通过建立三维采空区物理模型,应用fluent软件模拟这两种通风方式采空区瓦斯运移规律,得出通风采场瓦斯运移及浓度分布的三维模拟结果.将Y型通风采场瓦斯运移及浓度分布计算结果与U形通风采场的计算结果进行比较分析,得出:Y形通风能更好地治理上隅角瓦斯.     

切顶留巷综采面采空区防漏风技术研究

为掌握切顶留巷条件下的采空区漏风规律，降低对采空区的漏风供氧，首先利用COMSOL数值模拟软件分析了青龙煤矿21606综采工作面切顶留巷采空区的漏风流场，模拟结果表明：切顶留巷“Y”型通风方式下，采空区漏风风速沿远离综采面的方向明显衰减，采空区漏风路径主要为：从下隅角进入，经采空区流向上隅角和通风立眼处。其次，利用SF6现场示踪试验对模拟结果进行验证，结合模拟和现场试验结果得到了采空区漏风流场的特征，并分区域制定了针对性的防漏风措施：在切顶留巷及通风立眼处采取砌墙并进行喷浆处理|在工作面进行切顶爆破加速顶板垮落|在补回风巷和回风巷上隅角处砌筑沙袋墙并喷涂施密特防漏风材料|在切眼及补切眼处进行喷浆和及时封堵切眼瓦斯抽采钻孔|补充压注凝胶等综合措施。通过综合防漏风措施的实施，降低了工作面自然发火风险，保证了工作面的安全回采。     

采煤工作面瓦斯流动模型及COMSOL数值解算

引入溶质扩散平移方程和Fick扩散定理来模拟瓦斯的流动扩散行为,应用N-S方程和Brinkman方程构建工作面和采空区气体流动模型,并将两个模型有机地联系在一个统一的流动场中,基于质量守恒和压力平衡,建立出采煤工作面瓦斯流动的物理模型。进风巷道、回风巷道、工作面以及采空区瓦斯涌出和扩散被有效地联系在了一起,应用COMSOL Multiphysics多物理耦合分析工具求解该物理模型。模型计算结果表明：该模型能够模拟工作面和采空区瓦斯浓度分布,并能对瓦斯专排巷的位置布置、工作面通风方式优劣进行对比判断,对于采煤工作面有一定的适用性。