张集矿1111工作面高抽巷位置对工作面瓦斯治理效果的数值模拟研究

发布时间：2017-09-25 18:20

  本文关键词：张集矿1111工作面高抽巷位置对工作面瓦斯治理效果的数值模拟研究

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【摘要】：煤矿作为我国一次能源的主体,是我国经济发展和社会进步的主要原料,然而煤矿事故仍然不时发生,不但会产生一定的财产损失,同时也对人生安全产生很大威胁。瓦斯事故在所有煤炭事故中一直占这很大比例,尤其是工作面上隅角瓦斯超限问题,因此对于矿井瓦斯的治理是关系到煤矿生产能否安全进行的重要影响因素。高抽巷对于高瓦斯矿井上隅角瓦斯超限问题的治理取得一定的效果,也越来越多的被应用在各种不同煤矿中,高抽巷抽采瓦斯效果与高抽巷布置层位是否合理有很大关系。 本文将通过数值模拟方法来分析采空区内瓦斯分布及运移状况,从而确定出高抽巷布置的合理位置。详细的叙述了采空区瓦斯来源,影响因素,给出瓦斯涌出量相关计算公式；分析了采空区横三区(自然堆积区,载荷影响区和压实稳定区)和竖直方向(裂隙带和垮落带)的基本性质,给出了各区碎胀系数的求解方法；给出了采空区多孔介质模型及其主要参数的计算方法,同时分析了采空区内气体升浮、扩散和聚集基本特征及其产生的相关原因；分析了顶板高抽巷抽采瓦斯的基本机理及布置高抽巷的基本层位选择,并建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和控制微分方程等基本方程,为数值模拟提供了理论和数学基础。 本文结合张集矿1111工作面实际数据建立起采空区基本物理模型,设定好相关参数和边界条件,运用Fluent模拟软件作出如下工作： (1)在风速为2m/s时,模拟出总体瓦斯分布状况,并分别截取垂直方向上0m(工作面底板),4m(工作面顶板),16m(处于冒落带内),30m(处于裂隙带内),水平方向上20m,60m,120m,200m,250m,倾斜方向上距离回风巷道4m,30m,90m,130m,170m,通过观察发现垂直方向上从工作面底板到裂隙带上部,瓦斯浓度趋于逐渐增大,水平方向上,从距离工作面近处到远处,瓦斯分布由小变大后趋于稳定,倾斜方向上,从进风巷到回风巷,瓦斯浓度逐渐增大。同时,观察到上隅角瓦斯超限严重,达到12.1%,不利于安全工作的进行。通过加大进风口风速到3.5m/s后,瓦斯分布基本规律一致,主要观察工作面上隅角瓦斯含量,也是严重超标。这说明仅仅通过加大风量并不能有效地治理瓦斯超限问题。 (2)在固定倾斜方向上距离回风巷22m时,选取垂直高度为26m,34m,42m,50m,58m,应用Fluent软件对采空区瓦斯进行模拟,发现采空区瓦斯分布基本规律整体上基本一致,自然堆积区和载荷影响区瓦斯浓度得到一定稀释,不过对压实稳定区影响不大,然而在工作面上隅角及高抽巷内瓦斯浓度差异较大,选出高抽巷垂高为34m时,上隅角瓦斯浓度最低,同时高抽巷内瓦斯浓度最高。当确定出垂直高度34m后,选取倾斜方向山距离回风巷22m,30m,38m,46m,54m这几个点模拟,得出30m为最合适距离,此时上隅角瓦斯浓度达到0.7%,同时高抽巷内瓦斯浓度为最高的30%,比较合理。 通过与张集矿实际数据比较,该工作面高抽巷实际布置在垂直高度距离工作面底板32m,倾斜方向距离回风巷27m,与模拟在数据上存在一定的偏差。然而实际平均月抽采瓦斯浓度为28.5%,上隅角瓦斯平均浓度约为0.75%,与模拟布置高抽巷所确定的基本一致,可以认为该层位是比较合的。
【关键词】：上隅角瓦斯 顶板高抽巷 数值模拟 多孔介质
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题的研究背景12-13
• 1.2 采空区瓦斯流动规律及抽采技术的研究现状13-17
• 1.2.1 采空区瓦斯流动规律理论13-16
• 1.2.2 采空区瓦斯抽采技术的研究现状16-17
• 1.3 CFD数值模拟研究状况17-18
• 1.4 主要研究内容及方法18-20
• 1.4.1 研究内容18-19
• 1.4.2 研究方法19-20
• 第二章 采空区瓦斯赋存涌出及覆岩基本结构20-34
• 2.1 瓦斯在煤层中的赋存状态20-21
• 2.2 综采面瓦斯来源及涌出量分析21-28
• 2.2.1 综采面瓦斯来源21-23
• 2.2.2 采空区瓦斯涌出量计算23-26
• 2.2.3 采空区瓦斯涌出的因素分析26-28
• 2.3 采空区岩层的冒落特性28-31
• 2.3.1 采空区横三区与竖三带划分28-29
• 2.3.2 岩体在垮落带不同区的岩石性质29-30
• 2.3.3 垂直带基本高度的估算30-31
• 2.4 本章小结31-34
• 第三章 采空区多孔介质模型及瓦斯运移特征34-44
• 3.1 多孔介质定义及相关特性34-36
• 3.1.1 孔隙性34-35
• 3.1.2 比面35
• 3.1.3 渗透率与渗透系数35-36
• 3.1.4 压缩性36
• 3.2 采空区瓦斯运移特征36-38
• 3.3 采空区瓦斯流动数学方程38-42
• 3.3.1 渗流运动基本方程38-41
• 3.3.2 扩散运动方程41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 高抽巷基本原理及FLUENT软件相关介绍44-54
• 4.1 走向高抽巷抽采瓦斯作用44-47
• 4.1.1 高抽巷抽采瓦斯机理44-45
• 4.1.2 高抽巷合理层位的初步确定45-47
• 4.2 控制微分方程的建立47-50
• 4.2.1 基本假设条件47
• 4.2.2 采空区气体流动方程47-48
• 4.2.3 采空区瓦斯动力弥散方程48-50
• 4.3 CFD模拟软件FLUENT简介50-53
• 4.3.1 Fluent的基本结构程序和相关关系50-51
• 4.3.2 Fluent可求解的问题51-52
• 4.3.3 Fluent求解过程52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 综采面采空区瓦斯流动规律的数值模拟54-72
• 5.1 数值模拟前准备工作54-58
• 5.1.1 采空区瓦斯运移规律模拟模型的建立54-56
• 5.1.2 网格的划分56
• 5.1.3 采空区相关参数计算及边界条件的选择56-57
• 5.1.4 Fluent模拟采空区的基本过程57-58
• 5.2 “U”形通风下采空区瓦斯数值模拟58-64
• 5.3 不同位置走向高抽巷的数值模拟64-69
• 5.3.1 垂直高度的确定64-67
• 5.3.2 水平方向位置确定67-69
• 5.3.3 模拟结果与实测数据比较分析69
• 5.4 本章小结69-72
• 第六章 结论与展望72-76
• 6.1 本文主要结论72-73
• 6.2 本文的展望73-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 攻读硕士间发表论文82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：918887