示踪气体的CFD模拟分析采空区瓦斯流动规律
采空区瓦斯流动规律CFD数值模拟的误差分析
（ 四川省安全科 学技术研 究院， 四川 成都 ６ ０ １ ） １ ０ ６
要 ］ 以阳泉 三矿 Ｋ８０ ２ ６综放 面 为模 型 ， 用 ＣＦ 数 值模 拟 方 法对 其采 空 区瓦斯流 动及 采 Ｄ 分 布规律 进行 了数值模 拟研 究 。为 了分析 数值 模 拟 结果与 现场 实测 数据 的误 差 ， 建 立 了３ 条考察标准。考察结果表 明， 工作 面瓦斯浓度分布规律与现场实测的是 吻合 的； 回风巷 、 内错尾 巷 、 高抽巷 的 瓦斯 浓度 误 差 分别 为 ６ ５ ． ２ ％， ％、 ９ ％、５ 回风巷 、 ２ 内错 尾巷、 高抽 巷 的风 速 误 差 均 小 于 １ ％； 空 区压 实 区的风 流 流 态 为层 流 ， ０ 采 离层 区风 流 流 态为紊 流 与过 渡流 。 ［ 关键词 ］ 瓦斯流动规律 ； 数值模拟 ； 误差分析 ［ 中图分类号 ］Ｔ １￣ ２ ［ Ｄ７２． 文献标识码 ］Ｂ ［ ５ 文章编号 ］１７ － ４（ １） － ２ － ６２ ９３ ０ １ ３０ ０ ３ ９ ２ ０ ０ ０
所示 。
（） ２ 工作面采用“ ＋ ｕ 尾巷型通风方式 ”高抽 ， 巷抽采采空区和邻近层 瓦斯的条件下各条巷道的 风量及瓦斯浓度值 ， 将数值模拟结果与之对 比， 算 出模拟数值的误差 。 （） ３ 相关 资料表明Ｅ １ ］， － 采空区的离层区内风 ２ 流流态为紊流与过渡流并存 ，压实区内风流流态 为层流。 采空区多孔介质内风流流态用雷诺数 Ｒ ｅ 来 判别 。
量 扩散 。
１ 理论基础
Ｃ Ｄ模拟研究是 为了得到流体流动控 制方 Ｆ 程 的数 值 解 法 ，其 基 础 是 建 立 Ｎ ｖ ｒＳｏｅ 方 ａｉ— ｔｋｓ ｅ 程 ，对质量和动量的守恒方程进行求解 。在研究
煤矿采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究
煤矿采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究煤矿采空区上覆岩层结构和移动规律分析综放工艺在开采高含量瓦斯厚煤层的推广应用中之所以遇到困难，往往是由于综放面上隅角瓦斯易超限，从而被迫断电撤人、中断生产所导致的。
上隅角瓦斯的主要来源一是工作面煤壁释放出的瓦斯，二是采煤工作面新采落下来的煤炭中散发出来的瓦斯，三是从采空区涌出的瓦斯，其中采空区涌出瓦斯是主要的来源。
由于采动影响在采动断裂带形成的破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连通形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区，这是瓦斯抽采的重点区域。
因此，要研究采空区内瓦斯的渗流规律，有必要先研究采空区岩体的垮落特征，按照采场覆岩横向采动特征，将采空区按照自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区在横向进行划分，弄清各区碎胀系数、空隙率的分布特点；研究采空区上覆岩层采动断裂带的高度、碎胀系数及空隙率等特征，以便较全面地分析和研究采空区内空气—瓦斯混合气体在冒落带和采动断裂带内的渗流规律。
采空区瓦斯流场数学模型研究煤矿采空区内的瓦斯流动情况，建立起瓦斯流场的数学模型，对于认识采空区内瓦斯的真实流动状况以及对于进行数值模拟都有重要的基础意义。
垮落带之上的采动断裂带，在存在破断裂隙和离层裂隙相互贯通的同时，煤岩体内的裂隙还会与综放采场和采空区连通。
研究瓦斯在采动断裂带内的渗流、升浮和扩散原理，可以为解释采动断裂带是瓦斯聚集带，为其内布置钻孔抽采、巷道排放等瓦斯治理技术提供科学依据。
求解方法的选择FLUENT提供三种不同的解格式：分离解；隐式耦合解；显式耦合解。
三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。
分离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。
两种解法都是最后解附加的标量方程（比如：湍流或辐射）。
隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。
采空区瓦斯运移规律数值模拟
论文题目：采空区瓦斯运移规律数值模拟专业：应用数学硕士生：李书兵（签名）_____________ 指导教师：曹根牛（签名）_____________摘要长期的生产实践证明，矿井瓦斯运移规律预测是瓦斯防治不可缺少的重要技术环节。
矿井瓦斯是煤矿生产过程中主要的不安全因素，瓦斯灾害是威胁我国煤矿安全生产的最主要灾害，所以加强对瓦斯灾害的治理是保障矿井安全、高效生产的必要前提，瓦斯的运移、分布规律对矿井的设计、建设和开采都有重要影响。
随着开采深度和产量的增加，瓦斯潜在的影响更加显著，其模拟结果的正确与否，将直接影响矿井的技术经济指标。
为此，提出了研究矿井“采空区瓦斯运移规律的数值模拟”研究课题。
本文通过对陈家山矿416工作面采空区的长期实验观测，得到了采空区瓦斯分布的数据，首先分析了该采空区瓦斯主要来源于邻近层涌入的瓦斯和本煤层开采涌出的瓦斯，并对影响采空区瓦斯运移的因素进行层次分析法分析，得出漏入采空区的氧气是影响采空区中瓦斯运移最重要的因素，其次运用数学中的迭代方法对采空区中的非线性渗流方程进行改进，划分出该采空区中不同的流态区域，最后在总结目前采空区瓦斯运移特点、运移规律预测及数值模拟的研究的基础上，建立采空区与巷道风流流动场方程的数学模型，运用FLUENT软件进行数值模拟，以图形的方式展示了采空区瓦斯的分布规律，为采空区瓦斯治理及工作面瓦斯治理提供了可靠的理论依据。
关键词：采空区；瓦斯；层次分析法；迭代；数值模拟研究类型：应用研究Subject ：Numerical Simulation of Gas Migration Rule in Goaf Specialty ：Applied MathematicsName ：Li Shubing (Signature) ______________ Instructor ：Cao Genniu (Signature) ______________ABSTRACTThe long-term production proved that the prediction of migration rule of gas in mine prediction is an important and indispensable technology for mine's prevention and control link. mine gas is the main factors of insecurity in the process of coal production, Gas disaster is the major disaster of threat to China's mine safety production.so it is a necessary prerequisite to strengthen the governance of gas disaster for protecting the mine safety and efficient production and it is a significant impact to gas transport and distribution for mine design, construction and mining. With the increase in mining depth and production,gas potential impact will have more significant and the simulation results of the right or wrong, it will directly affect the technical and economic indicators of mine.Toward this end,we made a study of “Numerical Simulation of Gas Migration Rule in Goaf”.This article have goaf gas distribution data through the long-term experimental observations in the Chenjiashan Mine Goaf 416 face.First of all we analysis the gob gas mainly from the adjacent layer of the influx of gas and the coal seam gas emission and use AHP to analysis the factors affecting goaf gas migration，and found oxygen gas in goaf is the most important factor to affect the gas transport Second, we use the iterative method in mathematics to improve the nonlinear flow equations in goaf and carved out the different flow pattern of regional.Finally,we establish Merry mathematical model of flow field equations in the goaf and the roadway based on the study of summarizing the current characteristics of goaf gas migration, migration laws of prediction and numerical simulation. This article use FLUENT software for numerical simulation in order to display goaf gas flow distribution in graphical. Provides a reliable theoretical basis for gas governance and management.Keywords:Goaf Gas Analytic Hierarchy Process Iteration Numerical Simulation Thesis : Application Research1 绪论1.1 选题背景煤炭是我国一次能源的主体，煤炭工业承载着经济发展、社会进步和民族振兴的历史重任，是现代工业的血液，同时煤矿安全工作是全国工业安全工作的重中之重。
采空区瓦斯涌出的分析与防治
采空区瓦斯涌出的分析与防治采空区瓦斯涌出是矿井采掘过程中产生的一种安全隐患。
瓦斯是一种具有较高的爆炸性和毒性的气体，如果采空区瓦斯涌出不能有效地分析和防治，将会给矿井生产带来严重的危害。
对于采空区瓦斯涌出的分析与防治，是矿井安全管理的重要内容之一。
本文将从分析采空区瓦斯涌出的原因、瓦斯涌出特征以及防治措施三个方面进行详细探讨。
采空区瓦斯涌出的原因主要可以归纳为以下几个方面：1. 煤层中瓦斯的存在：煤层是采空区瓦斯涌出的主要来源。
在煤层形成的过程中，有机质经过长时间的分解，生成了煤炭。
而在这个过程中，煤炭中的有机质产生了大量的甲烷，也就是瓦斯。
2. 采矿活动的刺激：采矿活动是引起采空区瓦斯涌出的直接原因。
在采矿过程中，我们需要通过对煤炭的开采来获取煤炭资源。
而在开采的过程中，煤炭中的瓦斯会被释放出来，从而产生了采空区瓦斯涌出现象。
3. 地质构造的影响：地质构造是引起采空区瓦斯涌出的另一个重要因素。
地质构造包括断层、褶皱、岩层倾角等。
当地质构造具有一定的倾角时，会影响采空区瓦斯的涌出。
一方面，地质构造对地下瓦斯的运移速度有一定的影响；地质构造也会使得瓦斯涌出的位置不稳定，从而增加了事故的发生几率。
4. 静压力的变化：静压力变化也是引起采空区瓦斯涌出的重要原因之一。
当地下矿井发生瓦斯涌出时，会导致地下瓦斯压力的增加。
而由于采空区周边地质构造的变化，地下地质体积可能发生巨大变化，从而使地下矿井静压力发生变化。
静压力的变化进而导致采空区瓦斯涌出。
1. 瓦斯涌出量大：采空区瓦斯涌出量较大，容易引起矿井火灾、爆炸等事故。
瓦斯涌出量越大，就越容易引发矿井事故，对矿井生产造成较大的威胁。
2. 瓦斯浓度高：采空区瓦斯涌出的瓦斯浓度一般较高，往往达到爆炸限度或毒害限度。
瓦斯浓度高意味着瓦斯的危险性增加，容易引发爆炸和中毒事故。
3. 瓦斯成分复杂：采空区瓦斯涌出的瓦斯成分复杂，不仅含有甲烷、乙烷等可燃气体，还含有一定比例的二氧化碳、氮气等非可燃气体。
采空区瓦斯流动规律及抽放方法研究
采空区瓦斯流动规律及抽放方法研究摘要：为了有效的降低回采工作面采空区的瓦斯涌出及上隅角瓦斯浓度，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了较为深入的理论分析，并根据上述理论提出了“分源抽放”的综合治理方法。
经过在**煤矿12081工作面试验应用，取得了良好的效果，上隅角瓦斯浓度由原来的0.6%左右下降到0.4%，瓦斯浓度降低了33.3%，高位钻场单孔瓦斯抽放浓度平均为34%，瓦斯流量为0.062m3/min，在一定程度上降低了采空区的瓦斯涌出量，保证了工作面的安全生产。
关键词：采空区；瓦斯；顶板；抽放在开采高瓦斯煤层，特别是开采厚煤层时，从邻近层、煤柱及采掘空间丢失的煤中向开采层采空区涌出大量瓦斯，尤其是近年来，随着工作面的不断推进，采空区面积的日益增大，采空区瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出总量的比例日益增大，一些矿井高达40%～60%[1]。
不仅如此，采空区瓦斯涌出量的不断增大使回采工作面上隅角瓦斯浓度急剧增加，很容易造成瓦斯超限，给矿井安全和瓦斯治理带来了极大的困难。
为了有效的降低采空区瓦斯涌出量及工作面上隅角瓦斯浓度，我们对采空区的顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了较为深入的分析，并提出了有效的抽放方法。
1 采空区瓦斯流动规律分析1.1 采空区顶板裂隙分布规律国内外大量研究表明，煤层、围岩均属于孔隙－裂隙结构体，不同的煤层、岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及发育程度差别很大。
其孔隙、裂隙的闭合程度对地应力的作用敏感，地应力增高时，其闭合程度增大，透气性降低；在地应力降低时，裂隙伸张，透气性增加。
一般情况下，煤层开采后采空区的顶板形成两类裂隙：一类是离层裂隙，是随岩层下沉在层与层之间出现的岩层裂隙；另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙。
根据煤层顶板上覆岩层的运动特征，当上覆岩层下沉稳定后，可将上覆岩层采动裂隙划分为“竖三区”和“横三区”，即在采空区沿垂直方向由下往上分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，在相应的区域内形成了不同程度的竖向破坏裂隙；而沿工作面推进方向及在工作面的上下顺槽又分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，并在相应的区域内形成离层裂隙。
采空区瓦斯流动分布规律研究报告
基于采空区的瓦斯流动分布规律研究摘要：近年来,随着我国煤矿开采深度的增加、煤与瓦斯突出事故的增多,让我们更加重视对采空区瓦斯运移规律的研究。
回风隅角瓦斯超限现象在我国众多高瓦斯矿井中普遍存在,是影响矿井持续、稳定和安全生产的重要原因和事故隐患。
为了探讨上隅角瓦斯聚积的根本原因,根据渗流理论，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了理论分析和数值模拟,通过建立采空区瓦斯渗流和分布的数学模型,定出边界条件,对采空区瓦斯流动分布规律进行研究,为分析上隅角瓦斯浓度分布和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据,对上隅角瓦斯的防治和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。
关键词：采空区、瓦斯运移规律、上隅角、渗流理论、数值模拟0 引言煤炭行业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业，经过几十年的发展，已经有了雄厚的基础。
据专家预测，在我国未来一次能源消费中，煤炭仍将占主导地位，即使到2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%，届时，煤炭消费量仍将达到20多亿吨。
因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。
在这个大的背景下，煤炭产量的不断提高已经成为不可逆转的大趋势，近年来综合机械化采煤设备得到了大力推广，高产高效矿井逐年增多，煤炭行业的整体形势有了很大的改观。
为保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械化水平，是我国煤矿发展的必由之路。
随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经过技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。
由于综合机械化采煤开采强度比较大、生产集中、推进速度快，造成采空区涌出空间比较大，而上隅角瓦斯主要来源于采空区,并由经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面。
在回采工作面与回风巷交界处形成高浓度瓦斯积聚的区域,即上隅角瓦斯积聚区。
所以通过对采空区瓦斯运移规律的研究，使得采空区瓦斯得到有效的治理，从而解决上隅角瓦斯超限等问题，以充分发挥综合机械化采煤的优势，实现真正意义上的高产高效。
采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究
采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究作者：刘义磊黄素果来源：《科技资讯》2012年第29期摘要：针对采空区瓦斯运移包括渗流和非均质气体的扩散两个方面的问题，利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立起采空区风流流动数学模型，以及采空区瓦斯运移的数学模型，并采用计算机数值求解，将数值模拟结果与现场实测数据结果进行对比分析，提出了采空区瓦斯浓度分布特征及瓦斯运移规律。
关键词：综放工作面采空区瓦斯气象参数中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0048-02采空区瓦斯浓度分布不但受流场速度分布影响，同时流场的速度分布又反过来影响浓度分布，这个两个问题的方程需要耦合求解。
本文利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立风流流动及瓦斯运移的数学模型，采用计算机数值求解，分析研究采场气体流动和瓦斯分布规律。
1 采空区风流流动数学模型在矿井通风系统中，风流的流动可分为管道流动和采空区冒落区域内的流动。
在采场内的管道流动时风压稳定，各处的压力差值相对很小，不考虑温度的变化影响，此时风流流动可以看作不可压缩流体的稳定流动，符合连续方程。
而采空区的冒落区域被破碎的岩石填满，岩石之间形成多处缝隙，风流在这些缝隙中流动的速度很低，可看作是渗流，在忽略结构变形的影响时，符合达西定律：。
式中：V为渗流速度；为渗流场压力；k为渗流系数。
因此可以得到风流在采空区范围内稳定流动的微分方程：由于在实际的流场分布中风速测量起来比较简单方便，因此选择第二类边界条件作为求解条件，此时该方程存在定解的充要条件是：式中：为工作面或沿空巷与采空区交界面上采空区侧任意两点的压头差，m；为工作面或沿空巷内和相对应的静压差，Pa；为工作面或沿空巷内和相对应的标高差，m。
式（1）、（2）联立即可对采空区风流流动的数学问题进行求解。
2 采空区瓦斯运移数学模型采空区的气体状态可以视为一个由瓦斯和空气这两种元素构成的系统，将瓦斯用字母来表示，将空气用字母来表示。
综放采空区瓦斯流动规律数值模拟研究
山西煤炭 Ｓ ＮＸＩ ＨＡ ＣＯＡ Ｌ
Ｖ １３ ＮＯ． １ ｏ． １ １ Ｎｏ ．２ ｖ ０１ １
文章编号 ：６ ２ ５ ５ （０ １ １－ ０ ７ ０ １７ — ０ ０ ２ １ ） １０ ５ — ３
综 放 采 空 区 瓦 斯 流 动 规 律 数 值 模 拟 研 究
ｌ
ａ ｔ
（
ｄ ｘ
＋ ） 一ｍ ｄ： （ （ ＿ ａ － ＋（
ａ ｙ ａ ｚ ａ ｘ
ａ） ） ）Ｐ ｗ （ｗ 軎（ｗ ＋ ａ ＋ ａ 一 ＋ ａ
式中 ： Ｐ是静 压 力 ； Ｆ是质 量力 ，包 含 附加 的 动量 损
采 空 区瓦斯 流 动 非 常复 杂 ， 受 多种 因素 的影 它 响 ， 漏风 、 如 温度 、 力 、 浮 瓦斯 密度 以及 采 空 区孔 隙 率等 。 因此 ， 究 瓦斯 在 采 空 区 的流动 ， 需 要做 一 研 先
范红 伟
（ 山西煤炭职业技术学 院 ， 山西
摘
太原
００ ３ ） ３ ０ １
要 ： 用 Ｆｕｎ 模 拟软 件 ， 采 ｌｅｔ 选择 标 准双 方 程模 型 ， ｕ 型 和 Ｕ＋ 对 Ｌ型 通 风 方 式 下 综放 采 空 区 瓦斯 流 动 进 行 数 值
模拟 ， 究其分布规律 。模拟 结果表明 ： 研 在走向方向上 ， 自然堆积 区到压 实稳 定区， 从 在倾斜方向上， 从进风侧到 回风侧 ， 在垂直方向上 ， 从底板到断裂带最上部 ， 瓦斯 浓度逐渐增大 ； 隅角瓦斯 浓度 由 ｕ 型的 １％下降到 了Ｕ＋ 上 ３ Ｌ型的 ０６ ． ％左 右， 大大降低 了上隅角瓦斯浓度 ， 有效 的解决 了瓦斯超限 的问题。
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ａ ｌ ｗ ｏ ｎ ｄ —ｕ ｒ ａ ｎ ｅ ｈ ｎ Ｌ ｖ ｎ ｉ ｔ ｎ ｗ ｓ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｇ ｓ ｆ ｆ ｍｉ ｅ — ｔ ａ ｅ ｓ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ Ｕ ａ ｄ Ｕ＋ ｅ ｔ ａｉ ａ ｉ ｌ ｔｄ ｗｉ ｏ ｏ ｌ ｏ ｈ ｓ ｎ ａ ｄ ｔ ｏ —ｑ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｔ ｌ ｅ ｔｓ ｆ ａ ｅ ａ ｄ ｉ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｗａ ｔ ｄ ｅ ． ｈ ｉ ｌｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｔ ｄ ｒ ｗ — ｕ ｔ ｄ ｌｗｉ Ｆ ｕ ｎ ｏｔ ｒ ｎ ｔ ｄ ｓ ｉ ｕ ｉ ｓ ｓ ｉｄ Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉ ｅ ｕ ｔ ａ ｅ ｏ ｈ ｗ ｓ ｒ ｏ ｕ ｏ ｓ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:
2010-08-21
基金项目:国家重点基础研究发展计划973项目(2005CB221503)
作者简介:郑竹林(1963-),男,四川广安人,高级工程师,现在煤炭科学研究总院重庆研究院从事煤矿安全装备研
究工作。
示踪气体的CF D 模拟分析采空区
瓦斯流动规律
郑竹林
(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)
摘 要:为了加强采空区瓦斯的治理,需要对工作面后方采空区瓦斯流动和分布规律进行研究,文章介绍了利用CFD 采空区气体流场模拟软件模拟分析瓦斯在采空区中的流动规律,通过示踪气体的CFD 模拟分析,掌握了13118工作面采空区瓦斯流动规律,为工作面建立合理的通风方式以及进行采空区瓦斯抽采提供了依据。
关键词:CFD 模拟;采空区瓦斯;瓦斯流动规律
中图分类号:TD712+
5 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2011)01 0058 02
工作面采空区瓦斯流动和分布规律的研究,能为建立合理通风方式、采空区瓦斯抽采以及防治自然发火提供可靠的技术基础。
然而采空区气体流动是一个较复杂的过程,不同的采空区其内部气体的运移规律是有差别的,即使是相同的采空区,不同的深度其气体的运移特征也是不同的,这无疑增加了采空区流动气体研究的复杂性[1-2]。
另外,由于采空区内部环境的复杂,人和仪器都不可能进入其内部进行测量,而采用普通的采空区埋管的方式成功率非常低,测取的数据可信度也没有保障
[3]。
为了研究采空区瓦斯流动规律,
试验采用商业的CFD 程序FLUENT 来模拟长壁工作面采空区气体的流动规律。
根据矿井的实际情况,长壁工作面的CFD 模型是通过FLU ENT 的G a m bit 前处理器进行构建和划分网格的,随之导入解算器进行模拟[4]。
鉴于采空区瓦斯气体的多样性,本文主要介绍了谢桥煤矿13118工作面运用CFD 模型模拟示踪气体在采空区中的流动及分布规律,进而分析出采空区中瓦斯的流动及分布规律。
1 试验区概况
谢桥矿位于淮南煤田潘谢矿区西翼,井田处于不对称的谢桥隐伏向斜北翼西段,为一简单单斜构造,地层走向近东西,倾向南,倾角8 ~15 ,平均12 ,东西走向长约为10k m,倾斜宽4 3km ,面积约41k m 2。
试验区选在13118工作面。
13118工作面为8#煤层工作面,煤层平均厚度为2 9m,工作面长为1520m,宽为210m 。
煤层结构简单,局部含炭质泥岩夹矸一层。
顶板以泥岩为主,八线以东多为砂岩及石英砂岩;底板为泥岩及砂质泥岩。
该长壁工作面在开切眼处的标高为-420m,而停采线处标高为-510m 。
煤层倾角平均12 ,回风巷比机巷高出50m 。
采用单巷道进风,双巷道回风。
采煤方法为综采,一次采全高。
2 示踪气体的CFD 模拟分析采空区瓦斯流动规律2 1 采空区模拟区域的确定
采空区瓦斯流动规律模拟分析区域如图1所示。
其中Q 1,Q 2分别是进风量和回风量,
q 1,
q 2
是采空区漏风量。
图1 采空区模拟区域示意图(m )
2 2 示踪气体的选择
为CFD 模拟选择合适的示踪气体需要符合以下标准: 该示踪气体为一种惰性气体;!该示踪气体能够容易测定,并能够将灵敏度精确至10-6,最好能够精确到10-9;∀示踪气体使用的前提是浓度均匀稳定,且能够容易建立。
根据以上条件,经过对几种示踪气的比较,并结合示踪气体选择的要求,最后决定选用SF 6作为CFD 模拟用的示踪气体。
2 3 初始模拟条件和参数
58
谢桥煤矿13118工作面进风量为29 1m3/s,回风量为26 5m3/s,工作面两端静压差为620Pa,位压差为612P a;释放SF
6
气体25kg,释放速率为0 833kg/m i n;模拟时采空区碎胀系数取1 15~1 5,根据公式,此时n=0 13~0 33,
渗透性系数k
p =0 001~0 0285m2/(P a#s);SF
6
气体在采
空区内的扩散系数取0 080m2/h。
SF
6
气体在空气中的扩散
规律取C=C
m e
[ln t-ln t0]2
2ln2 ,其中C m为定点处的SF6气体峰值
浓度;t
0为SF
6
气体峰值浓度到达x
点的时间,m i n; 为
对数正态分布曲线方程方差。
2 4 模拟分析
利用采空区气体流场模拟软件,在1000m∃200m的区域内运用采空区模型,对SF
6
释放后300m i n、500m i n左右的浓度分布进行模拟,如图2、图3所示,色彩较浓的地方瓦斯浓度大。
通过对示踪气体的模拟结果进行分析表明:
1)气体释放后300m i n后,采空区内沿运输巷的SF
6气体浓度较大,采空区中部在离开工作面一定距离后气体浓度逐渐增大,在采空区的某一深度浓度达到最高,过后又开始逐渐降低。
分析其原因是:靠近工作面附近的采空区岩石处于初始冒落,且工作面的综采支架及进、回风巷支护较好,顶板垮落不严重,形成几十米的不垮落空间或半垮落空间,一部分新鲜风从进风巷漏入采空区,漏风流
对采空区内的SF
6
稀释、混合后,在通风负压作用下,从工作面上隅角涌出;靠近工作面的区域风速大,对气体稀释、运移影响较大;而采空区深部则受风流的影响越来越小,采空区深部破碎岩石的压实程度不断增强,能够连通的有效缝隙越来越小,绝大部分气体已不再进入密实的采空区中部[5]。
2)SF
6
气体释放后,在工作面下隅角处分为两个支流,其中一个支流流经工作面,另一支流则沿运输巷流进采空区,进入采空区的支流继续向采空区中部扩散。
中部扩散时气体先是沿采空区大的裂隙通道流动,这一点在模拟结果中直接表现为离工作面较远的取样点其峰值浓度较大。
模拟结果中距离工作面下隅角较远的取样点在20m i n 内就达到较高的浓度,说明谢桥矿13118工作面采空区连通性较好,有利于气体在其内部流动。
3)SF
6
气体释放300m in、500m i n后,气体在采空区内的扩散较为均匀,浓度变化梯度较小。
靠近工作面的采空区下部区域由于漏风流的携带作用浓度已经很小,采空区内部也有部分区域浓度很小,采空区靠近上下两巷两侧要比中部浓度稍大一些。
4)示踪气体释放初期采空区内的SF
6
气体分布不均衡,各处瓦斯浓度存在显著差异。
离工作面较近的位置有
风流漏入,比较容易聚集SF
6
气体,但是由于其风量也大,气体浓度衰减很快;离开释放口较远的地方,因风量不足,
SF
6
气体浓度反而较高。
5)释放气体经过约10h的扩散后,采空区内的气体浓度梯度就比较小了,浓度大的区域主要集中在上下顺槽两侧50m左右的距离,采空区中部区域整体浓度相对较小。
3 结 语
1)通过示踪气体的CFD模拟分析,掌握了13118工作面采空区内瓦斯的流动及分布规律。
采空区中部在离开工作面一定距离后气体浓度逐渐增大,在采空区的某一深度浓度达到最高,过后又开始逐渐降低;采空区靠近上下两巷两侧的瓦斯浓度相对较大,而采空区中部瓦斯浓度相对较小;采空区连通性较好,有利于气体在其内部流动。
2)13118工作面采空区瓦斯浓度流动规律的掌握,可为工作面建立合理的通风方式以及进行采空区瓦斯抽采提供了指导依据。
参考文献:
[1] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:
煤炭工业出版社,1999.
[2] 张东明,刘见中.煤矿采空区瓦斯流动分布规律分析[J].
中国地质灾害与防治学报,2003,14(1):81~84.
[3] 胡千庭,梁运培,刘见中.采空区瓦斯流动规律的CF D模
拟[J].煤炭学报,2007,32(7):719~723.
[4] 淮南矿业(集团)有限责任公司,煤炭科学研究总院重庆分院,
澳大利亚联邦工业科学院.地面钻井抽放采动区域瓦斯技术研
究[R].重庆:煤炭科学研究总院重庆研究院,2006.
[5] 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的%O&形圈特征研究
[J].煤炭学报,1998,23(5):466~469.
(责任编辑 张宝优)
59。