无煤柱Y型通风采空区瓦斯运移规律的研究
摘要
长期以来,U型通风工作面上隅角瓦斯超限诱发煤矿灾害的问题一直是从事煤矿安全技术研究的众多学者所关注的焦点,因此摸清采空区瓦斯的分布规律和运移流场的就显得尤为重要。由于采空区的煤岩体结构十分复杂,采用常规的测量手段去检测采空区内各种气体的分布情况较为困难；因此,许多学者采用计算流体力学(CFD)的方法,通过数值模拟试验研究采空区的流场。但是目前大多数的研究只侧重于U型通风综采工作面的采空区,随着Y型通风方式的广泛推广对Y型通风采空区瓦斯流场的研究逐渐成为热点。
本文以多孔介质理论研究为基础,分析了流体在多孔介质内的渗流规律和弥散规律,并运用流体软件FLUENT对无煤柱Y型通风方式下采空区气体的压力场、速度场、瓦斯流场等进行了数值模拟分析,为今后更好的实现采空区瓦斯的治理,抽排利用等方面奠定了理论基础。
本文论述了目前国内外无煤柱开采和采空区瓦斯运移规律的研究现状,分析了目前常用的通风系统的优缺点和适用条件,对影响综采工作面采空区瓦斯的涌出因素进行了研究。在研究的过程中,作者还分析了采空区内瓦斯浓度弥散和风流的线性渗流的一般规律,并且对采空区内的气体和采空区多孔介质模型进行了简化。最后,本文以丁集1311(1)Y型通风综采工作面采空区为例,对采空区瓦斯运移的流场进行了数值模拟分析,并在该工作面进行了应用,同时对1311(1)Y型通风工作面的瓦斯流场分布进行实测,其理论研究结果和实际相吻合。
For a long time, The problem of U-shaped ventilation working face upper corner gas overrun in exhausted gob which induce coal mine disasters is focused by Many scholars that engaged in coal mine safety technology research. So it is particularly important to research the law of gas flow and the gas distribution in exhausted gob, Because of the complex structure of coal and rock in exhausted gob, With normal measuring method to detect the condition and distribution law of gases is relatively difficult, So Many scholars using computational fluid dynamics (CFD),Through numerical simulation experimental research gas flow field in goaf. But most current study only focused on U-shaped ventilation system of mining working-face, With the Y-type ventilation type widely promotion, research on Y-type ventilation goaf gas flow field is become hot.
This thesis based on the researching of Porous media theory, Comprehensively analysis the seepage rule and dispersion rule in porous media where the gas fluid within. Using computational fluid dynamics software to analysis the air pressure field, velocity field, the gas flow field in exhausted gob under Y type ventilation mode. Laid a theoretical basis on using and controlling methane for future.
In this thesis the author discuess the current research of gas migration in goaf and the Pillarless mining, Analyzes the advantages and disadvantages of various ventilation system at present, Studied various factors which influence on gas emission in fully mechanized working face. In the process of research the author analysis the gas concentration dispersion and linear seepage formulas in exhausted gob, Then take some assumptions and simplified the gases and porous media in goaf, It is provide theory basis on study gas flow flied. The author exemplified 1311 (1) Y-type ventilation mining working face of Ding Ji coal mine, Analyzes the gas flow field in goaf. Meanwhile measured the distribution of gas flow field, The Theoretical study and practical are coincide.
本文以多孔介质理论研究为基础,分析了流体在多孔介质内的渗流规律和弥散规律,并运用流体软件FLUENT对无煤柱Y型通风方式下采空区气体的压力场、速度场、瓦斯流场等进行了数值模拟分析,为今后更好的实现采空区瓦斯的治理,抽排利用等方面奠定了理论基础。
本文论述了目前国内外无煤柱开采和采空区瓦斯运移规律的研究现状,分析了目前常用的通风系统的优缺点和适用条件,对影响综采工作面采空区瓦斯的涌出因素进行了研究。在研究的过程中,作者还分析了采空区内瓦斯浓度弥散和风流的线性渗流的一般规律,并且对采空区内的气体和采空区多孔介质模型进行了简化。最后,本文以丁集1311(1)Y型通风综采工作面采空区为例,对采空区瓦斯运移的流场进行了数值模拟分析,并在该工作面进行了应用,同时对1311(1)Y型通风工作面的瓦斯流场分布进行实测,其理论研究结果和实际相吻合。
For a long time, The problem of U-shaped ventilation working face upper corner gas overrun in exhausted gob which induce coal mine disasters is focused by Many scholars that engaged in coal mine safety technology research. So it is particularly important to research the law of gas flow and the gas distribution in exhausted gob, Because of the complex structure of coal and rock in exhausted gob, With normal measuring method to detect the condition and distribution law of gases is relatively difficult, So Many scholars using computational fluid dynamics (CFD),Through numerical simulation experimental research gas flow field in goaf. But most current study only focused on U-shaped ventilation system of mining working-face, With the Y-type ventilation type widely promotion, research on Y-type ventilation goaf gas flow field is become hot.
This thesis based on the researching of Porous media theory, Comprehensively analysis the seepage rule and dispersion rule in porous media where the gas fluid within. Using computational fluid dynamics software to analysis the air pressure field, velocity field, the gas flow field in exhausted gob under Y type ventilation mode. Laid a theoretical basis on using and controlling methane for future.
In this thesis the author discuess the current research of gas migration in goaf and the Pillarless mining, Analyzes the advantages and disadvantages of various ventilation system at present, Studied various factors which influence on gas emission in fully mechanized working face. In the process of research the author analysis the gas concentration dispersion and linear seepage formulas in exhausted gob, Then take some assumptions and simplified the gases and porous media in goaf, It is provide theory basis on study gas flow flied. The author exemplified 1311 (1) Y-type ventilation mining working face of Ding Ji coal mine, Analyzes the gas flow field in goaf. Meanwhile measured the distribution of gas flow field, The Theoretical study and practical are coincide.
引文
[1]章梦涛.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J].煤炭学报,1983,8(3)：46-54
[2]刘志勇.采煤工作面Y型通风方式的下行风[J].泸州科技,1992,1
[3]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社2008,10
[4]张琰东.Y型通风治理高产综采面瓦斯的研究[J].矿业安全与环保,2005,2
[5]李宗翔.回采采空区非均质渗流场风流移动规律的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2001,增(2)
[6]张树川.高瓦斯综采面Y型通风采空区漏风规律的研究[J].煤炭科学技术,2009.10
[7]吴世跃,郭永义.Y型通风方式治理高产综采面瓦斯的研究[J].西安科技学院学报,2001,9
[8]孙学强.Y型通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟[J].安全与环境学报2005,12
[9]肖培华,流畅峰.H.Y型通风在城山煤矿的运用[J].江西煤炭科技,2004,9
[10]王俊友.沿空留巷_Y_型通风治理瓦斯在平煤股份一矿的应用[J].煤炭科学技术,2010,4
[11]许建.沿空留巷工作面_Y_型通风的实践[J].煤矿现代化,2009,4
[12]马益鸣,谢军.Y型通风技术在谢一矿5121-5-工作面的应用,煤矿安全,2010,10
[13]戚良峰Y型通风方式下采空区瓦斯运移规律的研究[M].安徽理工大学2008,6
[14]黄志安.近距离高瓦斯煤层综采面瓦斯抽放理论与应用研究[D].北京科技大学,2006
[15]袁亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[J].煤炭学报2008,8
[16]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社,2001,3
[17]周华强等.国内外高水巷帮充填技术的研究与应用[J].矿山压力与顶板管理,1991,8
[18]缪协兴等.采动岩体渗流理论[M].北京：科学出版社,2004,1
[19]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10：8-9
[20]梁栋 通风过程瓦斯运移规律和数值模拟[D].煤炭工业出版社1995.1
[21]郑永坤 基于fluent的采空区瓦斯流场数值模拟分析[J].中国科技论文在线,2008,6
[22]腾桂荣 基于lattice boltzmann方法对裂隙煤体中瓦斯运移规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2007,7
[23]李宗翔 综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J].煤炭学报,2002,4
[24]丁本礼 放顶煤工作面采空区瓦斯运移规律及其防治[J].煤矿安,2007,3
[25]刘志河.煤矿采空区在数值模拟中的处理方法[J].煤矿开采,2005,12
[26]李树刚.综放面采空区冒落特性及瓦斯流态[J].矿山压力与顶板管理,1997,No3-4
[27]孟宪臣.U型通风采空区瓦斯运移规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,(23)：26-29
[28]继传仁.基于Bachman非线性方程对采空区瓦斯运移理论的研究[J]科技在线,2009,9
[29]李宗翔.采空区瓦斯运移规律的数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2005,16(6)：15-19
[30]钱鸣高.矿山压力及其控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991,3：109-112
[31]钱鸣高.矿山压力与岩层控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991,3：118-121
[32]张振南等.松散岩块压实破碎规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3)：451-455
[33]许家林,孟广石.应用上覆岩层采动裂隙“O”形圈特征抽放采空区瓦斯[J].煤矿安全,1995(7)：2-4
[34]张永波等.采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,11
[35]李树刚.综放开采围岩活动及瓦斯运移[M].中国矿业大学出版社,2000,134-157
[36]涂敏.潘谢矿区采动岩体发育高度的研究[J].煤炭学报,2004,29(6)：641-645
[37]Jacob bear dynamics of fluids in porocus media [M]. ameican elsevier publishing company 1972
[38]孟祥春.采空区瓦斯涌出特点与抽放方法[J]煤炭学报2008,9
[39]翟瑞刚.计算流体力学[M].高等教育出版社,1999,8
[40]梁栋.通风过程瓦斯运移规律和数值模拟[D]煤炭工业出版社,1995,1
[41]王永珍.漳村煤矿2201综采面上隅角瓦斯治理实践[J]煤矿开采,2007.8
[42]丁广骧,柏发松.采空区混合气运动基本方程及其有限元解法[J].中国矿业大学学报,1996,25(3)：21-26
[43]夏锦旗.松软煤层开采的瓦斯防治措施[M].内蒙古出版社,2004.10
[44]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2000,7：183-184
[45]张琰东.Y型通风治理高产综采面瓦斯的研究[J].科技信息2008,9
[46]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,]0：1-3
[47]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991
[48]尚海涛.煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇[J].中国煤炭,2001,4
[49]李树刚.综放开采围岩活动及瓦斯运移[M].中国矿业大学出版社,2000,134-157
[50]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10：14-15
[51]孙恒虎.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1998：9-12
[52]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
[53]刘广发.无煤柱综放开采大变形软岩巷道卸压维护分析及其应用[J].岩石力学与工程学报2002年8期
[54]孙恒虎.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1998：32-33
[55]丁广骧等.采场复杂场流的流体动力相似与模块化问题[J].中国矿业大学学报,1995,24(1)：47-51
[56]杨勇.影响矿井瓦斯涌出量的因素[J]内蒙古煤炭科学研究所,2007-7-26
[57]马伟民.矿山开采沉陷工程[M].中国矿业大学出版社,2003,9
[58]张新华.综采工作面采空区瓦斯运移规律及其应用[D].西安科技大学,2005,06
[59]高兴栋.南屯煤矿深部仰斜松软煤层综放开采的瓦斯涌出规律与防治技术研究[J].科技信息,2008,09
[60]高学平.高等流体力学[D].天津大学出版社,2005,11
[61]李晋平.沿空留巷技术及其在潞安矿区的应用[D].煤炭科学研究总院,2005
[62]袁亮.透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术主要技术内容及介绍[J].中国矿业大学学报,2009,9
[63]PRADIP KUMAR G N, VENKATARAMAN P. Non-Darcy converging flow through coarse granular media[J]. Journal of the Institution of Engineers(India):Civil Engineering Division, 1995,76:6-11
[64]Jerryzhq. Fluent简明教程http://www.cfluid.com.cn,2005
[65]Fluent全攻略http://www.cfluid.com.cn
[66]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10
[2]刘志勇.采煤工作面Y型通风方式的下行风[J].泸州科技,1992,1
[3]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社2008,10
[4]张琰东.Y型通风治理高产综采面瓦斯的研究[J].矿业安全与环保,2005,2
[5]李宗翔.回采采空区非均质渗流场风流移动规律的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2001,增(2)
[6]张树川.高瓦斯综采面Y型通风采空区漏风规律的研究[J].煤炭科学技术,2009.10
[7]吴世跃,郭永义.Y型通风方式治理高产综采面瓦斯的研究[J].西安科技学院学报,2001,9
[8]孙学强.Y型通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟[J].安全与环境学报2005,12
[9]肖培华,流畅峰.H.Y型通风在城山煤矿的运用[J].江西煤炭科技,2004,9
[10]王俊友.沿空留巷_Y_型通风治理瓦斯在平煤股份一矿的应用[J].煤炭科学技术,2010,4
[11]许建.沿空留巷工作面_Y_型通风的实践[J].煤矿现代化,2009,4
[12]马益鸣,谢军.Y型通风技术在谢一矿5121-5-工作面的应用,煤矿安全,2010,10
[13]戚良峰Y型通风方式下采空区瓦斯运移规律的研究[M].安徽理工大学2008,6
[14]黄志安.近距离高瓦斯煤层综采面瓦斯抽放理论与应用研究[D].北京科技大学,2006
[15]袁亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[J].煤炭学报2008,8
[16]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社,2001,3
[17]周华强等.国内外高水巷帮充填技术的研究与应用[J].矿山压力与顶板管理,1991,8
[18]缪协兴等.采动岩体渗流理论[M].北京：科学出版社,2004,1
[19]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10：8-9
[20]梁栋 通风过程瓦斯运移规律和数值模拟[D].煤炭工业出版社1995.1
[21]郑永坤 基于fluent的采空区瓦斯流场数值模拟分析[J].中国科技论文在线,2008,6
[22]腾桂荣 基于lattice boltzmann方法对裂隙煤体中瓦斯运移规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2007,7
[23]李宗翔 综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J].煤炭学报,2002,4
[24]丁本礼 放顶煤工作面采空区瓦斯运移规律及其防治[J].煤矿安,2007,3
[25]刘志河.煤矿采空区在数值模拟中的处理方法[J].煤矿开采,2005,12
[26]李树刚.综放面采空区冒落特性及瓦斯流态[J].矿山压力与顶板管理,1997,No3-4
[27]孟宪臣.U型通风采空区瓦斯运移规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2004,(23)：26-29
[28]继传仁.基于Bachman非线性方程对采空区瓦斯运移理论的研究[J]科技在线,2009,9
[29]李宗翔.采空区瓦斯运移规律的数值模拟研究[J].中国安全科学学报,2005,16(6)：15-19
[30]钱鸣高.矿山压力及其控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991,3：109-112
[31]钱鸣高.矿山压力与岩层控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991,3：118-121
[32]张振南等.松散岩块压实破碎规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3)：451-455
[33]许家林,孟广石.应用上覆岩层采动裂隙“O”形圈特征抽放采空区瓦斯[J].煤矿安全,1995(7)：2-4
[34]张永波等.采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,11
[35]李树刚.综放开采围岩活动及瓦斯运移[M].中国矿业大学出版社,2000,134-157
[36]涂敏.潘谢矿区采动岩体发育高度的研究[J].煤炭学报,2004,29(6)：641-645
[37]Jacob bear dynamics of fluids in porocus media [M]. ameican elsevier publishing company 1972
[38]孟祥春.采空区瓦斯涌出特点与抽放方法[J]煤炭学报2008,9
[39]翟瑞刚.计算流体力学[M].高等教育出版社,1999,8
[40]梁栋.通风过程瓦斯运移规律和数值模拟[D]煤炭工业出版社,1995,1
[41]王永珍.漳村煤矿2201综采面上隅角瓦斯治理实践[J]煤矿开采,2007.8
[42]丁广骧,柏发松.采空区混合气运动基本方程及其有限元解法[J].中国矿业大学学报,1996,25(3)：21-26
[43]夏锦旗.松软煤层开采的瓦斯防治措施[M].内蒙古出版社,2004.10
[44]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2000,7：183-184
[45]张琰东.Y型通风治理高产综采面瓦斯的研究[J].科技信息2008,9
[46]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,]0：1-3
[47]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制(修订版)[M].北京：煤炭工业出版社,1991
[48]尚海涛.煤炭作为我国基础能源的重要地位不可动摇[J].中国煤炭,2001,4
[49]李树刚.综放开采围岩活动及瓦斯运移[M].中国矿业大学出版社,2000,134-157
[50]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10：14-15
[51]孙恒虎.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1998：9-12
[52]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
[53]刘广发.无煤柱综放开采大变形软岩巷道卸压维护分析及其应用[J].岩石力学与工程学报2002年8期
[54]孙恒虎.沿空留巷的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1998：32-33
[55]丁广骧等.采场复杂场流的流体动力相似与模块化问题[J].中国矿业大学学报,1995,24(1)：47-51
[56]杨勇.影响矿井瓦斯涌出量的因素[J]内蒙古煤炭科学研究所,2007-7-26
[57]马伟民.矿山开采沉陷工程[M].中国矿业大学出版社,2003,9
[58]张新华.综采工作面采空区瓦斯运移规律及其应用[D].西安科技大学,2005,06
[59]高兴栋.南屯煤矿深部仰斜松软煤层综放开采的瓦斯涌出规律与防治技术研究[J].科技信息,2008,09
[60]高学平.高等流体力学[D].天津大学出版社,2005,11
[61]李晋平.沿空留巷技术及其在潞安矿区的应用[D].煤炭科学研究总院,2005
[62]袁亮.透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术主要技术内容及介绍[J].中国矿业大学学报,2009,9
[63]PRADIP KUMAR G N, VENKATARAMAN P. Non-Darcy converging flow through coarse granular media[J]. Journal of the Institution of Engineers(India):Civil Engineering Division, 1995,76:6-11
[64]Jerryzhq. Fluent简明教程http://www.cfluid.com.cn,2005
[65]Fluent全攻略http://www.cfluid.com.cn
[66]袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2008,10