矿井间断通风瓦斯积聚机理及防治研究

摘要

矿井瓦斯积聚与超限一直是威胁煤矿安全生产的重要因素，而在煤矿正常生产过程中，矿井通风系统定期的倒机过程将直接引起整个矿井通风系统，以及井下流场空间内的间断通风情形。这一通风不稳定因素的经常发生将直接影响井下流场空间内瓦斯浓度的分布，增加了矿井内瓦斯积聚的概率。本文正是基于矿井间断通风这种生产实际，研究通风风流在启停过程中不同流速下对井下工作面近壁面内瓦斯渗透的影响情况，以及瓦斯渗透出来后对煤壁面外部、采煤工作面、以及采空区流场空间内瓦斯浓度分布规律的影响。同时，依托与山西金晖万峰煤矿合作科研项目《防止煤矿局部瓦斯短暂超限与矿井不间断通风研究》，在山西金晖万峰煤矿实现了矿井连续通风技术的实际应用。 本文主要研究内容及成果如下： （1）本文归纳总结了矿井间断通风产生的全部原因，并以矿井主通风机倒机过程产生的矿井通风情况为研究背景，对间断通风条件下的井下巷道流体动力学特性进行了细化分析，尤其是构建了采煤工作面近壁面煤岩结构内瓦斯-空气混合流动的概念化物理模型，对间断通风条件下，动态变化的矿井通风风流对采煤工作面煤壁面近壁面区间内瓦斯的流动特征进行了科学化的描述。 （2）在对含瓦斯煤岩微观结构分析的基础之上，分别选取万峰煤矿1#、5#、9#、10+11#四个煤层的煤样对各煤层煤样的渗透特性基础参数和孔隙结构进行实验室分析，同时结合现场实测数据，对万峰煤矿各煤层内赋存情况、瓦斯流动的原动力和渗透阻力进行了全面分析。 （3）以万峰煤矿1#煤层所在试验工作面作为工程研究背景，构建数值计算模型，通过井下工作面实测结合数学分析，对非定常的间断通风风流条件进行确定，进而通过对煤体结构煤壁面内部和外部截取特征分析线的方法，对不同通风流速和不同煤岩体孔隙率条件下煤壁面内部瓦斯渗透及煤壁面外部近壁面流场内瓦斯-空气混合流动进行研究。得出了在间断通风条件下，采煤工作面近壁面外部和内部瓦斯浓度变化的数值计算分析结果表明，总结了瓦斯瓦斯渗透流动的规律。 （4）采用数值模拟分析的方法，对井下采空区区域内瓦斯分布规律进行分析，计算结果表明：随着通风流速的下降，采空区内形成的涡流区逐渐弱化，与周边流场逐步融合，瓦斯浓度逐步趋于周边区域瓦斯浓度，涡流区瓦斯浓度略有上升，但高浓度的瓦斯区在逐步扩散，涡流区与通风流场区渐渐融为一体，瓦斯浓度呈现整体升高的趋势。 （5）根据数值计算结果，对万峰煤矿1号煤层所在工作面矿井通风系统的两台主通风机通过增加对空风门的方法，对试验矿井主通风机系统进行了矿井不间断通风技术改造，通过现场实测验证了该系统的稳定性和实效性。该系统的应用能够实现50s内完成主通风倒换过程，通风流量最大波动幅度为11.95%，井下工作面最低风流速度为0.98m/s；系统振动无异常，为井下瓦斯积聚与超限提供可靠技术解决方案。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Status)

1.3 研究内容(The Main Contents of This Paper)

1.4技术路线(Approaches of This Paper)

2 矿井间断通风流体动力学特性分析

2.1 矿井通风流体动力学基础(Fluid Dynamics Foundation of Mine Ventilation)

2.2 矿井间断通风产生的原因(Cause of Intermittent Ventilation in Mine)

2.3间断通风对煤壁面的影响(The Effect of Intermittent Ventilation on Coal Wall)

2.4 本章小结(Summary)

3 含瓦斯煤体孔隙结构及渗透性分析

3.1 万峰煤矿煤岩地质结构及瓦斯赋存概况(Geological Structure and Gas Occurrence of Coal and Rock in Wan Feng Coal Mine)

3.2 煤岩内瓦斯渗透流动规律研究(Study on the Law of Gas Permeation and Flow in Coal and Rock)

3.3 万峰煤矿煤样渗透特性及瓦斯参数测定分析(Measurement and Analysis of Permeability and Gas Parameters of Coal Samples in Wan Feng Coal Mine)

3.4 本章小结(Summary)

4 矿井间断通风条件下煤岩内瓦斯渗透规律数值分析4 Numerical Analysis of Gas Permeability in Coal and Rock under Intermittent Ventilation

4.1 数值计算模型 (Numerical Model)

4.2计算模型网格划分（Meshing）

4.3边界条件(Boundary Conditions)

4.4 不同进口风速时瓦斯浓度分布（ The Distribution of Gas Concentration under Different Inlet Velocity）

4.5 不同孔隙率时瓦斯浓度分布（ The Distribution of Gas Concentration with Different Porosity）

4.6 本章小结（Summary）

5 矿井间断通风条件下瓦斯积聚特性及防治技术研究5 Research on Characteristics and Control Technology of Gas Accumulation under Intermittent Ventilation in Mines

5.1 采区流场空间内瓦斯分布情况(Gas Distribution in the Space Flow Space of the Mining Area)

5.2 工作面与采空区过渡区间瓦斯条件分析（ Analysis of gas condition in transition section between working face and gob area）

5.3 矿机间断通风条工作面区间瓦斯浓度分布情况(Distribution of Gas Concentration in Working Face of Intermittent Ventilation Strip of Mine Machine)

5.4 矿井连续通风技术研究(Research on Continuous Ventilation Technology in Mine)

5.5 系统连续通风稳定性效果分析(Analysis of the Stability Effect of Continuous Ventilation System)

5.6 本章小结(Summary)

6 结论

6.1 结论(Conclusions)

6.2 创新点(Innovations)

6.3 展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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