抽采条件下采空区覆岩冒落形态与瓦斯运移规律的研究

摘要

采空区瓦斯流动规律的研究，涉及到固体力学、流体力学、渗流力学等多学科，它们相互渗透、相互交叉，因而具有一定的学术价值，特别是能够为矿井瓦斯灾害防治提供理论指导。本论文主要在理论分析的基础上，运用数值模拟的方法，分别对采空区瓦斯在未抽采和抽采条件下的分布规律进行研究，主要内容包括：
　　（1）采用离散元方法，利用数值模拟软件UDEC对采空区覆岩的冒落形态进行了数值模拟，分析了采空区覆岩的冒落规律及其对采空区孔隙率和瓦斯抽放钻孔的影响。UDEC模拟结果表明，采空区覆岩裂隙区域孔隙率曲线呈鞍状分布。结合模拟结果与实际情况，提出了一个可以应用于CFD模拟的计算采空区孔隙率的经验公式。
　　（2）从理论上分析了采空区气体的运移及分布规律，并给出了采空区瓦斯运移及分布的数学模型，并以谢桥煤矿1242（1）工作面为例，应用CFD流体分析软件ANSYS CFX对选定工作面采空区的瓦斯分布规律进行了数值模拟。
　　（3）无钻孔抽采条件下的模拟结果表明：在工作面倾向方向上，瓦斯浓度由进风巷向回风巷逐渐升高；在工作面走向方向上，离工作面越远，瓦斯浓度越高，且在距工作面较远的采空区深处，采空区的瓦斯浓度在宽度方向上两侧的差别不大，呈近乎对称分布。
　　（4）在有钻孔抽采的条件下，分别研究了钻孔在不同位置和钻孔不同抽采负压条件下瓦斯抽采结果。模拟结果表明：地面钻孔抽采使采空区内气体浓度分布发生明显变化；钻孔距回风巷越远，钻孔的影响范围越小；钻孔抽采负压越大，钻孔抽采影响的范围越大。

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Contents

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 课题研究目的及意义

1.3 国内外研究现状、发展动态

1.4 主要研究内容

2 采空区覆岩冒落形态的数值模拟及其孔隙演化特征

2.1 离散单元法和 UDEC 数值模拟软件

2.2 采空区覆岩冒落形态的演化规律

2.3 覆岩顶板裂隙分布规律

2.4 本章小结

3 采空区瓦斯运移的理论研究

3.1 采空区瓦斯涌出来源分析

3.2 采空区风流流动的特征

3.3 多孔介质的特性

3.4 流体在多孔介质中的运动方程

3.5 瓦斯沿工作面的单向不稳定流动

3.6 瓦斯在钻孔附近的径向流动

4 采空区瓦斯分布规律的数值模拟研究

4.1 模拟软件介绍

4.2 建立工作面采空区三维 CFD 模型

4.3 边界条件

4.4 计算过程与结果分析

4.5 本章小结

5 不同抽采条件下采空区瓦斯浓度分布规律研究

5.1 采空区瓦斯抽采的目的和方法

5.2 地面钻井抽采采空区瓦斯影响因素研究

5.3 有抽采钻孔的采空区基本模型

5.4 边界条件

5.5 钻孔布置位置不同对抽采效果的影响

5.6 不同抽采负压对钻孔抽采效果的影响

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新性成果

6.3 存在的问题及其下一步的研究内容

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文