基于连续性碎胀系数模型的采空区瓦斯非线性渗流规律研究

摘要

瓦斯作为一种易燃气体时刻威胁煤矿井下的安全。扩大开采规模以及采空区管理不当都会造成矿井瓦斯涌出量增大。为解决综放工作面瓦斯超限，将专用抽放瓦斯巷道布置在采动上覆岩层发育完成的裂隙带中，已成为高效安全治理瓦斯的重要措施。高抽巷抽采的系统组成较为简单，方便管理，同时其能够运行较长时间且瓦斯抽采率较为可观。因此，为了保证该系统安全可靠进行生产，需科学合理设置以及优化高抽巷的相关参数。本文以余吾煤业 3#煤层 S2107 工作面为研究对象，在研究采动裂隙演化及瓦斯运移的基础上，运用理论分析和数值模拟的研究方法，围绕采空区高抽巷合理层位布置展开研究，主要结论如下： （1）根据采空区上覆岩层裂隙演化规律，通过FLAC3D数值模拟软件建立S2107工作面模型，对模型沿着工作面推进方向进行了5次开挖，并分别选取5次开挖过程的上覆岩层不同切面塑性破坏分布情况及应力云图进行分析研究。通过切面云图的深入分析以及经验公式得出“两带”的范围：采空区上方距离煤层顶板 23m的范围内为冒落带，22m-49m的范围为裂隙带。 （2）由于在煤矿井下环境特殊性，随着工作面不断推进过程中，采空区覆岩经过破坏变形和破坏所形成的流体流场较为复杂。基于“O”型圈理论对采空区科学合理的简化，建立梯台型的数值模拟模型。在前人研究的基础上，运用了连续性方程，动量守恒方程、组分运输方程。在采动裂隙带中的瓦斯流动建立湍流计算模型即选用RNG k-ε模型。为实现连续性碎胀系数采空区的多孔介质特性，通过孔隙率与碎胀系数的关系式，得到非线性流动条件下多孔介质中各参数与碎胀系数的经验公式。将碎胀系数的分布函数用Visual Studio进行C语言编程，同时将经验公式编译为程序语言，通过UDF接口将C语言导入FLUENT中，从而可得出非均质连续的碎胀系数采空区模型。 （3）采空区不同区域压实程度和渗透率不同，采空区不同区域瓦斯渗流机理不同。采用 FLUENT 模拟软件，分别模拟了采空区瓦斯流体不同流态下采空区瓦斯运移规律。模拟表明线性渗流与非线性渗流相比，线性渗流时采空区瓦斯浓度较大，工作面向采空区初始漏风量较小，越接近采空区深部漏风曲线衰减速度越快。 （4）比较不同风速的“U”型通风系统中的瓦斯非线性渗流规律。随着进口风速的增加，采空区内漏风量增加，上隅角瓦斯浓度由12%降低至7%，超过《煤矿安全规程》规定。采空区深部瓦斯浓度随漏风量的增加逐渐增高。为保证工作面风量以及上隅角瓦斯浓度在规定范围内，需设置高抽巷进行瓦斯抽采。 （5）高抽巷抽采卸压瓦斯既解决工作面瓦斯超限又可以减少邻近煤层瓦斯涌出。本文运用了FLUENT数值模拟，根据与煤层顶板不同垂直距离，距离回风巷不同水平距离，得到走向高抽巷的合理位置参数为垂距为34m，平距为32m时，高抽巷抽采瓦斯纯量较大，抽采率较高，工作面上隅角的瓦斯浓度在《煤矿安全规程》内，U型通风+高抽巷抽采系统可以使工作面上隅角瓦斯浓度降低到1%以下，确保回采工作面可以安全、高效地生产。 （6）为保证高抽巷的抽采瓦斯效果，改变进风巷风速和高抽巷与回风巷抽排比两种参数。高抽巷抽采的瓦斯纯量和工作面上隅角瓦斯浓 度随着风速和抽排比变化不同。综合分析确定最佳进风风速为 2m/s，最佳抽排比为1：5。 （7）通过余吾煤业3#煤层S2107工作面的实测得出高抽巷抽采瓦斯量以及抽采瓦斯浓度数据。现场实际实测高抽巷抽采流量、抽采瓦斯浓度以及上隅角瓦斯浓度观测分析，随着上覆岩层裂隙发育不断完全，高抽巷抽采瓦斯效果逐渐增强，对于工作面瓦斯治理起到重要作用。应用高抽巷抽采系统有助于工作面的安全生产，有利于提高瓦斯的利用率，一定程度上即解决了工作面瓦斯超限又提高了经济效益。

目录

封皮

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容、方法及技术路线

第二章 采动裂隙的演化及多孔介质性质

2.1采空区覆岩裂隙的演化规律及碎胀系数分布函数

2.2上覆煤岩层应力分布基本理论及其破坏的基本规律

2.3采动裂隙场中的多孔介质性质

2.4本章小结

第三章 采空区覆岩移动变形规律数值模拟

3.1S2107工作面工程概况

3.2FLAC3D确定S2107工作面裂隙带高度的数值模拟

3.3模型的建立及参数设置

3.4数值模拟结果分析

3.5本章小结

第四章 采空区瓦斯运移规律Fluent数值模拟

4.1ANSYS Fluent软件概述

4.2数值模拟中多孔介质的参数与碎胀系数的关系

4.3采空区计算模型建立及网格划分

4.4采空区瓦斯运移规律数值模拟

4.5本章小结

第五章 基于RNG k-ε模型的高抽巷合理层位布置数值模拟

5.1高抽巷布置原理概述

5.2高抽巷合理层位布置数值模拟

5.3抽采参数变化对瓦斯抽采效果影响

5.4高抽巷瓦斯抽采技术的工程应用

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2不足与展望

参考文献

致谢

在校期间科研活动及研究成果