特大型高瓦斯矿井综放工作面瓦斯治理数值模拟研究

摘要

本文针对大同煤矿集团公司大唐塔山煤矿随着煤矿开拓延伸和采掘工作面生产能力的提高，综放工作面瓦斯涌出量不断增大的情况，分析了当前综放工作面瓦斯治理方案“U+I”型通风方式存在上隅角瓦斯超限的问题，根据本矿井现有巷道及地质情况，以8105工作面为研究背景，提出了“W+I”型通风方式。根据矿井空气流动理论，采用有限元分析软件Comsol Multiphysics的计算流体力学CFD模块的数值计算方法，分析了两进风巷(2105巷道和5105巷道)的进风量一样（方案一）和不一样（方案二）两种工况下的8105工作面通风以及瓦斯浓度，确定采用方案一的通风方式及设计风量。同时由于通风方式的改变，将在8105工作面中部开掘一条中部回风顺槽，顺槽设计长度476m。由于8105工作面中部回风顺槽处于8105工作面的中部，位于该工作面的高应力集中区域，由于该巷道的开掘，使得中部应力进行了又一次的重新分布和叠加，处于回采面与中部回风巷相交处的围岩应力分布极为复杂;受回采动压的影响，使得相交段巷道支护也变得复杂。如何保证该巷道在回采过程中的稳定性是8105工作面安全生产的前提。因此，本文在矿方提供的巷道断面及支护参数的基础上，分析8105工作面中部回风顺槽围岩的应力分布情况及围岩位移及破坏特征，在原巷道支护参数的基础上提出合理的巷道支护方式及支护参数。主要成果包括以下三个方面:
　　 一、通过分析当前8105工作面通风方式的基础上，得出了影响工作面瓦斯超限的三个主要因素:一是特厚煤层高强度综放开采工艺瞬间落煤量大造成的瓦斯瞬间大量涌出;二是放顶煤工艺对采空区造成扰动致使瓦斯从采空区溢出;三是工作面来压将采空区积聚的大量瓦斯挤出到工作面。根据塔山矿实际情况，结合当前较为成熟的各种工作面通风方式特点，我们提出了以下三种方案对当前工作面通风方式进行优化，分别为:“W+I”型、“双U”型、“两进三回”型。经方案比选，最终确定工作面通风方式采用“W+I”型。
　　 二、采用Comsol Multiphysics软件对两进风巷（2105巷道和5105巷道）的进风量一样（方案一）和不一样（方案二）两种工况下的8105工作面通风以及瓦斯浓度进行了分析。结果表明:两种工况都会使回采工作面巷与2105、中部回风巷、5105巷道交叉处存在强涡流现象，使得此处瓦斯浓度过高，为1.2％左右，超过矿井预警值1％，需引起重视。其他部位尚未见瓦斯浓度超标。由于方案二中2105巷比5105巷设计风量较大，伴随压差的影响，使得与5105巷以及与其相接的回采工作面风流呈现全断面强紊流状况，风流流向较乱，瓦斯在此处易形成聚集，对矿井安全生产造成一定影响。所以建议采用方案一的通风方式及设计风量。
　　 三、通过数值计算分析，8105工作面中部回风顺槽最易发生失稳破坏的区域是中部回风顺槽巷帮5m范围内和工作面前方15m范围内所包括的区域。8105工作面采动影响较大的范围为工作面前方50m范围内，所以8105工作面中部回风顺槽需超前支护的距离确定为60m。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题提出的背景和意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 通风系统研究现状

1．2．2 矿井风流流动规律研究现状

1．2．3 巷道锚杆(索)支护技术的研究现状

1．3 主要研究内容和研究方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究方法

第二章 矿井空气流动理论及工作面通风参数计算

2．1 矿井空气流动理论

2．1．1 矿井风流流动规律

2．1．2 井通风阻力测定方法

2．2 工作面地质条件

2．2．1 煤层特征

2．2．2 顶底板岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 水文地质

2．2．5 瓦斯与煤尘

2．3 工作面合理通风方式的选择

2．3．1 当前工作面瓦斯治理方案

2．3．2 工作面瓦斯治理方案优化

2．4 风流流态计算理论

2．5 井巷断面上的摩擦风阻与阻力计算

2．5．1 摩擦阻力

2．5．2 井巷断面上的局部风阻计算

2．6 小结

第三章 8105工作面通风有限元数值分析

3．1 通风计算紊流模型介绍

3．2 有限元分析软件Comsol Multiphysics介绍

3．3 8105工作面通风二维数值模型介绍

3．3．1 通风数值模型几何特性分析

3．3．2 基本假设以及边界条件

3．3．4 8105工作面方案一情况下瓦斯运移规律分析

3．3．5 8105工作面方案二情况下通风计算结果分析

3．3．6 8105工作面方案二情况下瓦斯运移规律分析

3．4 8105工作面通风三维有限元数值分析

3．4．1．巷道风流流速分布规律

3．4．2．回采工作面风流分布规律

3．5 小结

第四章 8105工作面中部回风顺槽超前支护方案

4．1 数值计算方式的确立

4．1．1 地质力学条件

4．1．2 数值计算方法

4．1．3 FLAC-3D的有限差分法求解的基本原理

4．2 数值模型及模拟方案

4．2．1 数值计算模型

4．2．2 数值计算方案

4．3 8105工作面中部回风顺槽数值模拟分析

4．3．1 模拟过程及采空区的模拟

4．3．2 8105中部回风顺槽数值计算分析

4．4 8105工作面中部回风顺槽超前支护方案

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要成果