基于工作面采场瓦斯浓度分布的工作面顶板高抽巷位置优选研究

摘要

综放工作面因其高产高效等优势被广泛应用，同时也存在瓦斯涌出量大等问题，其中大量的采空区瓦斯涌出，直接影响着采面的安全生产，因此采空区瓦斯治理就显得意义重大。顶板高抽巷抽放采空区瓦斯是被实践验证过的解决采空区瓦斯问题的有效方法。而不同位置的顶板高抽巷对抽放采空区瓦斯效果有着明显的不同，所以确定高抽巷合适的布置位置，是有着重要的理论以及实际作用。
　　 本文详细的描述了采空区内上覆岩层破坏后形成的“三带”即垮落带、断裂带以及弯曲带的特征以及相关计算，结合根据一缘煤矿150109工作面实际情况得出垮落带和断裂带的高度;阐述了形成“三带”后瓦斯在其内的流动状态以在断裂带中的升浮，扩散这两种形式为主;也分析了采空区内的瓦斯来源和影响因素以及计算;并依据多孔介质的理论知识将采空区看作是一个多孔介质，从而建立起一缘煤矿采空区物理模型，进而应用FLUENT软件模拟一缘煤矿150109工作面不同位置高抽巷抽放采空区瓦斯分布规律，得出高抽巷合适位置。
　　 根据一缘煤矿150109工作面采空区实际状况，使用FLUENT软件对其进行了数值模拟:1）不设顶板高抽巷时工作面采空区内的瓦斯分布规律;2）高抽巷垂直位置的优选:将顶板高抽巷置于距回风顺槽27m、距底板32m、40m、48m、56m时的采空区瓦斯分布规律;3）高抽巷水平位置的优选:当顶板高抽巷高度为模拟出来最合适的40m垂高时，距回风顺槽27m、35m、43m、51m时的采空区瓦斯分布规律。通过分析模拟得到的三维立体图，对采空区瓦斯的流动规律进行分析总结，同时通过对比得出最为合适的顶板高抽巷位置。当不设顶板高抽巷时工作面采空区内的瓦斯分布规律是瓦斯在横向方向距离采煤面越远则其浓度会越高，在采煤面上，瓦斯在进风巷道浓度较低流经采煤面的过程中瓦斯浓度会慢慢增加使得回风巷道瓦斯浓度较高，再加上上隅角瓦斯影响会出现瓦斯超限问题。而在采空区垂直上，断裂带会有瓦斯的积聚，越向上瓦斯浓度也会变大。模拟顶板高抽巷水平定位27m时，垂高分别为32m、40m、48m、56m时的采空区瓦斯分布规律，这是为了得到适当的顶板高抽巷高度，同时对这时候的瓦斯规律进行分析，结果表明当高度为40m时，高抽巷瓦斯浓度29％，上隅角为0.75％，此时与其他位置相比所得到的结果较好。当确定了高度40m时，再分别模拟在这个高度时，水平为27m、35m、43m、51m时的采空区瓦斯分布规律，从而取得最适合水平位置，从模拟对比结果看当水平为35m时，高抽巷瓦斯浓度为35％，上隅角瓦斯浓度为0.7％，此时水平位置最合适，所以就确定了顶板高抽巷位置:高度40m，水平35m。在与一缘煤矿150109工作面现场实际情况进行比对得出本次模拟得到的顶板高抽巷位置与实际布置的顶板高抽巷位置相一致，模拟瓦斯抽放的结果与实际瓦斯抽放的结果也相差不大，这个位置的高抽巷布置能够解决采空区的瓦斯问题，能解决一缘煤矿高抽巷的实际工程问题，也能为顶板高抽巷位置布置提供一种借鉴方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 采空区瓦斯渗流理论的研究现状

1．2．2 采空区瓦斯抽放技术国内外现状

1．2．3 问题的提出

1．3 研究内容、研究方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

第二章 综放面采空区上覆岩破坏规律及瓦斯运移机理分析

2．1 综放采空区岩体垮落特征

2．1．1 上覆岩垂直方向的特征

2．1．2 采场采动影响的空间-时间关系

2．2 综放面采空区岩体区带划分

2．2．1 横三区划分特征

2．2．2 竖直三带划分特征

2．3 瓦斯在采动断裂带的运移聚集特征

2．3．1 瓦斯在断裂带内的升浮

2．3．2 瓦斯在断裂带内的扩散

2．3．3 瓦斯在断裂带的运移聚集特征

2．4 本章小结

第三章 采空区瓦斯涌出分析及高抽巷布置位置分析

3．1 采空区瓦斯涌出分析

3．1．1 采空区瓦斯涌出的构成

3．1．2 采空区瓦斯涌出的影响因素分析

3．1．3 采空区瓦斯涌出计算

3．2 顶板高抽巷布置位置分析

3．2．1 顶板高抽巷抽放瓦斯的作用

3．2．2 顶板高抽巷抽放瓦斯的抽放机理

3．2．3 顶板高抽巷合理层位范围分析

3．3 本章小结

第四章 采空区瓦斯物理模型和数值方法以及fluent软件介绍

4．1 多孔介质模型

4．1．1 多孔介质的含义

4．1．2 多孔介质的性质

4．1．3 采空区多孔介质性质

4．2 采空区瓦斯流动数学模型

4．2．1 瓦斯渗流模型

4．2．2 扩散方程

4．3 控制微分方程

4．3．1 模型假设

4．3．2 气体流动方程

4．3．3 多孔介质中瓦斯动力弥散方程

4．4 FLUENT软件简介

4．4．1 FLUENT软件的基本构成

4．4．2 FLUENT软件工程应用

4．4．3 FLUENT求解方法

4．5 本章小结

第五章 不同位置顶板高抽巷抽放采空区瓦斯数值模拟

5．1 数值模拟方法

5．2 一缘煤矿简介

5．2．1 一缘煤矿概况

5．2．2 15#煤层顶底板情况

5．2．3 矿井采煤方法以及通风方式

5．3 计算模型建立以及边界设置

5．3．1 一缘煤矿150109综采工作面采空区计算模型建立

5．3．2 边界条件设置

5．4 不同位置顶板高抽巷抽放瓦斯数值模拟

5．4．1 不设顶板高抽巷时工作面采空区内的瓦斯分布规律

5．4．2 高抽巷垂直位置的优选

5．4．3 高抽巷水平位置的优选

5．5 模拟结果与实际对比说明

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文的结论

6．2 论文的不足与以后工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文