袁店一矿1011综采面采空区瓦斯治理技术研究及应用

摘要

伴随着袁店一矿工作面采煤强度的加大，工作面采空区的瓦斯涌出量的增加，工作面上隅角和回风巷的瓦斯集聚也愈发严重，瓦斯超限现象时有发生，这严重威胁着煤矿工人的安全与工作面的正常回采。因此，为保证工作面的高效正常生产应该采取采空区瓦斯治理措施。
　　本文通过理论分析、FLUENT数值模拟以及现场工业验证的方法，对袁店一矿1011综采面采空区瓦斯治理技术进行了研究分析。首先针对综采工作面采空区上覆岩层破坏规律以及区带内孔隙率与碎胀系数进行了分析，且结合现场实测数据，找出了覆岩破坏的区带划分情况，冒落带区域为0～13.04m，导气带最大高度区域为33.58～44.78m;然后，对影响采空区瓦斯涌出的因素以及采空区瓦斯涌出量计算方法进行了研究分析，掌握了袁店一矿综采面采空区瓦斯涌出情况，工作面的瓦斯涌出量为25.28 m3/min，采空区的涌出量为14.86 m3/min。同时，应用多孔介质流体力学和采空区瓦斯流动规律等理论建立采空区气体流动数学模型，并用FLUENT软件对采空区的流场进行了模拟研究。本文模拟了无瓦斯抽采（即只有U型通风）、埋管抽采（埋管深度分别为10米、35米、60米）以及埋管和高位钻孔共同抽采等情况下的三维瓦斯流动状态，并且对这几种情况下的工作面采空区内瓦斯分布特点进行了对比分析，得出高位钻孔和埋管共同抽采措施能够很好的降低采空区内瓦斯浓度，减少采空区内的瓦斯流向工作面。最后，通过在袁店一矿1011综采面采空区的现场验证，经过考察高位钻孔和埋管共同抽采下的效果，得出结论:利用高位钻孔和埋管共同抽采能够抽采到大量瓦斯，高位钻孔和埋管平均抽采分别达到26.72％、7.29％，同时上隅角和回风巷浓度分别降低到0.32％、0.27％，解决了瓦斯超限的问题，起到了良好的社会价值和经济效益。

目录

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摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 采空区瓦斯流动规律研究现状

1．2．2 采空区瓦斯治理技术研究进展

1．2．3 CFD技术采空区瓦斯流场模拟的应用研究

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

2．综采工作面采空区上覆岩层破坏规律

2．1 矿井地质基本情况

2．1．1 矿井地质构造特征

2．1．2 煤层赋存特征及顶底板岩层特征

2．2 综采工作面上覆岩破坏基本特征

2．2．1 竖直方向覆岩破坏特征

2．2．2 横向方向岩层破坏特征

2．2．3 采动裂隙分布的“O”形圈理论

2．3 水平方向垮落岩层特征参数

2．4 竖直方向冒落带和导气带高度

2．5 本章小结

3．综采工作面采空区瓦斯涌出分析

3．1 采空区瓦斯涌出特征

3．2 采空区瓦斯涌出的影响因素

3．2．1 自然赋存条件因素

3．2．2 开采技术因素

3．3 采空区瓦斯涌出量的计算理论

3．3．1 采空区瓦斯涌出量作图法估算

3．3．2 应用回风巷中老顶垮落前、后瓦斯涌出量变化估算

3．3．3 采空区瓦斯涌出分源计算法

3．4 本章小结

4．综采工作面采空区瓦斯流场数学模型建立

4．1 采空区多孔介质性质

4．1．1 多孔介质的含义

4．1．2 多孔介质的相关参数

4．2 采空区瓦斯的运移规律

4．2．1 采空区瓦斯的升浮

4．2．2 采空区瓦斯的扩散

4．2．3 采空区瓦斯的聚集

4．3 采空区气体流动数学模型

4．3．1 层流与湍流流动方程

4．3．2 连续性方程

4．3．3 动量守恒方程

4．3．4 瓦斯质量守恒方程

4．3．5 方程定解条件

4．3．6 采空区瓦斯流动的数学模型通用形式

4．4 本章小结

5．综采工作面瓦斯抽采数值模拟分析

5．1 FLUENT软件概况及功能

5．1．1 FLUENT软件的基本程序结构

5．1．2 FLUENT求解方法的选择

5．2 采空区几何模型建立及模拟参数确定

5．2．1 采空区的相关假设

5．2．2 几何模型建立及网格划分

5．2．3 模拟参数的确定

5．3 采空区瓦斯抽采数值模拟结果及分析

5．3．1 采空区只有U型通风时模拟结果

5．3．2 采空区埋管抽采时模拟结果

5．3．3 采空区埋管和高位钻孔抽采时模拟结果

5．4 本章小结

6．综采面采空区瓦斯抽采现场验证

6．1 矿井概况及工作面基本情况

6．1．1 矿井概况

6．1．2 工作面基本情况

6．2 采空区瓦斯抽采措施的实施

6．2．1 高位钻孔的布置参数

6．2．2 埋管布置参数

6．3 瓦斯抽采效果考察

6．4 本章小结

7．结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果