采空区场流数值模拟程序(G3)实现与应用

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、分相气体(瓦斯、氧、CO)渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区安全(瓦斯、自然发火等)分析数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解计算机程序(G3).结合Y形通风形式采空区的求解实例,展示了G3能够适应各种复杂边界条件,并给出工作面开采条件下采空区内各相气体和温度变化的图形分布解G3中采空区按冒落非均质介质处理;考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,并能反映工作面推进、通风量等因素影响关系.可操作性好,能对各种情况做任意性模拟试验,便于从理论上描绘采空区漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧、CO浓度和温度的分布状态及其变化过程.图7,参16.     

采空区流场非线性渗流的改进迭代算法

针对冒落采空区风流移动同时存在紊流、过渡流、层流的非线性渗流问题,结合有限元方法,提出以变渗透系数的达西(Darcy)渗流反复迭代求得非线性渗流.计算中根据迭代方法的特点,为改进迭代算法振荡性收敛效果,引入动态收敛因子(即初始收敛因子和阻尼收敛因子),讨论了收敛因子对收敛过程的影响,通过合理联合选取初始收敛因子和阻尼收敛因子,使迭代的收敛速度更快.与Darcy渗流相比,采空区非线性渗流速度场趋向于平缓,计算结果与实际流态更接近.得到采空区风压等值线与流函数线正交的流网、漏风强度分布(速度场),给出了采空区流态变化与过渡的分布结果.迭代方法满足工程要求.     

采空区沿空通风巷道边界漏风分布的迭代计算

为了提高计算采空区漏风流动状态的有限元计算精度,提出用迭代方法处理沿空通风巷道(或工作面)边界条件,给出了迭代格式和计算方法,针对工作面的侧漏风问题提出了工作面漏风率的概念,结合算例,从理论上证明沿程漏风巷道的风压分布(1类边界条件)是非线性的,指出在漏风量占总供风量的比例不是很大的情况下,工作面风压分布基本近似于线性分布;迭代收敛的快慢与漏风量大小有关.     

“Y”型通风下采空区自然发火数值模拟

针对综采工作面"U"型与"Y"型通风特点,建立了多场耦合的采空区自然发火模型,开发了基于有限体积法离散的模型解算程序,结合实例研究了相同条件下"U"型与"Y"型通风对采空区自然发火的影响,给出了不同通风系统下的采空区压力场、速度场、氧浓度场以及冒落煤岩固体温度场的分布情况.对比研究表明:"Y"型通风增大了采空区的漏风量,扩大了较高浓度氧气的分布范围,从而导致采空区温度更高.最后分析了"Y"型通风下的采空区漏风变化特点.该成果对"Y"型通风下的采空区自然发火防治工作具有一定指导意义.     

采空区自然发火位置相似模拟模型

为了研究不同类型的采空区漏风对采空区自然发火的影响,依据采空区的漏风状态不同,把采空区划分成不同的火灾危险区域,以此判断采空区发火位置。研制了相似模拟模型,针对采空区自然发火问题进行了多项模拟实验,观测并绘制了不同风量下采空区风压等值线及风流分布图;绘制了采空区不同位置漏风情况下风压等值线及风流分布图;绘制了上隅角设置瓦斯排放风筒后采空区风压等值线及风流分布图;设计了采空区充填带,并获得了采空区风压等值线及风流分布图。     

采空区自然发火位置相似模拟模型

为了研究不同类型的采空区漏风对采空区自然发火的影响,依据采空区的漏风状态不同,把采空区划分成不同的火灾危险区域,以此判断采空区发火位置.研制了相似模拟模型,针对采空区自然发火问题进行了多项模拟实验,观测并绘制了不同风量下采空区风压等值线及风流分布图;绘制了采空区不同位置漏风情况下风压等值线及风流分布图;绘制了上隅角设置瓦斯排放风筒后采空区风压等值线及风流分布图;设计了采空区充填带,并获得了采空区风压等值线及风流分布图.     

采空区防火注氮过程的数值模拟与参数确定

为解决采空区防火问题，提出从采空区漏入风一侧顺流注氮，充分利用采空区漏风流向控制氮气的流向并控制漏风量的注氮思路。利用迎风有限元方法求解注氮时采空区风流移动渗流方程和氧气浓度变化过程的渗流-耗散-扩散方程。根据注氮与采空区流场流态及氧浓度分布规律，分析了注氮流量、注氮位置和时间的确定方法。     

大倾角采煤工作面热害机理分析

基于理想化的大倾角工作面及采空区建立二维直角坐标系,结合采煤工作面的温度分布模型,以微积分的形式,建立大倾角工作面热风压模型。在大倾角工作面热风压模型的基础上,结合采空区热风压作用规律的四个不同阶段,以采空区临界点、临界温度为基础,推导出采空区漏风风路风流方向的判定条件。通过对山东某矿3206工作面分析得出:3206工作面处于热风压作用的第四个阶段,即采空区内部高温有害气体沿漏风风路从工作面上隅角涌入工作面。     

U型工作面采空区漏风对自然发火的影响

为了进一步掌握U型通风方式下采空区漏风流场分布规律,为采空区火灾预防和控制提供理论依据,采用物理相似模拟实验方法,通过搭建采空区气体渗流物理相似模拟实验平台,实现了开采煤层自然垮落,并采用采空区立体监测的手段,对U型通风方式下采空区漏风流场的分布规律进行了研究。结果表明:采空区内漏风存在3个特征区域,即"上隅角漏风影响区","架后重点漏风区"和"下隅角煤柱边缘漏风带",通过分析其各个特征区域的自燃危险性,得出"上隅角漏风影响区"的自燃危险性最大,"架后重点漏风区"的自燃危险性最小。同时,在采空区垂直方向上的漏风强度随着高度的增加而减小,最大影响高度可达到60 m左右。研究指出了U型通风工作面火灾防治的重点区域,为采空区在漏风影响条件下的防灭火工作提供了一定的理论参考。     

基于能位测定与SF_6示踪气体联合检测复杂采空区漏风

针对煤矿井下采空区的复杂漏风关系,应用能位测定法与示踪检测技术联合检测了孔庄煤矿井下采空区的漏风情况。通过测试计算相对总压值得出工作面采空区周围巷道漏风源和漏风汇之间的能位关系,进而定性确定了孔庄煤矿7353E\8353W工作面采空区存在的可能漏风路径。在此基础上,利用瞬时释放示踪气体法确定了孔庄煤矿7353E\8353W工作面采空区的漏风方向和漏风速度。     

锚支巷道沿空延迟冒落采空区风流规律研究

锚杆锚索支护的回采巷道采后不及时冒落,形成特殊的沿空漏风边界的采空区流场.运用有限元数值模拟方法,结合铁法小青矿S2-705工作面现场实际,从理论上描绘了采空区漏风流动规律的改变特征,给出风流强度分布图解.研究认为,不冒落形成的沿空漏风边界是工作面向采空区的漏入、漏回的主流边界,漏风强度最高;贴近工作面边界的冒落非压实带存在平行渗流.这种流势导致了在下游回风侧的沿空巷道内形成瓦斯集聚,并提出了预先拆锚杆卸顶或局部通风机抽排放两种解决途径.图5,参5.     

综采工作面采空区漏风规律数值模拟

为得到综采工作面及其采空区的流场分布,基于通风网络理论推算得出采空区漏风阻力系数模型,该模型综合考虑采面的回采速度,顶板岩性,采空区倾向上顶板的沉降量等因素影响,利用FLUENT软件及其自适应网格技术,对国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿121103工作面及其采空区漏风流场进行数值模拟,并对模拟结果与现场实测工作面风量分布进行比较,工作面风量分布趋势吻合较好.模拟结果表明:该工作面向采空区漏风主要发生在倾向0～25m区域内,在该区域内,漏入采空区内的风量有部分返回至工作面;在倾向25～215m区域内,工作面风量变化不大;采空区漏风流场等值线在倾向上并不是对称分布的,在采空区走向0～10m及倾向20～30m区域内存在低速区.     

W型通风采空区自燃带和瓦斯运移规律的数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent对焦煤集团某矿2303综放面采空区进行了数值模拟,研究2303综放面采用W型通风方式下采空区的自燃带和瓦斯运移规律。结果表明:2303综放面采用W型通风系统后,工作面两端压差较少,可以有效防止采空区煤炭自燃,能起到均压防灭火的作用,可以有效的解决上隅角瓦斯超限问题和减小采空区瓦斯爆炸界限宽度,通过对W型通风方式下两条进风巷风量为1:1、1:2、2:3时进行分析得出,当两条进风巷风量相同时工作面向采空区漏风量和工作面两端压差最小。现场实测氧气浓度与数值模拟氧气浓度相吻合,验证了数值模拟方法的可靠性。     

综放无煤柱复合采场漏风示踪分析

针对综放无煤柱复合采场漏风形式的复杂性，在山东兖州东滩矿对综放工作面邻近通风系统进行压能测试，初步确定采场漏风源汇，用瞬态法释放SF6示踪气体，通过测试分析综放复合采场各漏风点的漏风风速和采场漏风量及其分布情况。     

采空区漏风及残煤瓦斯涌出对采场气流的影响

在国内外文献调研的基础上,通过渗流力学、岩石力学、采矿工程等多学科交叉,采用理论分析、数值计算结
合的方法,建立了煤矿采空区瓦斯流动数学模型。采用CFD 技术对漏风流分布及瓦斯浓度场进行研究,获得了整个
工作面上风流的速度和瓦斯浓度的分布情况,得到了漏入采空区和采空区返回工作面风流较为集中的范围,采空区漏
风量与工作面风量之间的变化关系,漏风流速沿采空区衰减规律,确定了整个工作面上瓦斯浓度最高的地方为回风隅
角,采空区内瓦斯浓度最高的区域也是整个采场瓦斯浓度最高的区域。通过对不同送风量的模拟研究,描述了瓦斯浓
度的运移趋势,得到了回风隅角瓦斯浓度与送风量的关系,并且发现近风侧瓦斯浓度梯度较大,增大送风量能降低近
回风隅角瓦斯浓度,但是会增加遗煤自燃的风险。揭示了采空区漏风和残煤瓦斯涌出对采场气体流动的影响规律。     

天池矿102综放孤岛工作面以风治火技术

 为了防治天池煤矿15#煤层102 综放孤岛工作面采空区煤炭自燃发火,基于采空区自燃“三带”划分标准和数值模拟的方法,采用流体力学COMSOL 计算软件,研究了工作面不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律,确定了氧化升温带的范围,得到工作面供风量与氧化升温带宽度的拟合曲线。通过现场实践,研究了加强封堵和均压等以风治火技术对103 回风闭墙采空区CO 体积分数的影响。研究结果表明,U+I 型102 工作面采空区自燃发火主要是由采空区漏风引起;氧化升温带宽度随着工作面供风量的增加而增加;均压后,103 回风闭墙采空区的CO 体积分数由最开始的超过20×10^-6降至5×10^-6。在102 综放孤岛工作面的现场实践表明,运用以风治火技术防治天池煤矿采空区遗煤自燃是可行的,对于类似综放孤岛工作面防止遗煤自燃有一定借鉴意义。     

新峪矿6114综放面回采期间采空区漏风测定

对新峪矿6114综放面回采期间采空区漏风的基本情况及测定目的,采空区漏风测定过程,测定方法和计算方法进行阐述,并确定采用SF6示踪气体连续定量释放法对采空区漏风进行定量测定,为准确测定漏风量,需对示踪气体释放量、释放点和采样点的位置等参数进行准确计算.本文对此进行了深入的分析,并结合现场进行了漏风实测,对实验数据进行了...