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综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究

作　者: 张伟
导　师: 李树刚
学　校: 西安科技大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 瓦斯渗流瓦斯抽采数值模拟综放面采空区 FLUENT软件
分类号: TD712
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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引　用: 15次
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内容摘要

综放面采空区瓦斯是工作面瓦斯涌出的重要来源之一,其中的瓦斯抽采已经被证明是保障煤矿安全生产的重要技术手段。本文系统总结了煤矿采空区瓦斯渗流规律的研究成果和最新进展,大量研究表明,对综放面采空区及其上覆岩层内的瓦斯渗流规律的研究是合理高效地瓦斯抽采设计的理论基础。基于此,结合物理相似材料模拟实验和FLUENT软件数值模拟,分析了采场上覆岩层在煤层采动后的破坏特征和瓦斯在采空区及上覆岩层内的渗流分布规律。通过流体力学、高等渗流力学等理论建立了非均质条件下综放面采空区瓦斯渗流的数学模型。应用FLUENT软件建立了综放面采空区瓦斯渗流的三维数值模型,通过数值模拟对比分析了没有瓦斯抽采、只有瓦斯尾巷抽排和瓦斯尾巷及高抽巷同时抽排三种情况下的综放面采空区及其上覆岩层内的瓦斯渗流分布规律,得到的结论为:瓦斯尾巷和高抽巷的抽排作用使得综放面采空区内的高浓度瓦斯向抽采口运移,同时扩大了工作面漏风向采空区内深入的距离,减少了采空区内瓦斯向工作面的涌出。数值模拟为合理选择瓦斯抽采技术提供了理论依据。通过山西某矿101综放面的现场验证,分析了瓦斯尾巷和高抽巷在实际应用中的效果,认为模拟结果和实际效果较吻合,即瓦斯尾巷和高抽巷抽排了大量瓦斯,降低了工作面的瓦斯涌出量,使工作面达到了安全生产的要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 研究背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状分析  9-14
    1.2.1 综放面采空区瓦斯渗流规律的研究现状  9-12
    1.2.2 综放面采空区瓦斯抽采技术国内外现状  12-13
    1.2.3 问题的提出  13-14
  1.3 本文的研究内容、研究目标和技术路线  14-16
    1.3.1 主要研究内容  14
    1.3.2 研究目标  14
    1.3.3 技术路线  14-16
2 综放面采空区上覆岩层结构和移动规律分析  16-35
  2.1 综放开采时覆岩破坏的基本特征  16-18
    2.1.1 竖直方向特征  17
    2.1.2 推进方向特征  17-18
  2.2 采空区覆岩裂隙演化规律相似模拟实验  18-30
    2.2.1 相似模拟实验采用的相似条件  19-20
    2.2.2 模型的设计  20-25
    2.2.3 实验过程及现象分析  25-30
  2.3 综放面采空区覆岩区带划分特征  30-32
    2.3.1 竖直方向三带高度的确定  30-31
    2.3.2 横向分区特征  31-32
  2.4 综放面采场覆岩区带划分  32-33
  2.5 本章小结  33-35
3 综放面采空区瓦斯流场数学模型  35-44
  3.1 多孔介质的概念  35-36
  3.2 综放面采空区及上覆岩层的多孔介质性质  36-37
  3.3 综放面采空区瓦斯渗流的数学模型  37-43
    3.3.1 综放面采空区气体的基本特征  37-38
    3.3.2 采空区气体渗流—扩散场方程  38-42
    3.3.3 边界条件  42-43
  3.4 本章小结  43-44
4 综放面采空区瓦斯渗流规律数值模拟  44-61
  4.1 FLUENT 软件概况及功能  44-48
    4.1.1 FLUENT 软件基本程序结构  44-45
    4.1.2 FLUENT 程序的能力  45-46
    4.1.3 用FLUENT 程序求解问题的步骤  46-47
    4.1.4 求解方法的选择  47-48
  4.2 综放面采空区及采场上覆岩层三维建模及网格划分  48
    4.2.1 采场相关假设  48
    4.2.2 采空区网格划分  48
  4.3 综放面采空区瓦斯运移数值模拟  48-59
    4.3.1 边界条件设定  49-50
    4.3.2 采空区只有漏风情况下的瓦斯和氧气浓度分布  50-52
    4.3.3 采空区设置瓦斯尾巷时的瓦斯和氧气浓度分布  52-55
    4.3.4 采空区设置瓦斯尾巷和高抽巷时的瓦斯和氧气浓度分布  55-59
  4.4 本章小结  59-61
5 综放面采空区瓦斯渗流规律的现场应用  61-70
  5.1 天池矿概况  61-64
    5.1.1 矿井概况  61-62
    5.1.2 101 综放工作面概况  62-64
  5.2 101 综放面开采期间瓦斯涌出规律分析  64-66
    5.2.1 瓦斯涌出量与产量的关系  64
    5.2.2 瓦斯涌出量与配风量的关系  64-65
    5.2.3 瓦斯涌出量与抽采量的关系  65-66
  5.3 101 综放面瓦斯综合治理情况  66-69
    5.3.1 风排瓦斯情况  66-67
    5.3.2 顶板高抽巷瓦斯抽采情况  67-68
    5.3.3 101 综放面瓦斯综合治理效果  68-69
  5.4 本章小结  69-70
6 结论  70-72
  6.1 论文主要结论  70-71
  6.2 论文后续工作的展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录  78

综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究

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