《采空区瓦斯运移规律数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采空区瓦斯运移规律数值模拟（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安科技大学 硕士学位论文 采空区瓦斯运移规律数值模拟 姓名：李书兵 申请学位级别：硕士 专业：应用数学 指导教师：曹根牛 论文题目：采空区瓦斯运移规律数值模拟 专 业：应用数学 硕 士 生：李书兵 （签名）_ 指导教师：曹根牛 （签名）_ 摘 要 长期的生产实践证明，矿井瓦斯运移规律预测是瓦斯防治不可缺少的重要技术环 节。矿井瓦斯是煤矿生产过程中主要的不安全因素，瓦斯灾害是威胁我国煤矿安全生 产的最主要灾害，所以加强对瓦斯灾害的治理是保障矿井安全、高效生产的必要前 提，瓦斯的运移、分布规律对矿井的设计、建设和开采都有重要影响。随着开采深度 和产量的增加，瓦斯潜在的影响更加显著，其模拟结果的正
2、确与否，将直接影响矿井 的技术经济指标。为此，提出了研究矿井“采空区瓦斯运移规律的数值模拟”研究课 题。 本文通过对陈家山矿 416 工作面采空区的长期实验观测，得到了采空区瓦斯分布 的数据，首先分析了该采空区瓦斯主要来源于邻近层涌入的瓦斯和本煤层开采涌出的 瓦斯，并对影响采空区瓦斯运移的因素进行层次分析法分析，得出漏入采空区的氧气 是影响采空区中瓦斯运移最重要的因素，其次运用数学中的迭代方法对采空区中的非 线性渗流方程进行改进，划分出该采空区中不同的流态区域，最后在总结目前采空区 瓦斯运移特点、运移规律预测及数值模拟的研究的基础上，建立采空区与巷道风流流 动场方程的数学模型，运用 FLUEN
3、T 软件进行数值模拟，以图形的方式展示了采空区 瓦斯的分布规律，为采空区瓦斯治理及工作面瓦斯治理提供了可靠的理论依据。 关 键 词：采空区；瓦斯；层次分析法；迭代；数值模拟 研究类型：应用研究 Subject ：Numerical Simulation of Gas Migration Rule in Goaf Specialty ：Applied Mathematics Name ：Li Shubing (Signature) _ Instructor ：Cao Genniu (Signature) _ ABSTRACT The long-term production proved tha
4、t the prediction of migration rule of gas in mine prediction is an important and indispensable technology for mines prevention and control link. mine gas is the main factors of insecurity in the process of coal production, Gas disaster is the major disaster of threat to Chinas mine safety production
5、.so it is a necessary prerequisite to strengthen the governance of gas disaster for protecting the mine safety and efficient production and it is a significant impact to gas transport and distribution for mine design, construction and mining. With the increase in mining depth and production,gas pote
6、ntial impact will have more significant and the simulation results of the right or wrong, it will directly affect the technical and economic indicators of mine. Toward this end,we made a study of “Numerical Simulation of Gas Migration Rule in Goaf”. This article have goaf gas distribution data throu
7、gh the long-term experimental observations in the Chenjiashan Mine Goaf 416 face.First of all we analysis the gob gas mainly from the adjacent layer of the influx of gas and the coal seam gas emission and use AHP to analysis the factors affecting goaf gas migration，and found oxygen gas in goaf is th
8、e most important factor to affect the gas transport Second, we use the iterative method in mathematics to improve the nonlinear flow equations in goaf and carved out the different flow pattern of regional.Finally,we establish Merry mathematical model of flow field equations in the goaf and the roadw
9、ay based on the study of summarizing the current characteristics of goaf gas migration, migration laws of prediction and numerical simulation. This article use FLUENT software for numerical simulation in order to display goaf gas flow distribution in graphical. Provides a reliable theoretical basis
10、for gas governance and management. Keywords: Goaf Gas Analytic Hierarchy Process Iteration Numerical Simulation Thesis : Application Research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 煤炭是我国一次能源的主体，煤炭工业承载着经济发展、社会进步和民族振兴的 历史重任，是现代工业的血液，同时煤矿安全工作是全国工业安全工作的重中之重。 我国煤炭资源十分丰富，煤炭的产量和消费量均居世界前列，约占国内一次能源生产 和消费总量的 85%左右1。煤炭在我国的能源消费组
11、成中比重一直很大，上世纪 80 年 代煤炭在我国能源消组成中比重达 80%之多，到目前也有 70%左右，预测到 2010 年其 比重大约会占到 60左右，2050年其比重大约会占到 50以上，因此，煤炭在相当长 的时期内仍将是我国的主要能源之一。我国是一个煤炭产量大国，尤其是受到近几年 来全球能源供给形势的影响，煤炭价格逐年攀升，致使煤炭企业的生产步伐进一步加 快。根据发改委统计，2006-2010 年新开工煤矿规模年均 4.5 亿吨，预计 2008-2012 年 新开工项目 7亿吨，年均 2 亿吨2。 近年来，随着采矿技术装备的飞跃发展，我国涌现出了一大批以综合机械化采 煤、综合机械化掘进为
12、特征的高产高效集约化矿井，部分综掘工作面煤巷月掘进速度 达300一600m。由于开采水平的延深、煤层瓦斯含量的增大、采掘强度的加强、采用现 行的通风方式和装备仍存在着瓦斯超限问题，煤层瓦斯条带状分布特征，高瓦斯带严 重威胁矿井安全生产。在生产过程中，采空区及其上隅角是瓦斯积聚的高发区。煤体 逸出的瓦斯和浮煤析出的瓦斯，导致工作面和上隅角瓦斯浓度超过安全控制限。由于 开采水平的延深、开采强度的加大，煤层的瓦斯含量增大，回采工作面的瓦斯涌出也 相应增大。回采工作面和采空区内瓦斯特别是上隅角瓦斯的问题日益突出。据统计， 我国国有重点煤矿属高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井达300多个，其中130多个回采工
13、 作面的上隅角存在着不同程度的瓦斯积聚和超限问题。矿井瓦斯不仅严重地威胁着安 全生产，而且极大地制约着煤炭产量的大幅度提高。回采工作面上隅角的瓦斯积聚是 治理采场瓦斯灾害中经常出现而又难以处理的问题。所以煤矿瓦斯是煤矿生产过程中 可能引起严重灾害的一种气体，而瓦斯灾害是威胁我国煤矿安全生产的最主要灾害的 之一。因为消除煤层瓦斯的突出危险性而不得不占用更多的生产时间去强化消除突出 的防突措施，使得许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费了大量的生产投资，导 致高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。由于矿井 安全生产受到威胁，矿井经济负担重、效益差，导致矿井人员稳定困难，科
14、技开发能 力减弱，不少高瓦斯突出矿井已经步入恶性循环，最终导致矿井关闭。因此，在当前 的市场经济条件下，瓦斯灾害治理的好坏已成为矿井特别是高瓦斯矿井兴衰存亡的关 西安科技大学硕士学位论文 2 键因素之一，而限制矿井与巷道瓦斯的浓度是防止瓦斯事故发生的主要措施之一。为 控制采场的自燃提供了较为有效的研究途径，问题的关键在于能否清晰的了解采空区 及巷道内空气流动的状态。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采空区瓦斯渗流研究现状 采空区是由开采过程中遗留的煤炭和冒落岩石组成的多孔介质空间，对于采空区 中的气体流动、浓度分布、氧化反应和温度分布等内容的研究，涉及渗流力学、岩石 力学、采矿及安全工程等
15、学科，但主要是利用渗流力学理论的研究，渗流力学是研究 流体在多孔介质内运动规律的科学。自 1856 年法国工程师达西(Darcy)提出线性渗流定 律以来，渗流力学一直在不断发展，并与其他学科交叉而形成许多新兴的边缘学科。 煤矿采空区自然发火及瓦斯积聚与含氧气、氮气、瓦斯等多组分气体的渗流流动、传 热传质等有关。因此研究采空区气体流动与自然发火的渗流传热传质学是由流体力 学、渗流力学、传热传质学、煤化学、固体力学、场流理论、采矿科学以及煤地质学 等学科互相渗透、交叉而发展形成的一门新兴学科。由于其理论范围广、学科多、且 研究人员无法进入采空区、研究难度大，至今尚未形成独立、完善的学科体系。渗流 力学研究瓦斯在煤层、采空区等多孔介质内运动规律，是多学科相互交叉渗透的边缘 学科。采空区气体流动理论涉及线性瓦斯流动理论、非线性瓦斯流动理论等。 （1）线性瓦斯流动理论的发展 渗流力学最先在水利工程、水的净化和地下水资源开发等部门应用。20 世纪 20 年 代，渗流力学开始成为石油和天然气开发工业的理论基础。20 世纪 40 年代末，随着采 矿业的发展，控制瓦斯浓度成为当时研究的关键技术之一。线性瓦斯渗流理论认为， 煤层内瓦斯运动基本符合线性渗透定律达西定律(Darcys law)。前苏联学者应用达 西定律描述煤层内瓦斯流动，开创性地研究了
