综放采空区3D空间非线性渗流及瓦斯运移规律数值模拟研究

摘要

综放采空区瓦斯是工作面瓦斯涌出的重要来源之一。掌握综采工作面采空区瓦斯流动规律并对采空区实施抽放措施是降低工作面瓦斯涌出量和上隅角超限的主要手段。研究采空区瓦斯流动规律对煤矿安全生产十分必要。本文根据采空区内冒落岩石呈非均匀分布,建立了碎胀系数按“O”型圈分布计算模型,给出采空区非均匀介质的连续定义函数。在FLUENT多孔介质模型简化的基础上,应用非线性渗流方程推导出非线性渗流状态下粘性阻力损失系数和惯性阻力损失系数的经验公式。探讨了在不同渗透率分布、不同渗透率大小、不同流态及是否考虑重力场等四种条件下的三维采空区漏风渗流与瓦斯运移规律及分布状态,实现了更加贴近实际的3D采空区CFD模型。结合大兴矿N2-706工作面的实际情况,应用具体特定的模型进行了数值模拟试验,将模拟结果与现场瓦斯气体的监测数据进行对比分析,验证了数值模拟的正确性。通过对N2-706工作面数值模拟分析,得到抽采流量与回风巷瓦斯体积浓度、抽采瓦斯体积浓度都呈现反比例关系,并在理论上验证了实际工作中应避免盲目过度抽采的正确性。对于大兴矿N2-706工作面的抽采流量应控制在55-65m3/min范围内。

目录

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外采空区瓦斯理论研究现状

1.2.1 采空区渗透率的研究现状

1.2.2 采空区瓦斯运移理论的研究现状

1.2.3 CFD 软件在采空区风流场数值模拟中的研究现状

1.3 主要研究内容、研究方法及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

2 综放采空区非均质流场瓦斯渗流规律

2.1 综放采空区冒落的非均质性

2.1.1 采空区冒落规律

2.1.2 采空区冒落带及裂隙带高度的估算方法

2.2 多孔介质内流体渗流定律

2.2.1 线性渗流定律

2.2.2 非线性渗流定律

2.3 综放采空区流场变密度混合气体对流-扩散传质控制方程

2.3.1 基本假设

2.3.2 采空区变密度混合气体作非线性渗流运动的连续性方程

2.3.3 采空区变密度混合气体作非线性渗流运动的动量方程

2.3.4 采空区变密度混合气体组分输运方程

2.3.5 采空区混合气体状态方程

2.4 RNG k-ε湍流模型方程

2.5 控制微分方程的离散及离散方程的求解

2.5.1 控制方程的离散方法

2.5.2 离散方程的求解方法

3 FLUENT 软件实现采空区渗流模型的方法

3.1 FLUENT 软件的介绍

3.1.1 FLUENT 软件组成

3.1.2 FLUENT 软件的 UDF 功能简介

3.1.3 FLUENT 软件的求解方案与步骤

3.2 FLUENT 多孔介质模型的实现方法

3.3 FLUENT 组分输运模型的实现方法

4 综放采空区瓦斯运移规律的数值模拟

4.1 采空区计算模型的建立及网格划分

4.2 数值模拟边界条件的设定

4.3 渗透率对采空区流场及瓦斯浓度分布的影响

4.3.1 渗透率分布规律对采空区流场及瓦斯浓度分布的影响

4.3.2 渗透率大小对采空区流场及瓦斯浓度分布的影响

4.4 流体流态对采空区流场及瓦斯浓度分布的影响

4.5 操作环境的设置对采空区流场及瓦斯浓度分布的影响

5 综放采空区瓦斯运移规律的现场应用

5.1 大兴矿 N2-706 采空区概况

5.2 采区瓦斯气体监测

5.3 大兴矿 N2-706 采空区瓦斯运移规律的数值模拟分析

5.3.1 大兴矿 N2-706 采空区三维模型的建立及网格划分

5.3.2 大兴矿 N2-706 采空区瓦斯运移规律的数值模拟分析

5.4 抽采流量对采空区瓦斯运移规律的影响分析

6 结论与工作展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 工作展望

参考文献

附录

作者简历

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