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综采面“U+L”两进一回通风系统采场瓦斯运移规律模拟研究
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摘要
采空区瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的重要来源之一,对采空区涌出瓦斯的研究和治理已成为煤炭工业瓦斯治理的重要研究内容。本文以沙曲矿的14205工作面为背景,系统分析了综采工作面采空区瓦斯涌出来源、影响因素及流动特征,结合瓦斯流动的数学模型及相似理论,通过数值模拟和相似材料实验的对比验证研究,总结出“U+L”型两进一回通风系统下综采工作面采空区瓦斯运移规律。
     依据瓦斯渗流理论、质量守恒定律和流体力学,建立了瓦斯流动数学模型的基本方程。结合沙曲矿14205工作面的实际情况,运用FLUENT软件对采空区瓦斯运移过程进行数值模拟研究,得出采场瓦斯沿工作面推进方向、垂直方向和宽度方向上的“三维”瓦斯浓度分布及变化规律。通过对不同的工作面通风系统和不同的进口风速对采空区瓦斯浓度分布的影响进行分析,表明:采用“U+L”型两进一回通风方式可以降低采空区瓦斯浓度,明显降低了工作面及上隅角瓦斯浓度;增加风速,可以使采空区内高浓度瓦斯向深部推移,从而降低工作面及上隅角瓦斯浓度。
     依据相似理论,通过相似材料模拟实验,定性研究采空区气体流动形态和浓度分布,对采空区瓦斯运移的数值模拟结果进行验证。实验结果表明:采空区内气体流动形态、浓度分布与数值模拟结果一致,采用“U+L”型两进一回通风方式可以降低工作面及上隅角瓦斯浓度。
     通过采空区瓦斯运移规律的相似模拟研究,确定了该工作面采空区内高浓度瓦斯聚集区域,即工作面推进方向距离工作面40-250m之间,垂直方向距离工作面底板30-40m,工作面宽度方向距离回风侧40m的区域内,这个高浓度瓦斯富集区随着工作面地推进动态前移,成为工作面瓦斯抽采的最佳合理位置,为防止工作面瓦斯积聚及选择合理瓦斯抽采点和抽采方式提供了必要的技术支撑。
     论文对比研究了模拟研究结论与沙曲矿14205工作面现场实测的综采面瓦斯浓度沿工作面推进方向、宽度方向和垂直方向上的分布情况,得出相似模拟研究的瓦斯浓度分布规律与实测结果具有良好的一致性,从而验证了模拟研究在瓦斯防治工作中的可行性。
Goaf methane is one of the important emission source of coal mining working face, further study and treatment on goaf methane is necessary for coal industry. Based on 14205 working face of Shaqu Coal Mine, this thesis analyses goaf methane emission source, factors and flowing characteristics in comprehensive mechanized coal mining working face. Combining mathematical model of gas flow and similarity theory, numerical simulation and similar material experiment was finished; this thesis summarizes goaf methane migration laws of“U+L”ventilation system of two intakes and one return in comprehensive mechanized coal mining working face.
     Based on the theory of gas percolation, law of mass conservation and hydrodynamics, basic mathematical equation of gas flow model was established. According to 14205 working face of Shaqu Coal Mine, the numerical simulation of goaf methane migration was carried out by FLUENT, which calculated the three-dimensional distribution laws of methane concentration, that is, mining direction, vertical and width direction.
     The effect of different ventilation system and inlet wind speed on goaf methane concentration distribution was studied, which indicated that“U+L”-shaped ventilation system of two intakes and one return can reduce the goaf methane concentration as well as that of working face and top corner. By enhancing the wind speed, the higher concentration methane can move to deeper goaf, which can reduce the methane concentration in working face and top corner.
     According to similarity theory and similar material experiment, the thesis studies qualitatively flowing patterns and distribution laws of methane concentration, which verifies the results of numerical simulation to goaf methane migration laws. It is indicated from the results of experiment that flowing patterns and distribution laws of methane concentration are coincident with numerical simulations, and the methane concentration from working face and top corner can be reduced by using“U+L”-shaped ventilation system of two intakes and one return.
     It is fixed of high concentrations gas area in goaf by similar simulation of goaf methane migration laws, that is, 40-250m (mining direction), 30-40m (vertical direction) and 40m (width direction) .This area which is dynamic forward with the face is the best and reasonablest place of gas drainaging in working face. The research supports preventing gas accumulation and selecting a reasonable area and patten of gas extraction.
     It concludes high coincidence by comparing the similar simulation results with three-dimensional distribution of methane concentration (mining direction, vertical and width direction ). from 14205 working face of Shaqu Coal Mine. That is to say it is possible of using similar simulation to gas prevention research.
引文
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