三进两回型综采工作面通风系统采空区瓦斯运移规律研究.pdf

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1、煤矿现代化2014年第3期总第120期三进两回型综采工作面通风系统采空区瓦斯运移规律研究郝天轩，王小兵(1．河南理工大学安全与科学工程学院，河南焦作454000；2．河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，焦作454000)摘要根据寺河矿4303工作面现状，基于非均质多孔介质渗流方程建立了对应三维的CFD模型一将采空区设定为连续性同向介质，通过设定边界条件和参数，模拟计算寺河矿采空区的瓦斯浓度分布规律，并得出回风巷和上隅角的瓦斯浓度。通过现场实测回风巷和上隅角的瓦斯浓度来验证模拟结果基本符合寺河矿的实

2、际情况。关键词三进两回型通风系统；采空区；瓦斯运移中图分类号：TO712．3文献标志码：A文章编号：1009—0797(2014103—0040—03随着煤炭需求量增加，矿井深度的加深，突出和4303工作面采用j进两回型通风方式，根据现高瓦斯矿井数量会越来越多，矿井瓦斯治理方面将场实际情况和数值模拟的需要，我们可将采空区几何会面临的任务更为艰巨和复杂。在高瓦斯矿井尤其模型进行简化。简化后的模及尺寸如罔1和网2。55m是分层开采的]作面采空区上隅角处瓦斯积聚的治理问题一直为煤矿安全研究领域所关注，其

3、中何磊，杨胜强Jl对Y型通风下采空区瓦斯运移规律进行了模拟与计算；丁厚成f4I对U+L型通风下采空区瓦斯图2采空区数值物理模型主视图·运移进行了模拟；李宗翔}对w型通风冒落采空区2．2采空区瓦斯运移控制方程流场数值模拟进行计算寺河矿㈣属于高瓦斯矿井，假设采空区中的气体为不可压缩气体，它的流f作面瓦斯涌出量大，有必要对其采空区进行针对动为稳态日．等温过程，将采空区的多孔介质视为各性研究向同性。于漏风风速卡H对较小，町近似认为气流流态为层流。采空区可视为连续的多空介质渗流卒问，l寺河矿4301工作面概

4、况介质中的瓦斯为理想气体，南质量守恒方程和动量寺河矿4303l作面采用走向长壁一次性采伞高、恒l方程可得m：自然冒落后退式综合机械化采煤方法。作面走向长1779．05m，倾斜长298．57m，煤层平均厚度为6．48m，煤pl+J=I)gi-+未嚣+1层倾角1～l3。，平均5。一采空区绝对瓦斯涌量为一F385m3／min。顶板以砂岩和石英为主，底板以砂质泥岩式中：H；、11为渗流速度分量，m／s；g为加速度分毓，为土，煤层赋仔稳定。地质构造结构简单。m／s；P为气体压力，Pa；为动力粘性系数，k(m

5、·S)；F．为瓦斯流动阻力，Pa／s。2建立采空区瓦斯运移数值模型组分质量守恒方程是指系统内某种化学纰分s2．1几何模型的建立的质量对时问的变化率等于通过系统界面净扩散量43033恼n着与通过化学反应产生的组分S的生产率之和．鲥分质量守恒定律也叫做浓度传输方程。根据质量守恒定律得出组分质量守恒方程：曼巳!LJ!+垒!+塑巳!：(D旦l+axOyaZayOXiD

6、+警S式中：cs为组分s的体积浓度；pc为该组分的暖鲢浓度；Ds为该组分的扩散系数；Ss为微冗体内的牛成率；2-3参数及边界条件的确定图1

7、采空区数值物理模型俯视图根据寺河矿4303l丁作而实际参数及数值模拟·40·煤矿现代化2014年第3期总第120期的要求，边界条件的设定如下：近采空区瓦斯浓度达到1％，在x=2OOm附近瓦斯浓(1)43035进风巷设定为速度入口度达到了5％，在x=250m附近靠近回风侧瓦斯浓度(Velocity—inlet)，进风量为2724．6m3／min，通过计算得已达到了10％；从进风侧到回风侧，瓦斯浓度也略有到入口风速为2．39m／s，湍动能为0．2856，湍流耗散率增大的趋势。为0．079；入口的氧气浓

8、度为2l％，瓦斯浓度为0；从图4中可看出，随着1二作面的推进，越往采空(2)43031进风巷设定为速度人口区深部，瓦斯浓度也越大，并且回风侧的瓦斯浓度整(Velocity—inlet)，进风量为1846m3／min，通过计算得体大于进风侧的瓦斯浓度。到人口风速为1．62m／s，湍动能为0．1312，湍流耗散率为0．025；入口的氧气浓度为21％，瓦斯浓度为0；(3)43033进风巷设定为速度入口(Velocity—inlet)，进风量为1653m3／min，通过计算得到入口风速为1．45m／s，湍

9、动能为0．1051，湍流耗散率为0．018；入口的氧气浓度为21％，瓦斯浓度为0；(4)43032回风巷和43034回风巷都设定为自由流出(out—flow)。一r作面的湍动能为采用近似公式k=O．05u(系列1为回风侧。系列2为进风侧)}动能耗散率：图44303工作面采空区两侧瓦斯浓度观察图(2)利用Fluent软件模拟得到采空区瓦斯浓度÷e=c沿顶板方向上的分布情况如图5所示。40式中：u为人口的平均速度；d，为入口处的特征尺寸；2OC为经计算可得出0．1567；O孔隙率及渗透