示踪气体的CFD模拟分析采空区瓦斯流动规律

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采空区瓦斯流动规律CFD数值模拟的误差分析

（四川省安全科学技术研究院，四川成都６０１）１０６
要］以阳泉三矿Ｋ８０２６综放面为模型，用ＣＦ数值模拟方法对其采空区瓦斯流动及采Ｄ分布规律进行了数值模拟研究。为了分析数值模拟结果与现场实测数据的误差，建立了３条考察标准。考察结果表明，工作面瓦斯浓度分布规律与现场实测的是吻合的；回风巷、内错尾巷、高抽巷的瓦斯浓度误差分别为６５．２％，％、９％、５回风巷、２内错尾巷、高抽巷的风速误差均小于１％；空区压实区的风流流态为层流，０采离层区风流流态为紊流与过渡流。［关键词］瓦斯流动规律；数值模拟；误差分析［中图分类号］Ｔ１￣２［Ｄ７２．文献标识码］Ｂ［５文章编号］１７－４（１）－２－６２９３０１３００３９２０００
所示。
（）２工作面采用“ ＋ｕ尾巷型通风方式 ”高抽，巷抽采采空区和邻近层瓦斯的条件下各条巷道的风量及瓦斯浓度值，将数值模拟结果与之对比，算出模拟数值的误差。（）３相关资料表明Ｅ１］，－采空区的离层区内风２流流态为紊流与过渡流并存，压实区内风流流态为层流。采空区多孔介质内风流流态用雷诺数Ｒｅ来判别。
量扩散。
１理论基础
ＣＤ模拟研究是为了得到流体流动控制方Ｆ程的数值解法，其基础是建立ＮｖｒＳｏｅ方ａｉ— ｔｋｓｅ程，对质量和动量的守恒方程进行求解。在研究

煤矿采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究

煤矿采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究煤矿采空区上覆岩层结构和移动规律分析综放工艺在开采高含量瓦斯厚煤层的推广应用中之所以遇到困难，往往是由于综放面上隅角瓦斯易超限，从而被迫断电撤人、中断生产所导致的。

上隅角瓦斯的主要来源一是工作面煤壁释放出的瓦斯，二是采煤工作面新采落下来的煤炭中散发出来的瓦斯，三是从采空区涌出的瓦斯，其中采空区涌出瓦斯是主要的来源。

由于采动影响在采动断裂带形成的破断裂隙和离层裂隙，采动裂隙网络与采空区相连通形成采动断裂带，由于瓦斯的升浮、扩散和渗透作用，在采动断裂带形成瓦斯富集区，这是瓦斯抽采的重点区域。

因此，要研究采空区内瓦斯的渗流规律，有必要先研究采空区岩体的垮落特征，按照采场覆岩横向采动特征，将采空区按照自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区在横向进行划分，弄清各区碎胀系数、空隙率的分布特点；研究采空区上覆岩层采动断裂带的高度、碎胀系数及空隙率等特征，以便较全面地分析和研究采空区内空气—瓦斯混合气体在冒落带和采动断裂带内的渗流规律。

采空区瓦斯流场数学模型研究煤矿采空区内的瓦斯流动情况，建立起瓦斯流场的数学模型，对于认识采空区内瓦斯的真实流动状况以及对于进行数值模拟都有重要的基础意义。

垮落带之上的采动断裂带，在存在破断裂隙和离层裂隙相互贯通的同时，煤岩体内的裂隙还会与综放采场和采空区连通。

研究瓦斯在采动断裂带内的渗流、升浮和扩散原理，可以为解释采动断裂带是瓦斯聚集带，为其内布置钻孔抽采、巷道排放等瓦斯治理技术提供科学依据。

求解方法的选择FLUENT提供三种不同的解格式：分离解；隐式耦合解；显式耦合解。

三种解法都可以在很大流动范围内提供准确的结果，但是它们也各有优缺点。

分离解和耦合解方法的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的解的步骤不同，分离解是按顺序解，耦合解是同时解。

两种解法都是最后解附加的标量方程（比如：湍流或辐射）。

隐式解法和显式解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。

采空区瓦斯运移规律数值模拟

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FLUENT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 MathematicsName ：Li Shubing (Signature) ______________ Instructor ：Cao Genniu (Signature) ______________ABSTRACTThe long-term production proved that the prediction of migration rule of gas in mine prediction is an important and indispensable technology for mine's 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 China's mine safety production.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 potential 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 through 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 the 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 roadway 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 for gas governance and management.Keywords:Goaf Gas Analytic Hierarchy Process Iteration Numerical Simulation Thesis : Application Research1 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。

采空区瓦斯涌出的分析与防治

采空区瓦斯涌出的分析与防治采空区瓦斯涌出是矿井采掘过程中产生的一种安全隐患。

瓦斯是一种具有较高的爆炸性和毒性的气体，如果采空区瓦斯涌出不能有效地分析和防治，将会给矿井生产带来严重的危害。

对于采空区瓦斯涌出的分析与防治，是矿井安全管理的重要内容之一。

本文将从分析采空区瓦斯涌出的原因、瓦斯涌出特征以及防治措施三个方面进行详细探讨。

采空区瓦斯涌出的原因主要可以归纳为以下几个方面：1. 煤层中瓦斯的存在：煤层是采空区瓦斯涌出的主要来源。

在煤层形成的过程中，有机质经过长时间的分解，生成了煤炭。

而在这个过程中，煤炭中的有机质产生了大量的甲烷，也就是瓦斯。

2. 采矿活动的刺激：采矿活动是引起采空区瓦斯涌出的直接原因。

在采矿过程中，我们需要通过对煤炭的开采来获取煤炭资源。

而在开采的过程中，煤炭中的瓦斯会被释放出来，从而产生了采空区瓦斯涌出现象。

3. 地质构造的影响：地质构造是引起采空区瓦斯涌出的另一个重要因素。

地质构造包括断层、褶皱、岩层倾角等。

当地质构造具有一定的倾角时，会影响采空区瓦斯的涌出。

一方面，地质构造对地下瓦斯的运移速度有一定的影响；地质构造也会使得瓦斯涌出的位置不稳定，从而增加了事故的发生几率。

4. 静压力的变化：静压力变化也是引起采空区瓦斯涌出的重要原因之一。

当地下矿井发生瓦斯涌出时，会导致地下瓦斯压力的增加。

而由于采空区周边地质构造的变化，地下地质体积可能发生巨大变化，从而使地下矿井静压力发生变化。

静压力的变化进而导致采空区瓦斯涌出。

1. 瓦斯涌出量大：采空区瓦斯涌出量较大，容易引起矿井火灾、爆炸等事故。

瓦斯涌出量越大，就越容易引发矿井事故，对矿井生产造成较大的威胁。

2. 瓦斯浓度高：采空区瓦斯涌出的瓦斯浓度一般较高，往往达到爆炸限度或毒害限度。

瓦斯浓度高意味着瓦斯的危险性增加，容易引发爆炸和中毒事故。

3. 瓦斯成分复杂：采空区瓦斯涌出的瓦斯成分复杂，不仅含有甲烷、乙烷等可燃气体，还含有一定比例的二氧化碳、氮气等非可燃气体。

采空区瓦斯流动规律及抽放方法研究

采空区瓦斯流动规律及抽放方法研究摘要：为了有效的降低回采工作面采空区的瓦斯涌出及上隅角瓦斯浓度，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了较为深入的理论分析，并根据上述理论提出了“分源抽放”的综合治理方法。

经过在**煤矿12081工作面试验应用，取得了良好的效果，上隅角瓦斯浓度由原来的0.6%左右下降到0.4%，瓦斯浓度降低了33.3%，高位钻场单孔瓦斯抽放浓度平均为34%，瓦斯流量为0.062m3/min，在一定程度上降低了采空区的瓦斯涌出量，保证了工作面的安全生产。

关键词：采空区；瓦斯；顶板；抽放在开采高瓦斯煤层，特别是开采厚煤层时，从邻近层、煤柱及采掘空间丢失的煤中向开采层采空区涌出大量瓦斯，尤其是近年来，随着工作面的不断推进，采空区面积的日益增大，采空区瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出总量的比例日益增大，一些矿井高达40%～60%[1]。

不仅如此，采空区瓦斯涌出量的不断增大使回采工作面上隅角瓦斯浓度急剧增加，很容易造成瓦斯超限，给矿井安全和瓦斯治理带来了极大的困难。

为了有效的降低采空区瓦斯涌出量及工作面上隅角瓦斯浓度，我们对采空区的顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了较为深入的分析，并提出了有效的抽放方法。

1 采空区瓦斯流动规律分析1.1 采空区顶板裂隙分布规律国内外大量研究表明，煤层、围岩均属于孔隙－裂隙结构体，不同的煤层、岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及发育程度差别很大。

其孔隙、裂隙的闭合程度对地应力的作用敏感，地应力增高时，其闭合程度增大，透气性降低；在地应力降低时，裂隙伸张，透气性增加。

一般情况下，煤层开采后采空区的顶板形成两类裂隙：一类是离层裂隙，是随岩层下沉在层与层之间出现的岩层裂隙；另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙。

根据煤层顶板上覆岩层的运动特征，当上覆岩层下沉稳定后，可将上覆岩层采动裂隙划分为“竖三区”和“横三区”，即在采空区沿垂直方向由下往上分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，在相应的区域内形成了不同程度的竖向破坏裂隙；而沿工作面推进方向及在工作面的上下顺槽又分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，并在相应的区域内形成离层裂隙。

采空区瓦斯流动分布规律研究报告

基于采空区的瓦斯流动分布规律研究摘要：近年来,随着我国煤矿开采深度的增加、煤与瓦斯突出事故的增多,让我们更加重视对采空区瓦斯运移规律的研究。

回风隅角瓦斯超限现象在我国众多高瓦斯矿井中普遍存在,是影响矿井持续、稳定和安全生产的重要原因和事故隐患。

为了探讨上隅角瓦斯聚积的根本原因,根据渗流理论，对采空区顶板裂隙变化及瓦斯流动规律进行了理论分析和数值模拟,通过建立采空区瓦斯渗流和分布的数学模型,定出边界条件,对采空区瓦斯流动分布规律进行研究,为分析上隅角瓦斯浓度分布和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据,对上隅角瓦斯的防治和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。

关键词：采空区、瓦斯运移规律、上隅角、渗流理论、数值模拟0 引言煤炭行业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业，经过几十年的发展，已经有了雄厚的基础。

据专家预测，在我国未来一次能源消费中，煤炭仍将占主导地位，即使到2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于35%，届时，煤炭消费量仍将达到20多亿吨。

因此，煤炭在国民经济和社会发展中仍将占重要地位，煤炭工业仍将是21世纪我国能源工业的主力军。

在这个大的背景下，煤炭产量的不断提高已经成为不可逆转的大趋势，近年来综合机械化采煤设备得到了大力推广，高产高效矿井逐年增多，煤炭行业的整体形势有了很大的改观。

为保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械化水平，是我国煤矿发展的必由之路。

随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经过技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。

由于综合机械化采煤开采强度比较大、生产集中、推进速度快，造成采空区涌出空间比较大，而上隅角瓦斯主要来源于采空区,并由经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面。

在回采工作面与回风巷交界处形成高浓度瓦斯积聚的区域,即上隅角瓦斯积聚区。

所以通过对采空区瓦斯运移规律的研究，使得采空区瓦斯得到有效的治理，从而解决上隅角瓦斯超限等问题，以充分发挥综合机械化采煤的优势，实现真正意义上的高产高效。

采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究

采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究作者：刘义磊黄素果来源：《科技资讯》2012年第29期摘要：针对采空区瓦斯运移包括渗流和非均质气体的扩散两个方面的问题，利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立起采空区风流流动数学模型，以及采空区瓦斯运移的数学模型，并采用计算机数值求解，将数值模拟结果与现场实测数据结果进行对比分析，提出了采空区瓦斯浓度分布特征及瓦斯运移规律。

关键词：综放工作面采空区瓦斯气象参数中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0048-02采空区瓦斯浓度分布不但受流场速度分布影响，同时流场的速度分布又反过来影响浓度分布，这个两个问题的方程需要耦合求解。

本文利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立风流流动及瓦斯运移的数学模型，采用计算机数值求解，分析研究采场气体流动和瓦斯分布规律。

1 采空区风流流动数学模型在矿井通风系统中，风流的流动可分为管道流动和采空区冒落区域内的流动。

在采场内的管道流动时风压稳定，各处的压力差值相对很小，不考虑温度的变化影响，此时风流流动可以看作不可压缩流体的稳定流动，符合连续方程。

而采空区的冒落区域被破碎的岩石填满，岩石之间形成多处缝隙，风流在这些缝隙中流动的速度很低，可看作是渗流，在忽略结构变形的影响时，符合达西定律：。

式中：V为渗流速度；为渗流场压力；k为渗流系数。

因此可以得到风流在采空区范围内稳定流动的微分方程：由于在实际的流场分布中风速测量起来比较简单方便，因此选择第二类边界条件作为求解条件，此时该方程存在定解的充要条件是：式中：为工作面或沿空巷与采空区交界面上采空区侧任意两点的压头差，m；为工作面或沿空巷内和相对应的静压差，Pa；为工作面或沿空巷内和相对应的标高差，m。

式（1）、（2）联立即可对采空区风流流动的数学问题进行求解。

2 采空区瓦斯运移数学模型采空区的气体状态可以视为一个由瓦斯和空气这两种元素构成的系统，将瓦斯用字母来表示，将空气用字母来表示。

综放采空区瓦斯流动规律数值模拟研究

第３１第１期卷１２１年１月０１１
山西煤炭ＳＮＸＩＨＡＣＯＡＬ
Ｖ１３ＮＯ．１ｏ．１１Ｎｏ．２ｖ０１１
文章编号：６２５５（０１１－０７０１７ — ００２１）１０５ — ３
综放采空区瓦斯流动规律数值模拟研究
ｌ
ａｔ
（
ｄｘ
＋）一ｍｄ：（（＿ａ－＋（
ａｙａｚａｘ
ａ）））Ｐｗ（ｗ軎（ｗ＋ａ＋ａ一＋ａ
式中：Ｐ是静压力；Ｆ是质量力，包含附加的动量损
采空区瓦斯流动非常复杂，受多种因素的影它响，漏风、如温度、力、浮瓦斯密度以及采空区孔隙率等。因此，究瓦斯在采空区的流动，需要做一研先
范红伟
（山西煤炭职业技术学院，山西
摘
太原
００３）３０１
要：用Ｆｕｎ模拟软件，采ｌｅｔ选择标准双方程模型，ｕ型和Ｕ＋对Ｌ型通风方式下综放采空区瓦斯流动进行数值
模拟，究其分布规律。模拟结果表明：研在走向方向上，自然堆积区到压实稳定区，从在倾斜方向上，从进风侧到回风侧，在垂直方向上，从底板到断裂带最上部，瓦斯浓度逐渐增大；隅角瓦斯浓度由ｕ型的１％下降到了Ｕ＋上３Ｌ型的０６．％左右，大大降低了上隅角瓦斯浓度，有效的解决了瓦斯超限的问题。
Ａｂｔａｔｈａｌｗｏｎｄ —ｕｒａｎｅｈｎＬｖｎｉｔｎｗｓｓｍｕａｅｔｓｒｃ：Ｔｅｇｓｆｆｍｉｅ — ｔａｅｓｕｄｒｔｅＵａｄＵ＋ｅｔａｉａｉｌｔｄｗｉｏｏｌｏｈｓｎａｄｔｏ —ｑａｉｎｍｏｅｔｌｅｔｓｆａｅａｄｉｉｔｂｔｎｗａｔｄｅ．ｈｉｌｔｎｒｓｌｔｄｒｗ — ｕｔｄｌｗｉＦｕｎｏｔｒｎｔｄｓｉｕｉｓｓｉｄＴｅｓｍｕａｉｅｕｔａｅｏｈｗｓｒｏｕｏｓ

综放面采空区瓦斯抽放条件下氧浓度场的CFD模拟

综放面采空区瓦斯抽放条件下氧浓度场的CFD模拟纪玉龙;时国庆;常绪华;高兴生【摘要】为研究采空区瓦斯抽放条件下自然发火的规律,建立了瓦斯抽放条件下综放面采空区自然发火的CFD模型,采用计算流体动力学技术模拟了该条件下高瓦斯综放工作面采空区氧气浓度的分布,并采用现场实测数据对模型进行了校准和验证,利用模拟结果分析了采空区瓦斯抽放条件下,浮煤自然发火的规律,分析了采空区瓦斯抽放和防灭火之间的关系,提出了瓦斯抽放条件下的防灭火工作技术思路与关键技术.【期刊名称】《中国煤炭》【年(卷),期】2012(038)004【总页数】5页(P86-89,99)【关键词】瓦斯抽放;采空区;氧浓度场;CFD模拟【作者】纪玉龙;时国庆;常绪华;高兴生【作者单位】国网新疆准东煤电有限公司,新疆维吾尔自治区昌吉市,831800;中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116;国网新疆准东煤电有限公司,新疆维吾尔自治区昌吉市,831800【正文语种】中文【中图分类】TD752.2煤炭自燃是影响煤炭工业健康发展的重要原因之一，上世纪90年代以来，我国广泛采用综采放顶煤开采技术，在生产效率大幅提高的同时，也造成采空区遗留残煤多、冒落高度大、漏风严重的状况，使得煤自燃火灾发生频繁。

为防止瓦斯超限事故并提高瓦斯的抽采率，高瓦斯矿井普遍采用高负压瓦斯抽放技术对采空区进行治理。

在抽放过程中，抽放区域风流紊乱、漏风量增大，采空区氧气分布规律和浮煤自然发火特性与常规工作面都不同，由瓦斯抽放引起的煤自燃问题更加突出。

氧气分布是煤自燃的主要影响因素，为研究瓦斯抽放条件下的自然发火规律，本文建立了采空区瓦斯抽放条件下风流场、气体浓度场的数学模型，采用计算流体力学（CFD）模拟技术得出采空区内部氧气浓度场的分布特征，并通过现场观测验证模拟技术的可靠性，基于模拟结果提出了适合于高瓦斯煤层综放面采空区抽放条件下自燃危险区域的判定技术。

采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采措施

采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采措施刘庆海(双矿集团新安煤矿,黑龙江双鸭山 155100)摘要该文主要阐述了生产采空区瓦斯分布规律与抽采,封闭采空区瓦斯分布规律与抽采,采空区瓦斯抽采措施等问题。

由于生产采空区和封闭采空区的瓦斯涌出成因不同,使得形成的瓦斯分布规律也不同,必须根据各采空区的实际情况,选择合理的抽采方法进行瓦斯抽采。

关键词采空区瓦斯分布规律顶板走向埋管中图分类号TD712 文献标识码 A我国多数矿井采空区瓦斯涌出量占全矿井瓦斯涌出量的20~45%,少数矿井为50%左右,因此,应在分析生产采空区和封闭采空区瓦斯分布规律的基础上,应用较成熟的采空区瓦斯抽采方法和措施。

1 生产采空区瓦斯分布规律与抽采在煤矿开采过程中,煤层和围岩将发生移动变形而卸压,煤层透气性增大,围岩裂隙也随之增加与扩张,邻近煤层和围岩中的瓦斯即通过这些裂隙流动而进入开采工作面空间和采空区。

开采层的采动使周围岩层在倾斜方向上发生移动、破坏和缓慢下沉,引起地层应力重新分布。

这种移动和破坏随着与开采层距离的增加而减弱,自下而上依次出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

处于冒落带中的煤层、煤线和岩层由于失去支撑而垮落,其中的瓦斯极易直接进人采空区;裂隙带中的煤、岩层由于下部岩层垮落而断裂、离层,形成自下而上逐渐减弱的垂直与水平裂隙,甚至离层空洞。

处于裂隙带的煤、岩层中的瓦斯通过贯通裂隙,在瓦斯压力作用下进入采空区,瓦斯涌出强度随贯通裂隙自下而上逐渐减弱而衰减,积聚在采空区顶板裂隙带的瓦斯量非常大;弯曲、下沉带中的煤、岩层基本上是非破坏性的,仅呈现弹塑性变形和整体弯曲下沉,弯曲下沉的上限甚至达到地表,在弯曲下沉带中的煤岩层中的瓦斯不会或很少向下移动进入采空区。

工作面回风流中的瓦斯大部分来自采空区。

据某工作面测定,在工作面正常开采时,采空区瓦斯涌出量占工作面总涌出量的56.4%;工作面检修时,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯总涌出量的65.2%。

采空区瓦斯运移规律实验及数值模拟

第４０卷　第１期２０２０年１月西安科技大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４０　Ｎｏ１Ｊａｎ２０２０罗振敏，郝　苗，苏　彬，等．采空区瓦斯运移规律实验及数值模拟［Ｊ］．西安科技大学学报，２０２０，４０（１）：３１－３９．ＬＵＯＺｈｅｎｍｉｎ，ＨＡＯＭｉａｏ，ＳＵＢｉｎ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｇａｓｍｉｇｒａｔｉｏｎｉｎｇｏａｆ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，４０（１）：３１－３９．收稿日期：２０１９－０７－０４责任编辑：杨泉林基金项目：国家自然科学基金（５１６７４１９３）；陕西省自然科学基础研究计划（２０１８ＪＭ５１５２）；中国博士后科学基金（２０１９Ｍ６６３７８０）通信作者：罗振敏（１９７６－），女，山东兖州人，教授，博士生导师，Ｅｍａｉｌ：ｚｍｌｕｏ＠ｘｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｏｍ采空区瓦斯运移规律实验及数值模拟罗振敏１，２，３，４，郝　苗１，２，３，４，苏　彬１，２，３，４，倪　行１，２，３，４（１．西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安７１００５４；２．西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安７１００５４；３．西安科技大学西部煤矿安全教育部工程研究中心，陕西西安７１００５４；４．陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西西安７１００５４）摘　要：为研究采空区瓦斯运移规律，以贵州某矿Ｐ４１１０４工作面为研究对象，搭建了三维采空区气体运移综合实验台，应用Ｆｌｕｅｎｔ数值模拟软件，从通风风速、遗煤氧化升温和高温封闭这３个方面对Ｕ型通风方式下的采空区瓦斯分布情况进行研究。

结果表明：当采空区通风风速从１．２５ｍ／ｓ增大到１．５０ｍ／ｓ时，进风巷的瓦斯浓度下降４％左右，回风巷的瓦斯浓度上升２％左右，增大通风风速在一定程度上可以降低采空区瓦斯浓度，但对采空区深部空隙率较小的地方基本上没有起到作用；当采空区局部遗煤氧化升温后，随着温度的升高，瓦斯浓度梯度也在上升，在采空区内走向上和倾向上瓦斯浓度分布没有太明显的变化；当对采空区封闭时间延长时，采空区倾向上瓦斯分布梯度逐渐消失，瓦斯受到浓度差的作用，在垂直方向上升较快，当封闭时间长达３ｈ后，在各个方向上的浓度梯度逐渐消失，整个采空区瓦斯浓度最终趋于平衡状态；相似实验和数值模拟的结果基本上吻合。

采场瓦斯运移规律仿真模拟研究

第２７卷第１期２１０２年３月
矿业工程研究
ＭｉｅａｎｉｅｒｇＲｅｅｃｎｒｌＥｇｎｅｉｓａｒｈｎ
Ｖ０．７Ｎｏ１１２．Ｍａ＂０１Ｔ．２２
采场瓦斯运移规律仿真模拟研究
王刚，昊邵 ’
会达到临界值甚至超限．针对上述矛盾，于其现有的基通风设施，用Ｆｕｎ仿真模拟手段来研究采场风速、利ｌｅｔ
超限主要采用的方法有合理配置工作面风量、抽放瓦
斯、尾巷排放等一．
山西某煤矿回采工作面使用 “ ｕ＋Ｌ型通风方式， ” 工作面隅角风流微弱，瓦斯容易积聚，同时由于部分风流经离工作面切顶线较近的采空区进入回风巷，大增了回风流中的瓦斯浓度，工作面瓦斯涌出量大的情在况下，如果工作面配风量和瓦斯尾巷步距不合理，易容造成“ Ｕ＋Ｌ型通风方式下上隅角和回风巷瓦斯浓度 ” 超限．历史数据表明：隅角与尾巷口的瓦斯波动超限上均出现在尾巷联络巷接替时的周期来压前后，作面工
场的高浓度瓦斯积聚带．
到采空区深部瓦斯浓度逐渐升高．Ｘ在Ｙ平面内，场采瓦斯总体上呈现由进风端向回风端、由采空区深部向
工作面运移的趋势．在采场高度方向上，由于瓦斯密度小于空气密度，故沿采场高度方向瓦斯浓度逐渐升高．在采空区回风侧顶部瓦斯浓度达到最高，成为整个采

采空区瓦斯移动规律及抽放应用分析

条件，便可得出瓦斯运移的规律。
因素：地质赋存因素，包括邻近煤层瓦斯的压力、层间岩石的力学性能、邻近煤层的瓦斯渗透性能、分层间的岩性、邻近煤层瓦斯的含量及邻近煤层的厚度等；开采因素，包括煤层开采的强度、工作面的回采工艺及综采工作面煤的回收率等；通风阻力因素，包括采空区内冒落层的压实程度、采空区内风流的散
采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出的主要来源
式中，（ｐ）为瞬态项；ｄｉｖ（ｐｕ）为对流项；
ｄｉｖ（Ｆｇｒａｄ６ｂ）为扩散项；为源项。在既定的方程中，、Ｓ和，有着特定的表达形
布规律、工作面的配风量和风压及工作面与采空区的联通程度等。此外，当地面大气压发生变化时会
２采空区瓦斯运移规律数学模型建立
２．１工作面概况
薛湖煤矿２３０１综采工作面煤层厚０．８～３．３ｍ，平均为２．７３ｍ，煤层结构简单，煤层倾角为０。－４。，平均为２。，走向长１７８ｍ，倾斜长１１３２ｍ，面积为２００５９０．４ｍ，工作面范围内煤层赋存稳定，属简单结构中厚稳定煤层。局部有底板隆起，造成煤层变薄，对回采有一定影响。煤质为贫煤，煤岩类型以亮煤为主，硬度较大，为 Ⅱ类，构造煤不发育。采用走向长壁后退式采煤法，主采二层煤，采用ｕ型通风

论采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究

论采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法的研究作者：盛燕宇来源：《科技创新导报》2012年第10期摘要:随着煤矿生产规模的不断扩大与开采能力的提升,采空区瓦斯涌出问题日渐严重,目前一些矿井采空区瓦斯涌出量已经达到全矿井瓦斯涌出总量的50%、甚至70%,极大地增加了矿井的通风负担与潜在危险隐患。

本文在分析生产采空区与封闭采空区瓦斯涌出的不同成因及其分布规律的基础上,提出了采取技术成熟、高效可靠、有针对性的抽放措施,保障井下作业能顺畅、安全进行的具体方法。

关键词:采空区瓦斯分布抽采方法中图分类号:TD7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0005-011 采空区瓦斯涌出概述采空区的瓦斯涌出主要来自现采区与已采区这两个部分,目前我国多数矿井的采空区瓦斯涌出量都在全矿井瓦斯涌出总量的20%～45%左右,然而随着煤矿生产规模的不断扩大与开采能力的提升,采空区瓦斯涌出问题日渐严重,一些矿井采空区瓦斯涌出量已经超过全矿井的50%,个别矿井甚至达到了70%,极大地增加了矿井作业的通风负担与潜在危险隐患。

因此,管理人员必须在深入理解采空区瓦斯涌出成因的基础上,全面掌握其分布规律,并采取技术成熟、高效可靠、有针对性的抽放措施,以保障井下作业能够顺畅、安全地进行。

2 采空区瓦斯分布的规律分析采空区瓦斯的分布规律主要与煤层开采情况及赋存条件有关,下面将分别对生产采空区与封闭采空区的瓦斯分布规律做一简单分析。

2.1 生产采空区瓦斯分布规律分析由于煤层和围岩在开采过程中会发生移动变形,使煤层在卸压后透气性增加,同时也使围岩的裂隙呈扩张的趋势,此时瓦斯便可能通过围岩裂隙渗入开采工作面与采空区。

岩层随生产采动作用沿倾斜方向发生移动,并逐渐引起缓慢下沉及破坏,促使底层应力的分布发生改变,并最终导致弯曲下沉带、裂隙带及冒落带自上而下依次出现。

通常弯曲下沉带的煤层与岩层都是非破坏性的,而仅仅呈现出整体的弯曲下沉和弹塑性形变,其瓦斯涌出至采空区的量也非常低。

示踪气体的CFD模拟分析采空区瓦斯流动规律

的谢桥隐伏向斜北翼西段，为一简单单斜构造，地层走向
２２示踪气体的选择．
为ＣＤ模拟选择合适的示踪气体需要符合以下标准：Ｆ
近东西，倾向南，倾角８。～１。５，平均１。２，东西走向长约
砂质泥岩。该长壁工作面在开切眼处的标高为一２ｍ，而４０
收稿日期：２１０ — １００— ８２
２３初始模拟条件和参数．
基金项目：国家重点基础研究发展计划９３项目（０５Ｂ２５３７２０Ｃ２１０）
究，文章介绍了利用ＣＤ采空区气体流场模拟软件模拟分析瓦斯在采空区中的流动规律，通过Ｆ示踪气体的ＣＤ模拟分析，掌握了１１８工作面采空区瓦斯流动规律，为工作面建立合理的通Ｆ３１
风方式以及进行采空区瓦斯抽采提供了依据。
煤
炭
工
程
２１０第１期１年
示踪气体的ＣＤ模拟分析采空区Ｆ瓦斯流动规律
郑竹林
（煤炭科学研究总院重庆研究院，重庆４０３）００７
摘
要：为了加强采空区瓦斯的治理，需要对工作面后方采空区瓦斯流动和分布规律进行研
作者简介：郑竹林（９３一）１６，男，四川广安人，高级工程师，现在煤炭科学研究总院重庆研究院从事煤矿安全装备研究工作。

综采工作面采空区瓦斯运移规律分析

布置11个监测点,各测点位置分布如图2所示。
图2各测点位置分布情况 Fio, 2 Location distkauhon of eech meysoring point
在采空区中部布置5号一11号测点，采空区两
不同推进距离时采空区瓦斯浓度分布、等值线如图3所示。由图3可知:①沿采空区走向方向，随着深入采空区,瓦斯浓度逐渐变大，且瓦斯主要集聚在采空区中部靠回风侧位置。②沿采空区倾向方向，在回风侧向进风侧方向，采空区瓦斯浓度有减小的趋势，并且回风侧的瓦斯浓度梯度大于进风侧的瓦斯浓度梯度，造成瓦斯在回风侧集聚。③随着采煤工作面不断推进，各监测点的采空区瓦斯浓度有升高的趋势，距离工作面越远，采空区瓦斯浓度越大，采空区漏风量越小，集聚在采空区深部。在回风侧,在距离工作面35 m范围处，采空区瓦斯浓度低于5% ;在进风侧,在距离工作面99 m范围处，采空区瓦斯浓度低于5%。
第43卷第6期 2221 年 6 月
能源与环保
China Exergy and Exvironmextal Protection
Vol. 43 No. 4 Jnx. 2221
综采工作面采空区瓦斯运移规律分析
黄瑞玲，税坤
(四川省煤炭设计研究院昆明分院，云南昆明75404-)
摘要：为了解决综采工作面采空区瓦斯隐患和上隅角瓦斯积聚等问题，研究了综采工作面采空区瓦斯
煤炭对我国的经济快速发展起着重要的推动作用，在国民经济中具有重要的战略地位。我国煤矿地质条件较为复杂,随着煤矿资源逐渐向深部开采, 矿井面临的安全问题越来越多，其中瓦斯灾害最为严重,煤矿对于瓦斯灾害也高度重视,采空区瓦斯赋存规律和采空区遗煤与漏风密不可分。其采空区遗煤自燃造成瓦斯爆炸很容易被忽视，并且很难治理。国内对自燃煤矿自然发火防治和采空区瓦斯治理措

采空区瓦斯涌出的分析与防治

采空区瓦斯涌出的分析与防治采空区是指在矿井开采之后形成的矿山空间。

在采煤时，煤层中的瓦斯会被抽采出来。

在采空区中，瓦斯仍然会持续产生和积聚，给矿山和附近人员的安全带来威胁。

采空区瓦斯涌出的分析与防治是非常重要的。

采空区瓦斯涌出的分析是通过瓦斯涌出量、瓦斯组成和瓦斯压力等参数的测量与分析，了解瓦斯涌出的规律和特征。

可以采用现场瓦斯抽采和分析方法，或者使用监测设备和传感器进行实时监测。

通过对涌出的瓦斯进行分析，可以了解到瓦斯的来源、分布和变化规律，为瓦斯涌出的防治提供依据。

采空区瓦斯涌出的防治是通过采取一系列措施，减少瓦斯的涌出和积聚，降低瓦斯爆炸事故的风险。

主要包括以下几个方面：1. 瓦斯抽采：通过在采空区设置抽采井，利用排瓦斯机械将瓦斯抽采到地面。

这样可以降低瓦斯在采空区内的积聚，减少瓦斯爆炸的危险性。

2. 瓦斯封闭：对于已经形成的采空区，可以采用瓦斯封闭的方法，将瓦斯与外界隔离开来，防止瓦斯涌出和积聚。

常见的封闭方式包括利用隔离层阻挡瓦斯的向外扩散，或者在采空区周围设置防渗帷幕等。

3. 通风系统改造：对于已经形成的采空区，可以通过改造通风系统，增加通风量，加强空气对采空区的冲击，促使瓦斯向外排散。

采用合适的风流方向和风量控制，保证瓦斯不会扩散到井下工作面和回风巷道。

4. 瓦斯监测与报警：在采空区周围设置瓦斯监测系统，监测瓦斯浓度和压力的变化。

一旦发现异常情况，及时发出报警，采取相应措施，避免瓦斯爆炸事故的发生。

5. 安全管理措施：加强对采空区瓦斯涌出的监管和管理，制定相应的安全管理规定和操作程序，加强对人员的培训和教育，提高其安全意识和应急处理能力。

采空区瓦斯涌出的分析与防治是矿山安全工作中的重要环节。

通过对瓦斯涌出的分析，可以了解瓦斯的产生和分布规律；通过采取一系列防治措施，可以减少瓦斯涌出和积聚，降低瓦斯爆炸事故的发生风险。

这对于矿山的安全生产和人员的健康安全有着重要的意义。

基于fluent的采空区瓦斯分布规律研究

摘要近年来随着矿井开采的不断延深，瓦斯梯度也不断增大，进而造成工作面瓦斯涌出量很大，而采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有很大的比例，因此只有了解采空区瓦斯的赋存、运移、涌出规律，才能合理地调整采场通风系统，采取行之有效的瓦斯治理措施防止瓦斯集聚。

因此本文以采空区瓦斯、空气混合气体中的瓦斯（CH4）为主要研究对象，通过理论分析的方法较系统分析了综采工作面及其采空区瓦斯运移的基本特征，以及影响采空区瓦斯影响涌出的主要因素，并以此为理论基础建立了采空区瓦斯运移的数值模型。

紧接着以顾桥矿1123(1)工作面为原形在FLUENT软件中搭建模型，通过数值模拟对比分析了仅有漏风和布置有高抽巷情况下的采空区内的瓦斯分布规律，得出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。

最后，根据数值模拟结果结合现场测量数据对1123（1）工作面的瓦斯抽放效果进行分析评价。

通过本文的分析验证数值模拟与现场实测结果基本吻合，由此可推知采用FLUENT进行数值模拟对采空区瓦斯抽采措施的制定具有一定的指导意义。

关键词：采空区；瓦斯渗流；FLUENT软件；数值模拟；瓦斯抽采。

AbstractRecent years,with the increase of the depth of coal seams mined, methane gradient increased in a huge speed, causing a large amount of working face gas emission .And a large proportion of working face gas comes from gas emission of gob. So only if we get a good knowledge of the laws of gas storage, gas movement, gas emission, then we can adjust the ventilation system reasonably and take effective methane control measures to prevent the gas gathering.This dissertation analysis the basic features of fully Mechanized mining face, goaf gas migration rules and the main factors which has the effects on goaf gas emission through theoretical analysis, taking the CH4 constituents in goaf gas-air mixed gas as the research object. And the , on the basis of analysis ,the third chapter 2 established the equations of the gas seepage in gob. The fluid mechanics calculation software FLUENT is used to establish the model of 1123(1) working face of the Guqiao colliery and simulate two different 3D models of gas distribution in gob of fully mechanized mining face between the model with air leakage only and the model with air leakage and high-located gas drainage roadway. The conclusion is high-located gas drainage roadway makes the high-concentration gas in the gob deliver to the drainage port, the distance of the air leakage go deep in the gob is increased too, so the result is the gas emission from the gob to the workface reduced. Finally the chapter 4 makes an evaluation about the effects of the methane control according to the simulated results and the field metrical data.The simulated results are identical with the field metrical data, which is proved by this dissertation. So using FLUENT software to simulate the gas seepage in gob has the fixed guidance meaning to methane control measures.Key words: goaf, methane seepage flow, FLUENT software, numerical simulation, methane extraction.目录第一章绪论 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (3)1.2.1 采空区混合气体流动场研究现状 (3)1.2.2 瓦斯渗流理论的研究历程 (3)1.3 研究思路 (5)1.3.1 研究内容 (5)1.3.2 研究方法 (6)1.3.3 技术路线 (6)第二章综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型 (8)2.1 综采工作面基本特征 (8)2.2 综采面采空区瓦斯来源及涌出影响因素 (9)2.2.1 综采面采空区瓦斯来源 (9)2.2.2 瓦斯涌出量计算 (10)2.2.3 影响采空区瓦斯涌出的基本因素 (12)2.3 采空区瓦斯运移特征 (14)2.3.1 多孔介质的特性 (14)2.3.2 采空区瓦斯的升浮 (16)2.3.3 采空区瓦斯的扩散 (17)2.3.4 采空区瓦斯的聚集 (17)2.4综放面采空区瓦斯运移基本方程 (18)2.4.1 采空区渗流基本方程 (18)2.4.2 扩散运动方程 (21)2.5 控制微分方程的建立 (22)2.5.1 基本假设 (22)2.5.2采空区气体流动方程 (22)2.5.3 采空区瓦斯的动力弥散方程 (23)第三章 FLUENT 软件介绍以及综采面采空区瓦斯运移规律数值模拟 (25)3.1 FLUENT软件介绍 (25)3.1.1 FLUENT软件组成 (25)3.1.2 FLUENT求解 (26)3.2 物理模型的构建与边界条件设定 (27)3.2.1 物理模型的规定和假设 (27)3.2.2 计算模型的建立与网格生成 (27)3.2.3采空区瓦斯运移数值模拟参数及边界条件的设定 (28)3.3 数值模拟结果的分析 (31)3.3.1 只考虑漏风时采空区瓦斯浓度的分布模拟与结果分析 (31)3.3.2设置底抽巷时的瓦斯浓度的分布模拟与结果分析 (37)第四章工程实践 (44)4.1 工作面概况 (44)4.2 1123（1）工作面瓦斯涌出量预测 (44)4.3 1123（1）工作面瓦斯综合治理技术 (45)4.3.1 风排瓦斯 (45)4.3.2 1123（3）底抽巷抽采 (46)4.3.3 采空区埋管抽采 (47)4.3.4 轨运顺顺层钻孔抽采 (48)4.3.5 初期抽采方式 (48)4.4 1123（1）工作面瓦斯治理效果分析 (48)4.4.1 1123（1）工作面风量与风排瓦斯的关系 (48)4.4.2 瓦斯抽采量与抽采率随时间的变化关系 (50)4.4.3 抽采瓦斯量与抽采浓度随工作面推进速度的关系 (55)4.4.4 1123（1）工作面在回采期间生产以及瓦斯综合治理效果 (55)第五章结论与展望 (58)5.1 论文主要结论 (58)5.2 论文后续工作的展望 (59)第一章绪论1.1 研究意义我国是世界上的产煤大国，同时是煤矿事故发生大国。