综放采空区瓦斯流动规律数值模拟研究
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第31 第1 期 卷 1 2 1 年1 月 0 1 1
山西煤炭 S NXI HA COA L
V 13 NO. 1 o. 1 1 No .2 v 01 1
文章编号 :6 2 5 5 (0 1 1- 0 7 0 17 — 0 0 2 1 ) 10 5 — 3
综 放 采 空 区 瓦 斯 流 动 规 律 数 值 模 拟 研 究
l
a t
(
d x
+ ) 一m d: ( ( _ a - +(
a y a z a x
a) ) )P w (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
00 3 ) 3 0 1
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 3 L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。
Ab t a t h a l w o n d —u r a n e h n L v n i t n w s smu a e t sr c :T e g s f f mi e — t a e s u d r t e U a d U+ e t ai a i l td wi o o l o h s n a d t o —q ai n mo e t l e ts f a e a d i it b t n wa t d e . h i lt n r s l t d r w — u t d lwi F u n ot r n t d s i u i s s id T e smu ai e u t a e o h w s r o u o s
( )瓦斯 排 放 口对 高 浓 度 瓦斯 的排 放 作 用 明 2 显, 大大 降 低 了上 隅 角 瓦斯 浓度 。 ( ) 过 布 置 瓦排 巷 , 3通 断裂 带 上 部 的 瓦斯 浓 度
下降很小 , 因此 , 需要布置高抽巷才能有效 的解决。
4 结 论
( ) u型 通 风 方 式 下 的采 空 区 进 行 了 数 值 1对
[ 李 宗翔 . 2 ] 回采工作 面采 空区风 流移动规律 的数值模拟与可视化显示[. J煤炭学报 ,0 12( : — 0 1 20 ,617 8. )6
【] 赵栋 , 3 张学博 , 邓权威 . 王庄煤矿 6 0 2 6综放面采空 区瓦斯流场及浓度分布规律研究II ,0 9 1() — . J. 2 0 ,87: 2 煤 1
( ) 体 的 物 理 特 性 参 数 视作 常 数 , 各 气 体 3气 且
之 间不 发 生化 学 反应 。 12 采 空 区瓦 斯 流动 基 本 方程 .
S D ,∑c J + c , i = ∑D p
j= 1 j= 1
() 3
式 中 : i 向 (- 或 z 量 损 失 源项 ; 和 c 5为 方 X, Y )动 D 是规 定 的矩 阵 。对 单 一 的各 向同性 多孔 介 质 有 :
[ 李 永存 , 晖, 4 ] 林爱 王海桥 等. 流脉动下采空 区流场数值模拟与实验研究[ _ 风 J 中国工程科学 ,0 8 1( : 1 4 】 2 0 ,0 ) — 5 44
Nu e ia i u a i n o sF o La i i e - u m rc lS m l t n Ga l w w n M n d o t o
模拟 , 结果显示 : 在走 向方向上 , 自 从 然堆积区到压
实稳 定 区 , 在倾 斜 方 向上 , 进 风侧 到 回风 侧 , 垂 从 在
L
图 5 U L型 采 空 区 瓦 斯 + 图 6 U L型 采 空 区 瓦 斯 +
直 方 向上 , 底 板 到 断裂 带 最 上 部 , 斯 浓 度 逐 渐 从 瓦 增 大 。 2 在 u型通 风 方式 下 , () 当工作 面 风 量 1 4 0 4
关键 词 : 空 区 ; 采 瓦斯 流 动 规 律 ; 值 模 拟 数
中图分类 号: D 1+ 1 T 72. 5
文献标识码 : A
近 十几 年来 , 综放 采 煤方 法 在 我 国得 到 了迅 速 的发 展 。但 由于综 合 机 械化 放 顶煤 开 采 具有 高 产 、
动
且 里 方
高效 、 推进速度快等特点 , 而使 瓦斯 的绝对涌 出 从
量增 大 且 不均 衡 , 致综 放 工作 面瓦斯 超 限问题 更 导 为严 重 。因此 , 究 综放 工 作 面采 空 区瓦 斯 涌 出规 研 律 对 防治 工 作 面 瓦斯 超 限具 有 一 定 的理 论 与实 践
意义 。
程
:
旦
a t
+立
a x
+
a y
+
a z
:— ( 肚
a x
詈) ) )P + ( + a 一 + 軎( ua
a t + a
x
+
+
a z
: a
x
(
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( 2) 2)
1 计算流体 力学模 型
11 基 本假 设 .
誓) ) 一 + ( + 誓) 軎( +
7 e O 一i e 一 O 3 e O O 7 3 7 O 8 3 e! e9 5 e7 ; 9 9 { 7 O e6 2 O 0一+ O 4 9 e3 0 0 ● 0一 一0 5 5 0一 e} eO 8一 e } O O一 一0 一{ O e 一O 一 e 一 一0 一2 ● O e 一 7 一 4 e 一 2 3 e 一O 8 e e 6 2 一 e 3 0 e e
s 一 ( =
— f1 )
() 4
式中 : 为渗透率 , C 为惯性 阻力系数 。 m;:
瓦 斯在 采 空 区 的流 动 , 可看 作 是气 体 在 多孔 介 质 中 的渗 流 [, 此 , 量 守 恒 方 程 和 动 量 方 程 是 4因 1 质
瓦斯 在 采 空 区 内流动 的理论 基 础 ] 。 质 量守 恒 方程 :
() 5 在走 向方 向 上 : 瓦斯 浓 度 由 自然 堆积 区 、 载
型通风方式下 ,- E 1 Z 3m、- 8 m处平面 的气体分布
云 图 , 图 5和 图 6 见 。 由图 5 6可得 : -
荷 影 响 区到 压实 稳 定 区逐 渐 增 大 。 () 6 在倾 斜 方 向上 : 进 风 侧 至 回风 侧 瓦斯 浓 从 度逐渐增大 , 尤其 是在 靠 近 回 风巷 上 隅 角 , 斯 浓 瓦 度高达 1 3%左 右 ,需 要采 取 相 应 措施 对 采 空 区 瓦
5 7
第3 卷 第1 期 1 1 2 1 1 月 01 年 1
山 西煤 炭 S NXI OA HA C L
●●■ 糕 ■■■基
8 87 7 7 6 65 5 4 4 3 33 2 2 1
O 4
■
Vot31 . NO.1 1 Nov.2O11
7 O 9 O e 一 e 7 3 3 e 7 3 2 7 e 一9 a 8 3 e{ 一i 5 1 eO 9 9 { O e0 6 3 8 O O O 4一 e3 9 0 0一 一{ 一5 5 e0 e0 2 0 2 e { e0一 一0 O { eO e0 O l一 一 一{ 一0 2 一+ e 一 4 7 e 一 2 8 e 一0 0 6 一 e 一7 3 0 一 e e e
A r a t ly e swih Fu l -m e ha z d M i ng c nie ni
FAN o -we H ng i
(h n i ol oai a a dT c ncl o ee T i a h ni 3 0 S a x C a V ct n l n eh ia C l g, a u nS a x 0 0 3 ) o l y 1
( ) 竖直 方 向上 : 7在 由于瓦 斯 的上 浮 效应 , 瓦斯 浓 度从 底 板 到 断裂 带 最上 部 逐 渐增 大 , 其 是在 垮 尤 落 带 和采 动 断 裂带 的相结 合 处 附近 , 瓦斯 浓 度有 较
大 的梯 度 变 化 。
内的瓦斯 , 使采空 区回风侧的瓦斯浓度 明显下降。
s o d t tt e g sc nc n r to nc e s d g a ual r m t r la c multo r a t ta y c mp ci n h we ha h a o e ta in i r a e r d ly fo nau a c u ain a e o se d o a to
产构 成 严 重 威胁 。 ( ) U L型通 风 方 式 下 , 空 3在 + 采
区回风侧的瓦斯浓度 明显下降 , 能有效控制工作 面
上 隅角 瓦斯 。
度和宽度分别为 3 4m 。再次计算后 , m、 得到 U L +
参考文献 :
【 李宗翔. 工作面采 空区瓦斯涌 出规律 的数值模拟研究『 . 1 ] 综放 J煤炭学报 , 0 ,7 )1 3 17 ] 2 22( : —7. 0 2 7
些假设[ : 】
失源 。 中, 其 动量源由两部分组成 : 一部分是粘性损
失项 , 一 部 分惯 性 损失 项 。 另
3 3
( ) 空 区 冒落 矸石 和 遗 煤孔 隙 组成 的多孔 介 1采
质视作各向同性 , 孔隙率定为常数 。 () 2 采空区气体视作不可压缩理想气体 , 气体 的流动近似满足线性达西定律 。
r / i , 隅角 的 瓦斯 浓 度 1 n m n时 上 S 3%左 右 , 安全 生 对
浓 度分布 (= m) Z3
浓度分 布(= 8 Z l m)
与 采 空 区 回 风 巷 平 行 2 外 布 置 瓦 斯 排 放 0m 巷 ,联 络巷 从 采空 区进 深 4 处 开始 布 置 ,每 隔 1 m 4 布 置一 个 , 1 m 共有 8个 联络 巷 。瓦 斯排 放 巷 的高
收稿 日期 :O 1 0 — 5 2 l - 8 1
2 模 型建 立
21 Ga i建模 及 网格 的划 分 . mbt
Fun 是通过 有限体积 的流体 动力 学计算来 l t e
求解 N s — 方程 。根据综放采空 区破碎岩体的垮落
作者简介 : 范红伟 (9 1 )男 , 18 一 , 山西大 同人 , 士 , 硕 从事煤 矿安全技术及 工程的教学 与科研工作 。
斯 进 行 治理 。
( ) 过 布 置瓦 排巷 使得 流 入 采 空 区的漏 风 多 1通 了一个 出 口 , 由于 瓦 排 巷 的 负 压 比较 低 , 样 使 又 这
流人采 空区的风流稀 释 自然堆 积区和载荷影 响区 ■●■蛩■■■ 隧爨 叠
88 7 7 7 66 5 5 4 4 33 3 2 2 1 18 4 O
山西煤炭 S NXI HA COA L
V 13 NO. 1 o. 1 1 No .2 v 01 1
文章编号 :6 2 5 5 (0 1 1- 0 7 0 17 — 0 0 2 1 ) 10 5 — 3
综 放 采 空 区 瓦 斯 流 动 规 律 数 值 模 拟 研 究
l
a t
(
d x
+ ) 一m d: ( ( _ a - +(
a y a z a x
a) ) )P w (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
00 3 ) 3 0 1
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 3 L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。
Ab t a t h a l w o n d —u r a n e h n L v n i t n w s smu a e t sr c :T e g s f f mi e — t a e s u d r t e U a d U+ e t ai a i l td wi o o l o h s n a d t o —q ai n mo e t l e ts f a e a d i it b t n wa t d e . h i lt n r s l t d r w — u t d lwi F u n ot r n t d s i u i s s id T e smu ai e u t a e o h w s r o u o s
( )瓦斯 排 放 口对 高 浓 度 瓦斯 的排 放 作 用 明 2 显, 大大 降 低 了上 隅 角 瓦斯 浓度 。 ( ) 过 布 置 瓦排 巷 , 3通 断裂 带 上 部 的 瓦斯 浓 度
下降很小 , 因此 , 需要布置高抽巷才能有效 的解决。
4 结 论
( ) u型 通 风 方 式 下 的采 空 区 进 行 了 数 值 1对
[ 李 宗翔 . 2 ] 回采工作 面采 空区风 流移动规律 的数值模拟与可视化显示[. J煤炭学报 ,0 12( : — 0 1 20 ,617 8. )6
【] 赵栋 , 3 张学博 , 邓权威 . 王庄煤矿 6 0 2 6综放面采空 区瓦斯流场及浓度分布规律研究II ,0 9 1() — . J. 2 0 ,87: 2 煤 1
( ) 体 的 物 理 特 性 参 数 视作 常 数 , 各 气 体 3气 且
之 间不 发 生化 学 反应 。 12 采 空 区瓦 斯 流动 基 本 方程 .
S D ,∑c J + c , i = ∑D p
j= 1 j= 1
() 3
式 中 : i 向 (- 或 z 量 损 失 源项 ; 和 c 5为 方 X, Y )动 D 是规 定 的矩 阵 。对 单 一 的各 向同性 多孔 介 质 有 :
[ 李 永存 , 晖, 4 ] 林爱 王海桥 等. 流脉动下采空 区流场数值模拟与实验研究[ _ 风 J 中国工程科学 ,0 8 1( : 1 4 】 2 0 ,0 ) — 5 44
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模拟 , 结果显示 : 在走 向方向上 , 自 从 然堆积区到压
实稳 定 区 , 在倾 斜 方 向上 , 进 风侧 到 回风 侧 , 垂 从 在
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图 5 U L型 采 空 区 瓦 斯 + 图 6 U L型 采 空 区 瓦 斯 +
直 方 向上 , 底 板 到 断裂 带 最 上 部 , 斯 浓 度 逐 渐 从 瓦 增 大 。 2 在 u型通 风 方式 下 , () 当工作 面 风 量 1 4 0 4
关键 词 : 空 区 ; 采 瓦斯 流 动 规 律 ; 值 模 拟 数
中图分类 号: D 1+ 1 T 72. 5
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近 十几 年来 , 综放 采 煤方 法 在 我 国得 到 了迅 速 的发 展 。但 由于综 合 机 械化 放 顶煤 开 采 具有 高 产 、
动
且 里 方
高效 、 推进速度快等特点 , 而使 瓦斯 的绝对涌 出 从
量增 大 且 不均 衡 , 致综 放 工作 面瓦斯 超 限问题 更 导 为严 重 。因此 , 究 综放 工 作 面采 空 区瓦 斯 涌 出规 研 律 对 防治 工 作 面 瓦斯 超 限具 有 一 定 的理 论 与实 践
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程
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11 基 本假 设 .
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— f1 )
() 4
式中 : 为渗透率 , C 为惯性 阻力系数 。 m;:
瓦 斯在 采 空 区 的流 动 , 可看 作 是气 体 在 多孔 介 质 中 的渗 流 [, 此 , 量 守 恒 方 程 和 动 量 方 程 是 4因 1 质
瓦斯 在 采 空 区 内流动 的理论 基 础 ] 。 质 量守 恒 方程 :
() 5 在走 向方 向 上 : 瓦斯 浓 度 由 自然 堆积 区 、 载
型通风方式下 ,- E 1 Z 3m、- 8 m处平面 的气体分布
云 图 , 图 5和 图 6 见 。 由图 5 6可得 : -
荷 影 响 区到 压实 稳 定 区逐 渐 增 大 。 () 6 在倾 斜 方 向上 : 进 风 侧 至 回风 侧 瓦斯 浓 从 度逐渐增大 , 尤其 是在 靠 近 回 风巷 上 隅 角 , 斯 浓 瓦 度高达 1 3%左 右 ,需 要采 取 相 应 措施 对 采 空 区 瓦
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第3 卷 第1 期 1 1 2 1 1 月 01 年 1
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( ) 竖直 方 向上 : 7在 由于瓦 斯 的上 浮 效应 , 瓦斯 浓 度从 底 板 到 断裂 带 最上 部 逐 渐增 大 , 其 是在 垮 尤 落 带 和采 动 断 裂带 的相结 合 处 附近 , 瓦斯 浓 度有 较
大 的梯 度 变 化 。
内的瓦斯 , 使采空 区回风侧的瓦斯浓度 明显下降。
s o d t tt e g sc nc n r to nc e s d g a ual r m t r la c multo r a t ta y c mp ci n h we ha h a o e ta in i r a e r d ly fo nau a c u ain a e o se d o a to
产构 成 严 重 威胁 。 ( ) U L型通 风 方 式 下 , 空 3在 + 采
区回风侧的瓦斯浓度 明显下降 , 能有效控制工作 面
上 隅角 瓦斯 。
度和宽度分别为 3 4m 。再次计算后 , m、 得到 U L +
参考文献 :
【 李宗翔. 工作面采 空区瓦斯涌 出规律 的数值模拟研究『 . 1 ] 综放 J煤炭学报 , 0 ,7 )1 3 17 ] 2 22( : —7. 0 2 7
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失源 。 中, 其 动量源由两部分组成 : 一部分是粘性损
失项 , 一 部 分惯 性 损失 项 。 另
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( ) 空 区 冒落 矸石 和 遗 煤孔 隙 组成 的多孔 介 1采
质视作各向同性 , 孔隙率定为常数 。 () 2 采空区气体视作不可压缩理想气体 , 气体 的流动近似满足线性达西定律 。
r / i , 隅角 的 瓦斯 浓 度 1 n m n时 上 S 3%左 右 , 安全 生 对
浓 度分布 (= m) Z3
浓度分 布(= 8 Z l m)
与 采 空 区 回 风 巷 平 行 2 外 布 置 瓦 斯 排 放 0m 巷 ,联 络巷 从 采空 区进 深 4 处 开始 布 置 ,每 隔 1 m 4 布 置一 个 , 1 m 共有 8个 联络 巷 。瓦 斯排 放 巷 的高
收稿 日期 :O 1 0 — 5 2 l - 8 1
2 模 型建 立
21 Ga i建模 及 网格 的划 分 . mbt
Fun 是通过 有限体积 的流体 动力 学计算来 l t e
求解 N s — 方程 。根据综放采空 区破碎岩体的垮落
作者简介 : 范红伟 (9 1 )男 , 18 一 , 山西大 同人 , 士 , 硕 从事煤 矿安全技术及 工程的教学 与科研工作 。
斯 进 行 治理 。
( ) 过 布 置瓦 排巷 使得 流 入 采 空 区的漏 风 多 1通 了一个 出 口 , 由于 瓦 排 巷 的 负 压 比较 低 , 样 使 又 这
流人采 空区的风流稀 释 自然堆 积区和载荷影 响区 ■●■蛩■■■ 隧爨 叠
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