高瓦斯矿井综放开采采空区瓦斯治理数值模拟研究
|
摘要
本文研究应用多孔介质流体动力学、传热传质学和数值方法等理论,研究采空区风流压力场、速度场和浓度场。结合天池某煤矿103工作面采空区跨落岩石的特征,研究了采空区孔隙率的分布特性,提出了采空区渗透系数呈“椭圆型”分布特点;通过质量守恒、动量守恒和组分守恒定律,结合采空区风流流态,建立了不同流态下瓦斯流动通用数学模型;针对采空区形状和瓦斯流动数学模型,采用有限体积法对计算区域、瓦斯流动控制方程以及边界条件进行离散化,借助SIMPLE算法求解离散方程组;运用商业CFD软件Fluent对采空区进行模拟,得出尾巷引排瓦斯时采空区瓦斯及氧气浓度分布,与现场实测数据非常吻合。通过封堵瓦斯尾巷和调节进风量,模拟了采空区瓦斯浓度分布,得出仅靠增加风量解决上隅角瓦斯超限和采空区漏风严重问题是不可能;瓦斯尾巷引排和调节进风量,模拟了采空区瓦斯浓度分布,确定合理的进风量,确保上隅角瓦斯浓度小于1%。通过采取瓦斯尾巷引排和调节进风量办法来解决上隅角瓦斯超限问题。
Fluid Dynamics in Porous Media, Heat and Mass Transfer and Numerical Methods theory and so on are used in the research. The velocity field,the pressure field, and the concentration field for the flow in the god are studied. According to the characters of the collapsed rocks in the gob of 103-working face in Tianchi Coal Mine, the characteristics of porosity distribution in gob are studied, the characteristic of elliptical-typed distribution of permeability coefficient is proposed. Based on mass conservation, momentum conservation and species conservation law, combined with flow pattern in gob, a general mathematical model of gas flow is derived under the different flow. For gob sharp and gas flow mathematical model, the calculating area, gas flow equations and boundary conditions are dispersed by finite volume method and the dispersed equations are solved by SIMPLE algorithm. Using commercial CFD software (Fluent), the gob is simulated, the gas and oxygen concentration are obtained though Tailgate gas discharge, the results are in good agreement with the measured data. By blocking the gas tailgate and regulating the wind of the Inlet Lane, the gob is simulated to obtain the concentration of the gas, this result shows only by increasing air flow to solve the corner gas gauge and Air Leakage serious problem is impossible. Though Tailgate gas discharge the distribution of gas concentration are simulated under different wind amount, to determine a reasonable wind amount, to ensure that the upper-corner gas concentration is less than 1%. By taking tailgate gas discharge and adjusting air flow, the upper-corner gas gauge is solved.
Fluid Dynamics in Porous Media, Heat and Mass Transfer and Numerical Methods theory and so on are used in the research. The velocity field,the pressure field, and the concentration field for the flow in the god are studied. According to the characters of the collapsed rocks in the gob of 103-working face in Tianchi Coal Mine, the characteristics of porosity distribution in gob are studied, the characteristic of elliptical-typed distribution of permeability coefficient is proposed. Based on mass conservation, momentum conservation and species conservation law, combined with flow pattern in gob, a general mathematical model of gas flow is derived under the different flow. For gob sharp and gas flow mathematical model, the calculating area, gas flow equations and boundary conditions are dispersed by finite volume method and the dispersed equations are solved by SIMPLE algorithm. Using commercial CFD software (Fluent), the gob is simulated, the gas and oxygen concentration are obtained though Tailgate gas discharge, the results are in good agreement with the measured data. By blocking the gas tailgate and regulating the wind of the Inlet Lane, the gob is simulated to obtain the concentration of the gas, this result shows only by increasing air flow to solve the corner gas gauge and Air Leakage serious problem is impossible. Though Tailgate gas discharge the distribution of gas concentration are simulated under different wind amount, to determine a reasonable wind amount, to ensure that the upper-corner gas concentration is less than 1%. By taking tailgate gas discharge and adjusting air flow, the upper-corner gas gauge is solved.
引文
[1]中华人民共和国国家统计局.中华人民共和国.2009年国民经济和社会发展统计公报,2010年2月25日.
[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.煤矿瓦斯治理与利用总体方案(发改能源[2005]1137号)[S],2005.
[3]王安.现代化亿吨矿区生产技术[M].北京:煤炭工业出版社,2005:66.
[4]国家安全生产监督管理总局,http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp.
[5]国家安全生产监督管理总局.国家安全监管总局关于印发煤矿安全生产“十一五”规划通知(安监总规划[2007]41号)[Z].2007.
[6]中华人民共和国国家发展和改革委员会.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划(国办发[2005]35号)[S].2005.
[7]孙培德,鲜学福.煤层瓦斯渗流力学的研究进展[J]].焦作工学院学报(自然科学版),2001,20(3):161-167.
[8] KPИЧеВCKИЧP. M. OЛPИPOдеВΗeyanHbIX BbIдeneHИЙИBbIБPOCOByrΛЯИraya [J],БrOΛΛeTeHb MakHИИ, 1948 (18).
[9]ЧБaPuHOBa-KOЧИHaЛ.Я.OHeyCTaHOBЧBЧIeЙCЯХuΛbTPaЧИuГayaByrOΛbHOMЛΛacTe [J],ЛPuKΛ. MaT.ИMex.1953 (6).
[10]周世宁,孙辑正.煤层瓦斯流动理论及其应用[J].煤炭学报,1965,2(1):24-36. [11郭勇义.煤层瓦斯-维流场流动规律的完全解[J].中国矿业学院学报,1984,2(2):19-28.
[12]肖勤学,吴泽源,谭学术.煤层瓦斯渗流方程及其在瓦斯抽放中的应用[J].重庆大学学报,1986,6(2):113-121.
[13]谭学术,袁静.矿井煤层真实瓦斯渗流方程的研究[J].重庆建筑工程学院学报,1986,1(1):106-112.
[14]谭学术,肖勤学.矿井煤层渗流方程的建立和讨论[J].福州大学学报,1987,4(4):103-119.
[15]孙培德.煤层瓦斯流动理论及其应用[A].中国煤炭学会1988年学术年会论文集.北京:煤炭工业出版社,1988.
[16]孙培德.煤层瓦斯动力学及其应用的研究[J].山西矿业学院学报,1989,7(2):126-135.
[17]孙培德.瓦斯动力学模型的研究[J].煤田地质与勘探,1993,21(1):32-40.
[18]孙培德.煤层瓦斯流动方程补正[J].煤田地质与勘探,1993,21(5):61-62.
[19] Sun Peide. Coal gas dynamics and its applications[J]. Scientia Geologica Sinica,1994,3(l):66-72.
[20]余楚新,鲜学福.煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程的研究[J].重庆大学学报,1989,12(5):l-9.
[21]周世宁.用电子计算机对两种测定煤层透气系数方法的检验[J].中国矿业学院学报,1984,2(3):46-51.
[22]魏晓林.有钻孔煤层瓦斯流动方程及其应用[J].煤炭学报1988,13(1):85-96.
[23]魏晓林.煤层瓦斯流动规律的实验和数值方法的研究[J].粤煤科技,1981,(2):35-41.
[24]李英俊.煤层瓦斯压力分布的研究[J].煤矿安全,1980(5):32-36.
[25]俞善炳.恒稳推进的煤与瓦斯突出[J].力学学报,1988,20(2):23-28.
[26]丁晓良.煤在瓦斯渗流作用下持续破坏的机制[J].中国科学:A辑,1989,(6):600-607.
[27]孙培德.径向流场瓦斯压力分布问题[J].山东矿业学院学报,1989,8{4}:33-39.
[28]黄运飞,孙广忠.煤一瓦斯介质力学「M].北京:煤炭工业出版社,1993.
[29]杨其銮.煤屑瓦斯放散随时间变化规律的初步探讨[J].煤矿安全,1986,(4):3-11.
[30]杨其銮.关于煤屑瓦斯放散规律的试验研究[J].煤矿安全,1987,(2):9-16.
[31]聂百胜.煤粒瓦斯解吸扩散动力过程的实验研究[硕士学位论文].太原理工大学采矿系,1998.
[32]杨其銮,王佑安.煤屑瓦斯扩散理论及其应用[J].煤炭学报,1986,11(3):62-70.
[33]吴世跃,郭勇义.煤粒瓦斯扩散规律与突出预测指标的研究[J].太原理工大学学报,1998,29(2):138-141.
[34]聂百胜,王恩元等.煤粒瓦斯扩散的数学物理模型[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),1999,18(6):582-585.
[35]聂百胜,郭勇义,吴世跃,张力.煤粒瓦斯扩散的理论模型及其解析解[J].中国矿业大学学报,2001,30(1):19-22.
[36]聂百胜,何学秋,王恩元.瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式[J].中国安全科学学报,2000,10(6):24-28.
[37]孙培德.煤层瓦斯流场流动规律的研究[J].煤炭学报,1987,12(4):74-82.
[38] Saghafi, A.煤层瓦斯流动的计算机模拟及其在预测瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用[A].第22届国际采矿安全会议论文集.北京:煤炭工业出版社,1987.
[39]吴世跃.煤层瓦斯扩散与渗流规律的初步探讨[J].山西矿业学院学报,1994,12(3):259-263.
[40]段三明,聂百胜.煤层瓦斯扩散-渗流规律的初步研究[J].太原理工大学学报,1998,29(4):413-416.
[41]郭勇义,吴世跃.煤粒瓦斯扩散及扩散系数测定方法的研究[J].山西矿业学院学报,1997,15(1):15-19.
[42]孙培德,鲜学福.煤层瓦斯渗流力学的研究进展[J].焦作工学院学报(自然科学版),2001,20(3):161-167.
[43]罗新荣.煤层瓦斯运移物理模型与理论分析[J].中国矿业大学学报,1991,20(3):36-42.
[44] J.Matuszewski. Control of dangerous methane accumulations,Second Inter. Min. Vent. Congress in Reno,New York. 1980.
[45]章梦涛,王景琰.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J].煤炭学报,1983(03):26-34.
[46]章梦涛,王景琰,梁栋.采场大气中沼气运移过程的数值模拟[J].煤炭学报,1987(03):23-30.
[47]丁广骧,邸志乾等.二维采空区非线性渗流流函数方程及有限元解法[J].煤炭学报,1993,18(2):19-24.
[48]梁栋,黄元平.采动空间瓦斯运动的双重介质模型[J].阜新矿业学院学报(自然科学版),16(2):4-7.
[49]丁广骧.三维采空区瓦斯、氮气的扩散运动及有限元解法[J].煤炭学报,1996,21(4):411-414.
[50]丁广骧,柏发松.采空区混合气体运动基本方程及其有限元解法[J].中国矿业大学学报,1996,25(3):21-26.
[51]何启林.采空区瓦斯弥散流场的研究[J].焦作工学院学报,1997,16(3):74-80.
[52]蒋曙光,张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算[J].煤炭学报,1998,23(3):258-261.
[53]李宗翔,孙广义.回采采空区上隅角瓦斯治理数值模拟与参数确定[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(4):9-12.
[54]李宗翔.综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J].煤炭学报,2002,27(2):173-178.
[55]李宗翔,孙广义,王洪德.均压法治理采空区上隅角瓦斯的数值模拟研究[J].湘潭矿业学院学报,2002,17(3):9-12.
[56]李宗翔,王继仁,周西华.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟[J].中国矿业大学学报,2004,33(1):74-78.
[57]李宗翔.采空区瓦斯与大气两相混溶扩散模型及其求解[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2971-2976.
[58]李宗翔,王晓冬,王波.采空区场流数值模拟程序(G3)实现与应用[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2005,20(4):16-20.
[59]胡千庭,梁运培,刘见中.采空区瓦斯流动规律的CFD模拟[J].煤炭学报,2007,32(7):719-927.
[60]周西华.双高矿井采场自燃与爆炸特性及防治技术研究[D],辽宁工程技术大学博士学位论文,辽宁阜新,2006年6月.
[61]王凯,吴伟阳.J型通风综放采空区流场与瓦斯运移数值模拟[J].中国矿业大学学报,2007,36(3):1152-1158.
[62]刘卫群,缪协兴.综放开采J型通风采空区渗流场数值分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):277-282.
[63]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制(修订本)[M].北京:煤炭工业出版社,1991,79-134.
[64]钱鸣高,何富连等.再论采场矿山压力理论[J].中国矿业大学学报,1994,(3):1-9.
[65]李树刚,钱鸣高.综放采空区冒落特征及瓦斯流态[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3):76-77.
[66]张伟.综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究[D],辽宁工程技术大学硕士学位论文,陕西西安,2008年4月.
[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.煤矿瓦斯治理与利用总体方案(发改能源[2005]1137号)[S],2005.
[3]王安.现代化亿吨矿区生产技术[M].北京:煤炭工业出版社,2005:66.
[4]国家安全生产监督管理总局,http://media.chinasafety.gov.cn:8090/iSystem/shigumain.jsp.
[5]国家安全生产监督管理总局.国家安全监管总局关于印发煤矿安全生产“十一五”规划通知(安监总规划[2007]41号)[Z].2007.
[6]中华人民共和国国家发展和改革委员会.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划(国办发[2005]35号)[S].2005.
[7]孙培德,鲜学福.煤层瓦斯渗流力学的研究进展[J]].焦作工学院学报(自然科学版),2001,20(3):161-167.
[8] KPИЧеВCKИЧP. M. OЛPИPOдеВΗeyanHbIX BbIдeneHИЙИBbIБPOCOByrΛЯИraya [J],БrOΛΛeTeHb MakHИИ, 1948 (18).
[9]ЧБaPuHOBa-KOЧИHaЛ.Я.OHeyCTaHOBЧBЧIeЙCЯХuΛbTPaЧИuГayaByrOΛbHOMЛΛacTe [J],ЛPuKΛ. MaT.ИMex.1953 (6).
[10]周世宁,孙辑正.煤层瓦斯流动理论及其应用[J].煤炭学报,1965,2(1):24-36. [11郭勇义.煤层瓦斯-维流场流动规律的完全解[J].中国矿业学院学报,1984,2(2):19-28.
[12]肖勤学,吴泽源,谭学术.煤层瓦斯渗流方程及其在瓦斯抽放中的应用[J].重庆大学学报,1986,6(2):113-121.
[13]谭学术,袁静.矿井煤层真实瓦斯渗流方程的研究[J].重庆建筑工程学院学报,1986,1(1):106-112.
[14]谭学术,肖勤学.矿井煤层渗流方程的建立和讨论[J].福州大学学报,1987,4(4):103-119.
[15]孙培德.煤层瓦斯流动理论及其应用[A].中国煤炭学会1988年学术年会论文集.北京:煤炭工业出版社,1988.
[16]孙培德.煤层瓦斯动力学及其应用的研究[J].山西矿业学院学报,1989,7(2):126-135.
[17]孙培德.瓦斯动力学模型的研究[J].煤田地质与勘探,1993,21(1):32-40.
[18]孙培德.煤层瓦斯流动方程补正[J].煤田地质与勘探,1993,21(5):61-62.
[19] Sun Peide. Coal gas dynamics and its applications[J]. Scientia Geologica Sinica,1994,3(l):66-72.
[20]余楚新,鲜学福.煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程的研究[J].重庆大学学报,1989,12(5):l-9.
[21]周世宁.用电子计算机对两种测定煤层透气系数方法的检验[J].中国矿业学院学报,1984,2(3):46-51.
[22]魏晓林.有钻孔煤层瓦斯流动方程及其应用[J].煤炭学报1988,13(1):85-96.
[23]魏晓林.煤层瓦斯流动规律的实验和数值方法的研究[J].粤煤科技,1981,(2):35-41.
[24]李英俊.煤层瓦斯压力分布的研究[J].煤矿安全,1980(5):32-36.
[25]俞善炳.恒稳推进的煤与瓦斯突出[J].力学学报,1988,20(2):23-28.
[26]丁晓良.煤在瓦斯渗流作用下持续破坏的机制[J].中国科学:A辑,1989,(6):600-607.
[27]孙培德.径向流场瓦斯压力分布问题[J].山东矿业学院学报,1989,8{4}:33-39.
[28]黄运飞,孙广忠.煤一瓦斯介质力学「M].北京:煤炭工业出版社,1993.
[29]杨其銮.煤屑瓦斯放散随时间变化规律的初步探讨[J].煤矿安全,1986,(4):3-11.
[30]杨其銮.关于煤屑瓦斯放散规律的试验研究[J].煤矿安全,1987,(2):9-16.
[31]聂百胜.煤粒瓦斯解吸扩散动力过程的实验研究[硕士学位论文].太原理工大学采矿系,1998.
[32]杨其銮,王佑安.煤屑瓦斯扩散理论及其应用[J].煤炭学报,1986,11(3):62-70.
[33]吴世跃,郭勇义.煤粒瓦斯扩散规律与突出预测指标的研究[J].太原理工大学学报,1998,29(2):138-141.
[34]聂百胜,王恩元等.煤粒瓦斯扩散的数学物理模型[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),1999,18(6):582-585.
[35]聂百胜,郭勇义,吴世跃,张力.煤粒瓦斯扩散的理论模型及其解析解[J].中国矿业大学学报,2001,30(1):19-22.
[36]聂百胜,何学秋,王恩元.瓦斯气体在煤层中的扩散机理及模式[J].中国安全科学学报,2000,10(6):24-28.
[37]孙培德.煤层瓦斯流场流动规律的研究[J].煤炭学报,1987,12(4):74-82.
[38] Saghafi, A.煤层瓦斯流动的计算机模拟及其在预测瓦斯涌出和抽放瓦斯中的应用[A].第22届国际采矿安全会议论文集.北京:煤炭工业出版社,1987.
[39]吴世跃.煤层瓦斯扩散与渗流规律的初步探讨[J].山西矿业学院学报,1994,12(3):259-263.
[40]段三明,聂百胜.煤层瓦斯扩散-渗流规律的初步研究[J].太原理工大学学报,1998,29(4):413-416.
[41]郭勇义,吴世跃.煤粒瓦斯扩散及扩散系数测定方法的研究[J].山西矿业学院学报,1997,15(1):15-19.
[42]孙培德,鲜学福.煤层瓦斯渗流力学的研究进展[J].焦作工学院学报(自然科学版),2001,20(3):161-167.
[43]罗新荣.煤层瓦斯运移物理模型与理论分析[J].中国矿业大学学报,1991,20(3):36-42.
[44] J.Matuszewski. Control of dangerous methane accumulations,Second Inter. Min. Vent. Congress in Reno,New York. 1980.
[45]章梦涛,王景琰.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J].煤炭学报,1983(03):26-34.
[46]章梦涛,王景琰,梁栋.采场大气中沼气运移过程的数值模拟[J].煤炭学报,1987(03):23-30.
[47]丁广骧,邸志乾等.二维采空区非线性渗流流函数方程及有限元解法[J].煤炭学报,1993,18(2):19-24.
[48]梁栋,黄元平.采动空间瓦斯运动的双重介质模型[J].阜新矿业学院学报(自然科学版),16(2):4-7.
[49]丁广骧.三维采空区瓦斯、氮气的扩散运动及有限元解法[J].煤炭学报,1996,21(4):411-414.
[50]丁广骧,柏发松.采空区混合气体运动基本方程及其有限元解法[J].中国矿业大学学报,1996,25(3):21-26.
[51]何启林.采空区瓦斯弥散流场的研究[J].焦作工学院学报,1997,16(3):74-80.
[52]蒋曙光,张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算[J].煤炭学报,1998,23(3):258-261.
[53]李宗翔,孙广义.回采采空区上隅角瓦斯治理数值模拟与参数确定[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(4):9-12.
[54]李宗翔.综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J].煤炭学报,2002,27(2):173-178.
[55]李宗翔,孙广义,王洪德.均压法治理采空区上隅角瓦斯的数值模拟研究[J].湘潭矿业学院学报,2002,17(3):9-12.
[56]李宗翔,王继仁,周西华.采空区开区移动瓦斯抽放的数值模拟[J].中国矿业大学学报,2004,33(1):74-78.
[57]李宗翔.采空区瓦斯与大气两相混溶扩散模型及其求解[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2971-2976.
[58]李宗翔,王晓冬,王波.采空区场流数值模拟程序(G3)实现与应用[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2005,20(4):16-20.
[59]胡千庭,梁运培,刘见中.采空区瓦斯流动规律的CFD模拟[J].煤炭学报,2007,32(7):719-927.
[60]周西华.双高矿井采场自燃与爆炸特性及防治技术研究[D],辽宁工程技术大学博士学位论文,辽宁阜新,2006年6月.
[61]王凯,吴伟阳.J型通风综放采空区流场与瓦斯运移数值模拟[J].中国矿业大学学报,2007,36(3):1152-1158.
[62]刘卫群,缪协兴.综放开采J型通风采空区渗流场数值分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):277-282.
[63]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制(修订本)[M].北京:煤炭工业出版社,1991,79-134.
[64]钱鸣高,何富连等.再论采场矿山压力理论[J].中国矿业大学学报,1994,(3):1-9.
[65]李树刚,钱鸣高.综放采空区冒落特征及瓦斯流态[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3):76-77.
[66]张伟.综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究[D],辽宁工程技术大学硕士学位论文,陕西西安,2008年4月.