基于fluent的采空区瓦斯分布规律研究

摘要安徽建筑大学本科毕业论文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11231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。摘要安徽建筑大学本科毕业论文ABSTRACTRECENTYEARS,WITHTHEINCREASEOFTHEDEPTHOFCOALSEAMSMINED,METHANEGRADIENTINCREASEDINAHUGESPEED,CAUSINGALARGEAMOUNTOFWORKINGFACEGASEMISSIONANDALARGEPROPORTIONOFWORKINGFACEGASCOMESFROMGASEMISSIONOFGOBSOONLYIFWEGETAGOODKNOWLEDGEOFTHELAWSOFGASSTORAGE,GASMOVEMENT,GASEMISSION,THENWECANADJUSTTHEVENTILATIONSYSTEMREASONABLYANDTAKEEFFECTIVEMETHANECONTROLMEASURESTOPREVENTTHEGASGATHERINGTHISDISSERTATIONANALYSISTHEBASICFEATURESOFFULLYMECHANIZEDMININGFACE,GOAFGASMIGRATIONRULESANDTHEMAINFACTORSWHICHHASTHEEFFECTSONGOAFGASEMISSIONTHROUGHTHEORETICALANALYSIS,TAKINGTHECH4CONSTITUENTSINGOAFGASAIRMIXEDGASASTHERESEARCHOBJECTANDTHE,ONTHEBASISOFANALYSIS,THETHIRDCHAPTER2ESTABLISHEDTHEEQUATIONSOFTHEGASSEEPAGEINGOBTHEFLUIDMECHANICSCALCULATIONSOFTWAREFLUENTISUSEDTOESTABLISHTHEMODELOF11231WORKINGFACEOFTHEGUQIAOCOLLIERYANDSIMULATETWODIFFERENT3DMODELSOFGASDISTRIBUTIONINGOBOFFULLYMECHANIZEDMININGFACEBETWEENTHEMODELWITHAIRLEAKAGEONLYANDTHEMODELWITHAIRLEAKAGEANDHIGHLOCATEDGASDRAINAGEROADWAYTHECONCLUSIONISHIGHLOCATEDGASDRAINAGEROADWAYMAKESTHEHIGHCONCENTRATIONGASINTHEGOBDELIVERTOTHEDRAINAGEPORT,THEDISTANCEOFTHEAIRLEAKAGEGODEEPINTHEGOBISINCREASEDTOO,SOTHERESULTISTHEGASEMISSIONFROMTHEGOBTOTHEWORKFACEREDUCEDFINALLYTHECHAPTER4MAKESANEVALUATIONABOUTTHEEFFECTSOFTHEMETHANECONTROLACCORDINGTOTHESIMULATEDRESULTSANDTHEFIELDMETRICALDATATHESIMULATEDRESULTSAREIDENTICALWITHTHEFIELDMETRICALDATA,WHICHISPROVEDBYTHISDISSERTATIONSOUSINGFLUENTSOFTWARETOSIMULATETHEGASSEEPAGEINGOBHASTHEFIXEDGUIDANCEMEANINGTOMETHANECONTROLMEASURESKEYWORDSGOAF,METHANESEEPAGEFLOW,FLUENTSOFTWARE,NUMERICALSIMULATION,METHANEEXTRACTION目录安徽建筑大学本科毕业论文I目录第一章绪论111研究意义112国内外的研究现状3121采空区混合气体流动场研究现状3122瓦斯渗流理论的研究历程313研究思路5131研究内容5132研究方法6133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821综采工作面基本特征822综采面采空区瓦斯来源及涌出影响因素9221综采面采空区瓦斯来源9222瓦斯涌出量计算10223影响采空区瓦斯涌出的基本因素1223采空区瓦斯运移特征14231多孔介质的特性14232采空区瓦斯的升浮16233采空区瓦斯的扩散17234采空区瓦斯的聚集1724综放面采空区瓦斯运移基本方程18241采空区渗流基本方程18242扩散运动方程2125控制微分方程的建立22251基本假设22252采空区气体流动方程22253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2531FLUENT软件介绍25311FLUENT软件组成25312FLUENT求解2632物理模型的构建与边界条件设定27321物理模型的规定和假设27322计算模型的建立与网格生成27323采空区瓦斯运移数值模拟参数及边界条件的设定2833数值模拟结果的分析31331只考虑漏风时采空区瓦斯浓度的分布模拟与结果分析31目录安徽建筑大学本科毕业论文II332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4441工作面概况44421123（1）工作面瓦斯涌出量预测44431123（1）工作面瓦斯综合治理技术45431风排瓦斯454321123（3）底抽巷抽采46433采空区埋管抽采47434轨运顺顺层钻孔抽采48435初期抽采方式48441123（1）工作面瓦斯治理效果分析484411123（1）工作面风量与风排瓦斯的关系48442瓦斯抽采量与抽采率随时间的变化关系50443抽采瓦斯量与抽采浓度随工作面推进速度的关系554441123（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5851论文主要结论5852论文后续工作的展望59绪论安徽建筑大学本科毕业论文1第一章绪论11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。我国的煤矿事故一般来说有以下几个特点一是事故总量过高，这几年来，全国煤矿每年死亡人数呈下降趋势，但总数仍约为其他产煤大国死亡人数总和的3倍；二是特大事故尚未得到有效遏制。每年一次死亡人数在10人以上的特大事故约有十数起，尤其是近几年来一次死亡百人以上的特别重大事故连续发生数次，后果相当严重三是瓦斯事故比例高，人员伤亡大，每年发生的特大事故中有80以上是瓦斯事故，而因瓦斯事故造成的死亡人数约2000人，占煤矿事故总死亡人数的1/3。从我国煤矿每年事故统计资料来看，瓦斯爆炸事故造成的死亡人数在全部伤亡人数中所占比例呈上升趋势。因此，瓦斯事故的预防是我们煤矿安全工作的重中之重。根据国家煤监局公布的数据，“十一五”也即2006年2010年我国部分国有重点煤矿事故的次数与伤亡人数的统计绘制成表11。表11十一五期间部分国有重点煤矿各类事故统计表20062007200820092010起数人数起数人数起数人数起数人数起数人数顶板163319021299151810321222805939702829瓦斯32713192721084182778157755145623运输467517409453348400285319246281水害10041763255592634716638224机电9493908610610997977178火灾72610721111143112168放炮78906977395545753437其它239382209241177277176249155193由表11及图11可以得出瓦斯事故不仅发生的次数多，而且平均每起事故的死亡人数高达43人。这说明瓦斯灾害，特别是瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出，一般出现大都是重大事故，甚至是特大事故，对井下人员的生命造成巨大的威胁，并且摧毁矿井设施，造成的直接经济损失和恶劣的社会影响也是十年份类型绪论安徽建筑大学本科毕业论文2分巨大的，同时还迫使矿井停产，投入大量的人力物力进行抢险救灾，其造成的的间接经济损失也是难以估量的。顶板瓦斯运输水害机电火灾放炮其他010203040506070事故起数死亡人数图11十一五期间部分国有煤矿各类事故与死亡人数当今随着采煤机械化程度越来越高，开采深度越来越深，瓦斯方面的各种问题越来越突出，尤其是综放开采，由于其产量集中，瓦斯散发面与采空区高度相比其他采煤方式加大许多。采空区空间的加大和覆岩活动范围的增大，使综放工作面瓦斯涌出出现了一些新的特点在采煤机割煤移架过程中顶煤的应力状态和煤体的结构相应发生改变，并产生大量的裂隙，从而使煤体中本来的存在的大量吸附性瓦斯解析成游离状态释放到采空区，同时采空区的遗煤也会释放出一部分瓦斯，造成在采空大大增加，贯通区的瓦斯大量积存。在工作面后方，原先在采空区上部积聚的部分瓦斯由于顶煤的冒落而涌入工作面，使采空区的瓦斯涌出量比例占综放工作面总涌出量的5060，最高可达7080。采空区的瓦斯涌出是工作面和矿井瓦斯涌出的主要来源，其大量涌出经常造成工作面瓦斯频繁超限并被迫停产，甚至会酿成严重事故，造成大量人员伤亡和巨大经济损失。近年来计算机技术发展迅速，这同时为我们研究采空区瓦斯的运移及进行数值模拟提供了新的工具。由于采空区的环境非常复杂，不易测，因此研究采空区流场及瓦斯分布规律过程中，计算机技术提供了相当有力的条件，利用计算机对采空区进行数值模拟，模拟采空区流场及瓦斯的分布规律，为煤矿的安全生产、防治瓦斯灾害等工作提供了可靠的理论依据，对防灾技术及安全理论的研究具有重要的推动意义，同时对深入认识采空区瓦斯分布、运移、涌出规律也有一定的理论价值。数值模拟方法是场流研究的基本手段。在现实中，采空区的研究当中能够得到的现场试验研究的条件是极其有限的，而模型的理论绪论安徽建筑大学本科毕业论文3分析和理论实验功能却能帮助我们较为真实的认识与研究采空区瓦斯分布等安全问题的内在机制和基本规律。12国内外的研究现状121采空区混合气体流动场研究现状早期的采空区气体流动规律研究主要是应用并联风路模型，即把采空区和回采工作面看作是两条并联的风路来分析采空区内的漏风量。该模型对分析回采工作面后无漏风源和汇的U型通风方式具有一定的指导意义，但当漏风源汇数量较多或采空区几何形状比较复杂时不适用。采空区管网模型和渗流模型是较早的具有代表性的采空区气体流动模型，其把采空区介质看做是纵横交错相互连通的管网，认为气体在采空区的流动可以近似认为是在众多管网中的流动。冯小平1995、徐军1999和张国枢2002）等人以采空区空气流动属于层流和湍流之间的过渡流为基础，对采空区进行了管网化划分，建立采空区渗流场数学模型，并用网络解算的方法对采空区风流状态进行了数值模拟。他们还以能量方程和质量方程为基础对采空区的温度场和浓度场进行了模拟。刘泽功1996也将采空区冒落带的气体流动假设为通过许多纵横交错的短管流动，将采空区多孔介质简化为网络系统，从而根据网络模拟技术，对采空区漏风场进行模拟解算。丁文通等2003通过建立采空区滤流场数学模型，对采空区进行了管网化划分，并以实例用计算机模拟采空区的流场分布，应用极限风速法对采空区”三带”划分进行了研究。122瓦斯渗流理论的研究历程（1）线性瓦斯渗流理论早期在等温和低速条件下的煤层瓦斯渗流是线性渗流。研究历程大致如下图所示1965年周世宁院士提出采空区瓦斯渗流符合达西定律章梦涛利用多孔介质流体动力学理论建立了采空区气体流动和瓦斯运移的二维数学模型1984年郭勇义和周世宁1984通过相似理论方法研究了四种一维瓦斯流场的完全解，提出了修正的瓦斯流动方程绪论安徽建筑大学本科毕业论文41990年余楚新、鲜学福和谭学术1990建立了煤层瓦斯渗流的控制方程印度的PATRICK利用气体扩散方程和DARCY定律建立了三维的矿区气体扩散模型，并用有限差分法进行解算1993年黄云飞和孙广忠讨论了提出“煤一瓦斯介质力学”的观点，并对煤一瓦斯介质的变形、渗透率、强度等力学特性进行了系统研究郑哲敏院士课题组阐述了煤与瓦斯突出的孕育、启动与停止过程的机理，指出煤与瓦斯的突出机理缘于煤的破碎起动与瓦斯渗流的耦合建立了煤层瓦斯线性渗流数学模型。图12线形瓦斯渗流理论研究历程图2非线性瓦斯渗流理论章梦涛、梁冰和赵阳升等总结以上几种理论也较系统地研究了非等温、煤体变形及瓦斯渗流耦合力学模型及其有效应力规律。齐庆杰和冯圣根据渗流理论，建立了三维的采空区气体流动和瓦斯运移的数学模型及数值解算方法。孙培德基于幂定律的推广形式得出幂定律更符合煤层内瓦斯流动的基本规律KHRISTANOVI和SIEMEK等认为在压力梯度较大时，二项式非线性渗流定律比线性的达西定律更符合实际EMALLE证明了瓦斯在煤岩体中的渗流存在不遵守线性的达西定律，存在非线性关系罗新荣基于实验研究，提出了基于克林伯格效应的修正达西定律，建立了非线性瓦斯渗流数学模型。丁广骧等引用了大雷诺数渗流力学的BACHMAT方程，得出了采空区非线性的渗流力学数学模型及数值解算方法陈全利用渗流理论和质量守恒方程，建立了采空区气体三维不可压缩非线性渗流模型，并用有限元法进行解算绪论安徽建筑大学本科毕业论文5图13非线性瓦斯渗流理论的研究与早期数值模拟情况近来，更多研究利用FLUENT软件包来求解采空区气体分布规律。肖肠和朱毅通过实验和现场观测，拟合出孔隙率等参数的分段函数，建立了采空区漏风松散体空隙分段分布方程、采空区不同深度的分段渗透系数方程等自然发火预测模型，并利用FLUENT解算。YUANLIMING和ACSMITH根据小尺寸自燃实验数据，数值模拟了遗煤自燃下的考虑老空区影响的采空区的气体流动和传热情况，研究了其温度场和氧气浓度场的分布规律。王俊峰和邬剑明等在示踪气体试验的基础上，建立了模拟综采工作面采空区空气、瓦斯流动的数学物理模型，利用FLUENT解算了采空区氧气和瓦斯的分布规律。得出CFD模型模拟结果与现场长期监测结果相吻合，高瓦斯涌出可以加速采空区的自我惰化，有利于防治采空区自燃。13研究思路131研究内容在查阅和分析过内外研究资料和文献的基础上，总结采空区气体流动的相关研究成果和存在的问题，运用多孔介质流体力学、渗流力学等学科理论，结合顾桥煤矿综采工作面采空区的实际环境，利用FLUENT软件对采空区瓦斯的渗流情况进行数值模拟。具体内容有1综放工作面采空区瓦斯来源构成及其影响因素进行研究。2建立综放工作面采空区的物理及数值模型。3以碎胀特性推导渗流特性，将采空区空间视为非均匀孔隙介质空间，用FLUENT软件建立采空区瓦斯运移的三维数值模拟，研究采空区混合气体的分布以及沿工作面走向、倾向和竖向三个不同方向上的浓度的分布规律。4以顾桥矿1123（1）工作面的通风与瓦斯抽放数据基础，并结合模拟结果，对该工作面已经采取的瓦斯治理措施的效果进行分析。辽宁工程技术大学的单亚飞、李宗翔等利用有限元方法对采空区自然发火的“三带”进行了划分，并对采空区自然发火的早期过程、综放工作面的自然发火、综放面煤柱内的漏风和耗氧过程、综放沿空巷周围煤体自燃升温过程、以及采空区温度场温度分布问题等煤自然发火各个方面进行了数值模拟绪论安徽建筑大学本科毕业论文6132研究方法综合应用理论分析和数值模拟技术和现场分析等研究方法，系统研究采空区瓦斯空气混合气体不同组分的分布情况，以总结出采空区气体三维渗流场、浓度场和温度场的多场耦合的普遍规律。1理论分析充分吸收、利用和发展了多孔介质渗流力学、计算流体力学等科学理论和方法，并结合现场资料和现场观测数据及学科前沿对采空取瓦斯的渗流规律与运移理论进行研究。2数值模拟利用数值模拟技术，建立11231工作面采空区混合气体的三维流动模型。通过CFD解算和后处理，进一步形象地揭示采空区气体三维渗流的浓度分布规律。3现场实测顾桥煤矿1123（1）工作面可采走向长度27546M，面长265M，2012年6月初开始试采，剩余可采走向1630M。工作面1440M以外处于830M以下。预计2013年底回采结束。搜集该工作面从2012年7月份到2013年4月份的风量及瓦斯抽采数据。为理论分析和数值模拟提供一手资料，也用于验证瓦斯综合治理效果和数值模拟结果。133技术路线以采空区上覆岩层区带划分为依据，以各区带内岩体的碎胀系数为特征，建立采空区瓦斯渗流数学模型，利用FLUENT建立瓦斯渗流数值模型，通过数学模型给出的边界条件确定数值模拟的边界条件，进行迭代计算，得到综放采空区瓦斯渗流的数值解，本文的技术路线见下图。绪论安徽建筑大学本科毕业论文7FLUENT模拟得出的结果现场实际得到的瓦斯抽采数据两者基本吻合对顾桥1123（1）工作面已经采取的瓦斯治理措施进行效果分析给出评价论文图14技术路线图综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文8第二章综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型21综采工作面基本特征采空区是人类进行地下矿层开采活动而形成的空间。我国有很多学者长期以来致力于采空区基本特征的研究工作，付出了大量艰辛劳动，同时也取得了颇丰的成绩。其中最为著名的是钱鸣高院士提出的采场上覆岩层的“砌体梁”结构模型，钱院士在总结预成裂隙假说及铰接岩块假说的基础上，又经过长期的大量的对岩层内部移动特征的现场观测和生产实践活动，在20世纪70年代末80年代初期提出了岩体结构“砌体梁”力学模型，从而发展了以上学说。近年来随着对岩层控制科学研究的不断深入以及为了解决岩层活动中更为广泛的问题，如岩层移动过程中的卸压瓦斯抽放与突水防治、离层区充填与地表沉陷控制等，在砌体梁理论的基础上，进一步提出了“岩层控制关键层理论”。“砌体梁模型”如下图所示，该图表示回采面前后的岩体形态其中A为煤壁支撑影响区，B为离层区，C为重新压实区；I为冒落带，为裂隙带，为弯曲下沉带。“横三区”和“竖三带”的提出为研究瓦斯在采空区的运移提供了不同的运移介质和较为科学的理论依据。A煤壁支撑影响区；B离层区；C重新压实区；I冒落带；裂隙带；弯曲下沉带图21砌体梁结构模型中的“横三区”与“竖三带”综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文922综采面采空区瓦斯来源及涌出影响因素221综采面采空区瓦斯来源在人类对煤层进行开采活动之前，原始的瓦斯气体与煤岩体受到地层压力、瓦斯压力等作用下，所组成的系统处于一个动态平衡状态。在煤层进行开采时，由于受采掘活动的影响原始的平衡被打破。随着工作面的不断推进，采空区上覆煤岩层发生形变、断裂，形成裂隙，裂隙在相互沟通后，构成了一个动态变化的采动裂隙带，这就为瓦斯的运移、储集提供了便利的运输通道。采空区内由于漏风的存在、再加上压差的驱动，贯通的孔隙空间将充满流动瓦斯或瓦斯一空气混合气体。同时也为开采煤层上下邻近层及围岩中的瓦斯涌出提供了通道，大量的瓦斯在浓度压力差的驱动下通过该贯穿的通道以扩散或渗透的形式源源不断的涌向开采煤层回采工作面采空区，以至达到新的平衡。综采工作面采场范围内涌出瓦斯的地点称为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少，各源涌出瓦斯量的大小直接影响着采场的瓦斯涌出量。工作面的主要瓦斯来源有三个方面主要是煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出。而采空区瓦斯涌出源可以分为遗煤瓦斯涌出、围岩瓦斯涌出、未采分层瓦斯涌出和邻近已采老空去瓦斯涌出。如图22所示。各部分涌出瓦斯随着采场内煤岩层的变形或跨落而卸压，涌入采空区并混合在一起形成采空区涌出瓦斯。图22工作面瓦斯来源构成示意图1煤壁瓦斯涌出煤层开采后，由于在矿山压力的作用下，老顶的初次来压以及基本顶的周期来压，支架上方顶煤的应力平衡状态受到破坏，同时出现了卸压带，煤的透气性系数大大的增加，使得回采工作面暴露的煤壁及煤壁位移卸压带的瓦斯解吸进入风流当中。当综放开采时，瓦斯通过卸压带的裂隙从顶煤壁涌入顶板的综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文10断裂带。瓦斯涌出的强度随着煤壁暴露时间的增加而逐步的降低，煤壁的瓦斯释放与割煤速度之间的关系成近似线形关系。煤壁瓦斯涌出量主要取决于煤层原始瓦斯压力、透气性及工作面推进速度等因素。2采空区遗煤瓦斯涌出采空区遗煤的瓦斯涌出主要是残留在采空区的放落煤炭继续释放的瓦斯，其主要由煤层的采出率所控制并随时间的推移逐渐减少。采空区气体渗流规律数值模拟。3采落煤瓦斯涌出随着回采工作面不断向前推进，工作面煤壁上的煤被不断采落、运出，其所含有的瓦斯也源源不断地释放到回采空间。采落煤呈块粒状，使得煤体的暴露面积成倍增加，从而提高了瓦斯解吸强度和速度，并导致瓦斯涌出量的增加。不同块粒度采落煤的瓦斯放散速度是不同的，粒度越小，瓦斯放散速度越快；粒度越大，瓦斯放散速度越慢。采落煤瓦斯涌出量主要取决于采落煤量、原始瓦斯压力、透气性、煤体的坚固系数等因素，其涌出强度与煤壁相似，也随着时间的增加而降低。222瓦斯涌出量计算瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。其表达方式有两种包括绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。绝对瓦斯涌出量指在单位时间内涌出的瓦斯量，单位为M3/MIN年相对瓦斯涌出量指平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位为M3/T。在采煤工作面，瓦斯的涌出主要包括两部分本煤层瓦斯的涌出与邻近层瓦斯的涌出，即QQBQL。当采煤工作面匀速向前推进时本煤层瓦斯涌出量可以按下列两种方法来计算瓦斯在煤层中的含量来计算2101BQ4H（X）VL在式中QB瓦斯从本煤层涌入工作面的量，M3/MIN；X0本煤层瓦斯原有的含量，M3/T；XL残余瓦斯的含量，M3/M3；M煤层厚度，M；V工作面平均推进度，M/D；综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文11L工作面长度，M；LH一进风巷和回风巷瓦斯排放带的长度，M。按涌出的规律来计算2212BBQ23104BTHXEMVL24202BTNBL在式中QB1工作面煤壁瓦斯的涌出量，M3/MINQB2落煤瓦斯涌出量，M3/MINB系数D1T1煤壁寿命，D，T1B/VS采煤循环的一个进度，M。N系数。将（22）（23）带入（24）中得25102H40BTNBXEVLQ根据上式23、（24和25，煤壁和采落煤的瓦斯涌出量会随着回采工作面向前推进速度的加快而相应的增加，但是相对于煤壁瓦斯的涌出量，采落煤炭瓦斯涌出量增加的速度更快，说明在开采层瓦斯的涌出量中，采落煤炭的绝对涌出量所占的比例增大，而煤壁瓦斯的绝对涌出量占的比例会减少。在邻近层瓦斯涌出量的计算公式是26L01Q4NKLVXM在上式中QL上、下邻近层涌入开采层的瓦斯量，M3/MINX0K第K邻近层瓦斯原始的含量，M3/M3MK第K邻近层的厚度，MNK第K邻近层瓦斯涌出率，0KXNXK第K邻近层残余瓦斯含量，M3/M3。由26可得，邻近层瓦斯的涌出量与工作面推进的速度成正比，即工作面推进速度加快，邻近层瓦斯涌出量增大。综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文12223影响采空区瓦斯涌出的基本因素1自然因素在煤层与围岩中瓦斯的含量在这里瓦斯含量的多少直接会影响瓦斯的涌出量。当单一的薄煤层和中厚煤层开采时，煤层暴露面和采落的煤炭是瓦斯的主要来源，开采时的瓦斯涌出量随着煤层随着煤层瓦斯含量的增大而增大。在煤层开采的过程中，如果附近存在煤层或岩层的瓦斯含量比较大时，因为受到煤层回采的影响，在采空区就会形成许多的裂隙，这些在煤层中的瓦斯，就会不停地向开采煤层的采空区流去，在流进生产空间，使得矿井的瓦斯涌出量增大。在这种情况下，煤层开采时的瓦斯涌出量要比它的瓦斯含量大的多。地面大气压的变化在一年内的夏冬两季，地面大气压的差值可达到538KPA，在个别的情况下，一天之内的气压差值可达到227KPA，而地面大气压的改变会引起井下大气压发生相应的变化。它对瓦斯在采空区或坍冒处的涌出的影响比较明显。如果地面的大气压突然下降时，风流的压力将低于瓦斯积存区内气体的压力，引起了涌入风流中的瓦斯增多，造成工作面瓦斯的涌出量增大。反之，工作面瓦斯的涌出量将减少。2开采技术因素开采顺序与回采方法首先开采的煤层或分层，其相对瓦斯涌出量增大，而后开采的煤层或分层，其涌出量减少。回收率低的回采方法，相对瓦斯涌出量增大。陷落式顶板管理方法比充填式造成更大范围的围岩破坏与卸压，邻近层瓦斯涌出的分量增大。因此，陷落式比充填式的相对涌出量高。水采水运的采煤方法，比旱采相对瓦斯涌出量降低，这是因为湿煤残余瓦斯含量增大的缘故。配风量随着风量的增加，会使采空区漏风量增大，这样漏入的风量会带出更多的瓦斯，使采面瓦斯涌出量增大，造成上隅角瓦斯超限。而当配风量小时，稀释瓦斯的能力有限，容易造成回风流及上隅角瓦斯超限。可见，合理配风对控制采空区瓦斯涌出具有重要的作用。生产工艺从采落的煤炭与煤层的暴露面内涌出瓦斯的特征是，瓦斯在初期涌出的强综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文13度会很大，随后大致的方向是依照指数函数的曲线逐渐减少，因此在落煤时瓦斯的涌出量总是比其它工序要大。当落煤时，瓦斯涌出量的增加值与落煤量、新显露煤面的大小和煤块的破碎程度有关。比如在风镐落煤时，涌出瓦斯的数量可增大1113倍；在放炮时可以增大1420倍。由于综合机械化工作面推进速度较快，产量较高，当在瓦斯含量大的煤层内工作时，瓦斯的涌出量也会很大。工作面推进速度的影响当工作面推进速度越快，单位时间内工作面卸压的范围越大，绝对瓦斯涌出量就越大，反之则越小。此外，推进速度的改变意味着产量也发生变化，则相对瓦斯涌出量也发生变化。推进速度快的相对瓦斯涌出量小，推进速度慢的相对瓦斯涌出量大。以顾桥煤矿1123（1）工作面为例，图23为日进尺与瓦斯涌出的关系。201/62201/73201/710201/71201/724201/7312040608010120瓦斯涌出量M3/IN推进距离M时间YMD3040506070图23工作面推进速度与瓦斯涌出量的关系当工作面沿112煤层从开切眼向采区边界推进时，在工作面老顶第一次冒落以前的时间内，采空区的瓦斯涌出量仍然是以留在采空区内的遗煤涌出的瓦斯为主。当工作面老顶第一次冒落时，就会从卸压后的邻近煤层和岩层向采空区涌出大量的瓦斯，采空区的瓦斯涌出量将显著增加。并且，在工作面继续推进到老顶下一次冒落前。瓦斯涌出量一般情况下将逐渐减少，但仍大于老顶第一次冒落前的瓦斯涌出量。再以后发生顶板冒落时，将会重复出现上面的过程，综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文14于是采空区中瓦斯涌出量将逐渐增大。随着工作面推进到一定程度，采空区深度也推进到一定程度，采空区深部的瓦斯涌出量达到某一极限位并趋于稳定。通风压力与采空区封闭质量通风压力与采空区密闭质量都对老空区的瓦斯涌出有一定的影响。通风压力小，采空区密闭质量好，可减少老采区瓦斯涌出不均匀系数及涌出量，这对老矿井具有很大的意义。采空区内部与采面间的压差气体总是从压力高处向压力低处流动，采空区深部瓦斯浓度较高，所以瓦斯从采空区深部不断向采面运移，从支架后涌入工作面，甚至造成采面或上隅角瓦斯超限。控制采空区内瓦斯或有毒气体涌出，一般采用均压法，即增加工作面的绝对压力，使工作面和采空区间的压力达到平衡，这样把将涌入到工作面的瓦斯或有害气体“顶”回去，其在控制采空区瓦斯涌出和均压抽放采空区瓦斯等方面有较广泛的应用。瓦斯抽放的影响随着综放工作面开采采高的扩大，使采空区的垮落高度也随之加大，扩大了上邻近层瓦斯的排放范围，从煤体中解吸出来的瓦斯不断的涌入综放工作面。通过引巷抽放、埋管抽放、高位钻孔抽放、高抽巷抽放、注浆道抽放等多种抽放方法，使工作面的瓦斯涌出量减少。因此，通过采取瓦斯抽放方法，能有效的降低工作面的瓦斯涌出量。23采空区瓦斯运移特征231多孔介质的特性简单的说，多孔介质是指含有大量孔隙的固体。一般认为富含孔隙和裂隙的煤体是多孔介质，具有如下特点1多相性。指可以同时存在固相、液相和气相或同时存在固相和液相、固相和气相。固相部分称为固体骨架，固体骨架以外的部分成为多孔介质的孔隙空间。2在多孔介质所占据的范围内，固体骨架遍布于整个多孔介质中。相比于固体骨架具有很大的比面积，孔隙却比较狭窄。3孔隙空间中只有少数的空隙是封闭的，绝大多数空隙是相互连通的，流体在连通的孔隙中流动。综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文151、孔隙性孔隙的大小和多少是多孔介质的重要特征，通常用孔隙率这一指标来衡量多孔介质中孔隙的多少。孔隙率是孔隙体积与多孔介质总体积之比，其计算公式为27N1SSPV式中N孔隙率；V多孔介质总体积VP孔隙体积，VS固体骨架体积，孔隙率N是量纲为1的量，与颗粒大小无关，只和颗粒的排列方式有关。采空区孔隙率目前都是按照顶板岩石的碎胀系数计算，即28PNK式中KP采空区岩石碎胀系数。2、渗透性多孔介质的渗透性既可以用渗透率来衡量，即渗透率是多孔介质对流体的渗透能力，由达西定律给出；又可以用渗透系数来衡量。渗透率仅与多孔介质的组成结构颗粒大小、颗架分布、颗粒充填、比面、弯曲度和空隙率等有关，与其中的流体性质流体的密度、粘滞性等无关；而渗透系数则不但与多孔介质的组成结构有关，而且还与其中的流体性质有关。现有文献中关于渗透率的计算公式，多为经验性的和半经验性的公式，下面将介绍一种有代表性的计算公式。由多孔介质的CARMAN公式,渗透系数的计算公式为2923_180MDNK式中式中多孔介质骨架的平均粒径，MDN多孔介质的孔隙率。3、比面比面定义为单位体积多孔介质中的总表面积，它的量纲是长度的倒数。_M可表示为210_AV综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文16式中M比面，1CMV多孔介质的体积,3A体积V中的总表面积,2C如果多孔介质是由若干半径为R的圆球堆积排列构成，则其比面可以表示为211234/对于有M种不同半径球形颗粒所组成的多孔介质，其中半径为RI的圆球个数为个，则颗粒的总面积A和总体积V分别表示为212214MIIRN21331II其比面表示为214_M_22114/MMIIIIRNR4、压缩性多孔介质的压缩性用体积压缩系数来衡量。体积压缩系数指，当温度一定时，作用于多孔介质上的压强变化一个单位而引起的整个体积的变化率，其计算公式为2151DVP式中体积压缩系数，；1MAV多孔介质的总体积，3CMP作用于多孔介质上的压强，MPA。232采空区瓦斯的升浮根据环境流体力学理论，气体升浮产生的条件有两种一是气体由于受热体积膨胀，密度减小，从而产生密度差；二是气体对象中的含有物浓度相对周围气体中含有物浓度存在差异，从而产生密度差。采空区瓦斯升浮的根本条件是局部对象相对于它周围的气体存在着小于周围气体密度的密度差。综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文17瓦斯的主要成分是甲烷，它是无色、无味、无臭、可以燃烧或爆炸的气体。甲烷的密度为0716KG/M3标准状况下，为空气密度的0554倍，所以矿井内空气中如果有瓦斯聚集体的存在，则会因其本身与周围气体的密度差而会上升并漂浮，简称升浮。当综放开采含有瓦斯煤层时，会存在许多瓦斯涌出源，又由于采场覆岩裂隙带的存在，所以会出现局部瓦斯聚集或局部聚集瓦斯浓度较高的瓦斯，瓦斯会在破断裂隙发育区上升，并漂浮到断裂带顶部的离层裂隙发育区。浮力作用下的瓦斯运移，由于产生浮力源不同而有差别。当浮力源的作用是瞬时的，瓦斯运移是非定常的，例如瓦斯突出；当浮力源的作用是持续稳定的，瓦斯的运移是定常的，这时瓦斯受到垂向浮力、侧边剪切力阻力和与运移加速度相应的惯性力将构成局部的平衡。233采空区瓦斯的扩散根据FICK定律，扩散就是瓦斯分子在其本身浓度或密度梯度的作用下，从高浓度向低浓度方向运移。甲烷分子直径是041NM，其扩散速度是空气的134倍，涌出的瓦斯会很快的扩散到采场空间扩散按照原因可以分为纯扩散、压强扩散、强制扩散和热扩散。最为常见的一种是丰度混合物中某一种物质的含量不均匀的扩散，即纯扩散。只要有浓度梯度就会发生纯扩散，并且凡是出现其他形式的扩散，必然会同时发生纯扩散，所以纯扩散又称之为普通扩散。压强扩散指由于压强不均匀而产生的扩散，如大气层中的气体扩散。强制扩散指由于外力作用的不同而产生的扩散，例如电离气体中带电粒子在磁场和电场作用的17扩散。热扩散指若混合物中存在温度差，则产生热通量并且形成浓度梯度导致的扩散。多数情况下物质的扩散是两种或两种以上扩散形式的混合。采动影响不仅为瓦斯的升浮创造了条件，而且采场覆岩导气裂隙区域也为瓦斯的扩散创造了条件。上覆岩层裂隙的产生和原有孔隙的扩张，为进入采动裂隙区域的升浮瓦斯在其中存贮和扩散提供了介质基础，瓦斯分子会在其浓度或密度梯度的作用下，由高浓度向低浓度运移，从而产生扩散。对于井下采场周围及采空区气体，会发生纯扩散和压强扩散，但在通常情况下，空气中瓦斯的压强扩散作用项并不是一个大的数量级，压强扩散是可以忽略的，因此采场上覆岩层中瓦斯扩散可以认为是由浓度梯度引起的纯扩散。综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文18234采空区瓦斯的聚集综放面采空区的瓦斯运移使瓦斯漂浮在采动断裂带上部包含两个过程，一是来自本煤层或邻近层的瓦斯涌出的不均衡性和综放支架上方煤岩体的瓦斯局部聚集，由于与其周围环境气体存在密度差而升浮，在浮力作用下沿采动断裂带裂隙通道上升，上升中不断掺入周围气体包括漏风及少量围岩体涌出瓦斯使涌出源瓦斯与环境气体的密度差逐渐减小，直到密度差为零，混合气体则会聚集在断裂带上部的离层裂隙内。瓦斯升浮高度与本煤层及邻近层瓦斯含量及涌出强度成正比关系。二是混入空气中的瓦斯分子在其本身浓度或密度梯度作用下引起普通扩散。这样，从理论上解释了断裂带是瓦斯聚集带，并为覆岩采动断裂带内钻孔抽放瓦斯提供科学依据。24综放面采空区瓦斯运移基本方程进入采场的风流大部分流过工作面，少部分进入采空区，从而形成采空区漏风风流。采空区靠近工作面的部分，由于煤壁、支架等的支撑作用，垮落岩石还没有压实，因此孔隙率较大，风流流速比采空区后部大。采空区深部随着垮落岩体的逐渐压实，孔隙率变小，漏风流速越来越小。采场内的气体流动状态应由工作面的湍流向采空区深部的层流过渡的状态，实际上应包括湍流、过度流、层流三种流动状态。241采空区渗流基本方程1理想混合气体的状态方程采空区中的气体是由瓦斯、空气由于漏风所造成组成。在混合气体中，假设气体分子不具备体积，分子之间无作用力，即认为是理想气体，由各种理想气体混合起来的气体称之为理想混合气体。理想混合气体的状态方程为2160MPVRTM式中P绝对压力，PA；V混合气体体积，M3；M混合气体质量，KG；M混合气体摩尔质量，KG/MOL；R0普适气体常数，R0831J/MOLK；综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文19T绝对温度，K。2连续性方程质量守恒方程任何流动问题都必须遵守质量守恒定律。在流场中任取一封闭的空间，此空间称为控制体。质量守恒定律表述为单位时间内流体流入的质量与流出之差，等于同一时间间隔内控制体内部流体质量的增量。按照这一定律，由此可以导出流体流动质量守恒方程的微分形式为217A0UWTXYZ由于DIVA218/XYZAA上式也可以写作217B0DIVUT式中流场的密度；T时间；U为速度矢量，U,V,W分别为流速在X,Y,Z方向上的速度分量。通常将式32A和32B称为瞬态三维可压缩流体的质量守恒方程如果流体处于稳态，则密度不随时间变化，式32A变为2190VWUXYZ如果流体不可压缩，则密度为常数，式32A变为2200VUXYZ3动量守恒方程动量守恒是流体运动时应遵循的一个普遍定律，描述为在一给定的流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，其微分形式表示为式（221）如下所示XUUVWUUPFTXYZXYZYVVVT综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文20ZWUWVWWPFTXYZXYZX式中FX、FY、FZ单位质量流体上的质量力在X、Y、Z方向上的分量。P静压力。动量守恒方程也称作NAVIERSTOKES方程，简称NS方程。对于采空区渗流来说，其动量方程通常为首先通过进行试验获得压力与速度的耦合关系，然后依据该关系对动量守恒方程进行简化，经常用到的几种简化模型有二项式模型和指数模型。2222XXPJAUB223MK式中JX为X方向的压力梯度；KXX方向的渗透系数，AX为多孔介质的X方向粘性阻力系数；BXX方向惯性阻力系数。在式37和38中，令B0，M1，则这两式简化为达西定律（224）1XXPVKJA同样在Y、Z方向有（225）YYVJ（226）1ZZPWKA当渗透系数各向同性时，有KXKYKZ；当渗透系数均质时。K不随空间位置而变化，这样K是一个常量；否则当渗透系数非均质时，K是空间位置的函数，即KKX,Y,Z。4能量守恒方程能量守恒定律就是热力学第一定律，包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与表面力对微元体所做的功。流体的能量E通常是内能I、动能和势能P三项之和，可以对总能量建立能量E建立守恒方程。但是，这样得到的能量守恒方程并不是很好用，一般是综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文21从中扣除动能的变化，从而得到关于内能I的守恒方程。而内能I与温度T之间存在一定的关系，即ICPT。其中是CP是比热容。这样，可以得到以温度T为变量的能量守恒方程。227TPKDIVUIVGRADSTC该式可写成展开形式TPPPTKKKUVTWSTXYXCYCZC式中CP比热容；T温度；K流体的传热系数；ST流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时ST简称为粘性耗散项。通常将上式简称为能量方程。5瓦斯含量方程瓦斯含量是指单位重量或体积的煤中所含有的瓦斯量，包括游离瓦斯含量和吸附瓦斯含量。（228）0103WNRTABVPTAAXETX煤的天然瓦斯含量XA煤的游离瓦斯含量，XB煤的吸附瓦斯含量，V单位重量煤的孔隙容积，P瓦斯压力，MPA；T0、P0标准状态下的绝对温度273K与压力0101325MPA；瓦斯压缩系数；E自然对数的底，E2718；R实验室测定煤的吸附常数时的实验温度；T煤层温度；N系数，按下式确定综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文22242扩散运动方程煤、岩体是有孔隙裂隙组成的多孔介质。在裂隙系统中，瓦斯的流动多属于层流运动，而在小孔1UM与微孔01UM的运移主要是扩散运动，即瓦斯分子在其浓度的作用下由高浓度向低浓度方向运移。当瓦斯浓度梯度为DC/DL，在DT时间内，通过单位面积、单位扩散的瓦斯量DM可用菲克FICK定律来描述（2DCMDTL29）式中D瓦斯扩散系数，2/S瓦斯浓度梯度，DCL3DT时间，S；负号表示扩散发生在与浓度增加的相反方向根据菲克定律与质量守恒定律，扩散运动的微分方程为（22XXDTR30）式中X煤粒瓦斯含量，MR煤粒内任一点半径，M；T时间，S。25控制微分方程的建立251基本假设通常将采空区视为由松散煤体与岩层混合体组成的多孔介质，其中的流场可以应用多孔介质模型。由于松散煤体及垮落岩层中的孔隙通道极不规则，气体在其中的流动状态非常复杂，影响因素繁多，所以进行以下基本假设1采空区由冒落矸石和遗煤空隙构成的多孔介质，且由于矸石冒落和遗煤分布的随机性，近似将采空区多孔介质视为各向同性，孔隙率为常数。2采空区气体视为不可压缩理想气体，气体的流动整体上符合线性渗流规律，即达西定律。3气体中各组份之间不发生化学反应。综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学本科毕业论文234将气体的物理特性参数视作常数、不考虑其随温度的变化。252采空区气体流动方程将采场视为连续的渗流空间，忽略瓦斯引起气体密度的改变和紊流效应，运用质量守恒方程和动量守恒方程，推导得（231）IJJIIIIIJJIUUPGFTXXX式中UI、UJ渗流速度分量，M/SGI加速度分量，M/S2P气体压力，PA动力粘性系数，KG/MSF瓦斯流动阻力，PA/M,其中CI为瓦斯在空隙介质中的阻力系数，SAI为瓦斯流的上游面积。IIIAFU边界条件为进口边界给定速度UI，瓦斯浓度C、瓦斯质量流量J等在各边界涌入的量，U和C按实测或设定值给出；当有瓦斯流入的边界，瓦斯流入强度由该界面的法向速度给出，并给出相应边界的瓦斯浓度值。出口边界给定流场压力P的值。253采空区瓦斯的动力弥散方程采空区内瓦斯的实际流动和扩散过程为三维动力弥散过程，其运移的主要机制是机械弥散对流扩散、分子扩散和煤岩各组分气体的相互作用。在采空区内，当瓦斯气体流速相对较大时，机械弥散是主要的，只有当瓦斯流速甚小时，瓦斯的分子扩散现象才变的明显。由于瓦斯在采空区的流速相对较大，并且在一般情况下瓦斯和其他组分气体不发生化学变化，因此瓦斯在采场中运移时，机械弥散起主要作用，而分子扩散效应相对很小。整个弥散过程是一个稳定的、不可逆转的过程。考虑321节的假设，影响采空区瓦斯浓度分布的主要因素有瓦斯的源与汇，瓦斯可以通过源与汇而进入或者离开采空区域；宏观对流，采空区中的瓦斯随着采空区气体的宏观流动而从一部分流动到另一部分；瓦斯的动力弥散，由于机械弥散与分子扩散的作用，使瓦斯比单纯的宏观对流扩展的范围大。根据质量守恒方程和FICK扩散定律，可以得出采空区内瓦斯等多组分气体综采工作面瓦斯运移理论研究与数值模型安徽建筑大学