基于CFD的采空区三维流场分析及注氮参数优化研究

注氮是煤矿采空区发生自然发火征兆时常用的抑制措施,因其效果显著、安全可靠等特点被广泛应用于采空区灭火实践。注氮位置选取、注氮量的多少等直接影响注氮的效果及成本;采用数值模拟及现场实测相结合的方法,对注氮防灭火参数进行优化。以试验工作面为原型建立仿真物理模型,通过现场实测数据验证模型的有效性。在开展数值模拟试验的过程中,通过研究不同注氮位置、不同注氮流量等对采空区“三带”的影响,找到最优注氮参数,并进行了现场实测验证。研究结果表明,注氮口在进风侧距离工作面50 m处、注氮流量1 000 m~3/h时,注氮效果良好且成本最低。

采空区注氮防灭火技术的优化设计及工艺改进

为降低遗煤自燃危险性,增强注氮防灭火效果,通过模拟分析不同注氮位置、注氮量下采空区氧浓度分布情况,确定最佳注氮量为1400 m^(3)/h、注氮位置为距工作面40 m处;将注氮工艺由间隔式改为非间隔式注氮工艺,并采用悬挂挡风帘、搭挡风墙措施可防止氮气的流出。改进后,采空区内CO浓度先增大后降低,且进回风巷CO浓度均小于最高CO浓度0.024‰,表明该注氮工艺能够抑制采空区煤的自燃氧化。进遗传算法优化双环管网案例和河内管网案例,与多种算法对比,证明了改进遗传算法在实际应用中的可行性。

注氮孔过煤自燃“三带”过程中注氮量的动态优化研究

在工作面回采过程中,注氮孔逐渐从散热带进入氧化带,最终进入窒息带。根据注氮孔所处煤自燃“三带”位置,动态优化注氮量,可有效提高防灭火效率。通过建立的采空区注氮模型,分析了注氮位置对氧化带分布的影响,总结了注氮量动态优化规则。结果表明:注氮孔在氧化带时的注氮效果最好,散热带次之,窒息带最差。因此,当注氮孔在散热带时,要适当增加注氮量;当注氮孔进入窒息带时,要及时更换注氮孔位置。

“两进一回”复杂采场采空区注氮防灭火模拟

为研究偏"W"型"两进一回"通风方式下瓦斯和氧气浓度分布规律及采空区注氮防灭火技术,建立了偏"W"型通风方式下存有遗留巷道采场的三维物理模型.在将采空区孔隙度设置为非均匀连续分布的条件下,运用Fluent软件对采空区压力场、速度场及瓦斯抽采情况进行了数值模拟,并且模拟分析了不同注氮量不同注氮口位置采空区惰化效果.研究结果表明:工作面两端压差和漏风规律及采空区瓦斯和氧气浓度分布规律与现场实测结果相接近;随着瓦斯抽采强度增大,采空区最高瓦斯浓度减小,氧化带宽度在皮带巷侧有缩小趋势,在轨道巷侧有增大趋势;段王煤矿150405工作面最合适的注氮量约为1 140 m3/h,其最佳注氮位置距工作面40 m左右.

采空区注氮参数设计及三维流场分析

为了合理设计采空区注氮防火方案,以南山矿18-5采空区为研究背景,利用FLUENT软件,结合含变渗透系数的Forchheimer运动方程,对具有抽放巷和注氮管的复杂采空区模型三维流场进行了数值分析。结果表明,大流量注氮在采空区浅部即可取得很好的氧气惰化效果,随着注氮管的深入,惰化效果逐渐降低;小流量注氮取得的惰化效果具有相反的变化趋势,即二者存在不同的最佳注氮位置;受抽放巷影响,模型回风侧存在氧气富集区,仅靠注氮无法对其有效稀释,应配合工作面长距离封堵,减弱高抽巷引起的漏风。依据研究结论和现场施工条件,设计了合理的防火方案,在注氮工作之前,应首先对采空区规模、通风条件和制氮设备能力进行预先评估。

采空区非间隔性注氮防火效果及施工参数

为了考察采空区非间隔性注氮的防火效果及确定合理施工参数,根据质量、动量和组分守恒方程建立反映采空区气体体积分数变化的数学模型,利用FLUENT软件通过对该模型求解,对塔山矿自燃"三带"进行预测,并确定了最佳注氮位置和注氮量。研究结果表明:注氮位置应和氧化带保持一段距离,这样可以给氮气一定的预留空间充分破坏采空区内流场。在一定条件下,单纯靠提高注氮量的防火效果提升有限,需要配合其他措施实现综合防治。最后利用动网格技术比较了非间隔性注氮和传统循环注氮的注氮效果,结果显示采用传统注氮工艺由于注氮口位置在工作面推进过程中逐渐偏离设计位置导致注氮效果降低,研究结论从采空区防火的角度对非间隔性注氮的必要性进行论证。

采空区注氮参数与氧化带分布关系研究

为了采取合理的注氮方案降低采空区自燃危险性,利用FLUENT软件模拟了注氮前后采空区自燃带范围的改变情况,并分析了注氮位置和注氮量对采空区氧化带位置分布的影响,从中拟合出最佳的注氮参数。依据理论研究结果,取得了理想的现场注氮效果,研究结论可为类似采空区防火工作提供参考。

寸草塔二矿注氮防灭火数值模拟研究

为明确不同注氮条件对遗煤自燃的影响,利用矿井束管监测系统测得某工作面采空区“三带”范围,并采用Fluent模拟软件,建立该工作面采空区不同注氮条件下的自燃“三带”迁移模型,以确定最佳注氮位置、注氮温度、注氮流量,并在寸草塔二矿开展现场试验,验证该模型的科学性和有效性。结果表明:注氮出口位置距工作面30 m时,回风侧氧化带宽度最小值为25 m,注氮效果最佳;氧化带宽度随注氮流量的增加呈减小趋势,当注氮流量达到900 m3/h,对采空区氧化带范围整体控制效果较好;注氮气体温度越低,覆盖氧化带范围越广,且对采空区有一定降温效果;在该工作面开展注氮防灭火现场应用过程中,采空区氧化带最大宽度由40.4 m降低至15.2 m,氧化带最大宽度降低61.4%,防灭火效果显著。

综采放顶煤注氮防火合理参数的确定方法

本文建立了注氮防火采空区内氮气流动的数学模型，提出了划分“三带”的计算方法及确定命理注氮位置、合理注氮流量的方法，并进行了实例计算。

采空区注氮对瓦斯爆炸危险区的影响数值模拟

为研究注氮对高瓦斯矿井采空区内瓦斯爆炸危险区的影响,以安徽许疃煤矿3235工作面为实例,使用COMSOL多物理场耦合模拟软件建立采空区注氮模型,分析了不同注氮流量及注氮位置条件下采空区气体运移规律,并依据线性叠加的数学原理对采空区瓦斯爆炸危险区进行划分,分析其分布特征。通过对比研究发现:随采空区注氮流量的增加,爆炸所需最低浓度的氧气和爆炸极限内的甲烷,分别有向工作面和采空区移动的趋势,瓦斯爆炸危险区的最大宽度以及面积均呈现减小趋势;注氮位置和瓦斯爆炸所需氧气体积分数的危险区域,在一定范围内呈现负相关性。

综放工作面采空区“三带”实测及注氮管步距确定

针对马道头煤业有限责任公司井下煤层赋存特点,根据采空区防灭火需要,确定在特定注氮量下采空区“三带”分布规律,以合理进入采空区注氮管末端位置,为二叠系特厚煤层综采低位放顶煤开采工作面采空区“三带”划分、注氮管路步距提供依据。

注氮对采空区氧气分布影响的数值模拟

为了探究不同注氮参数下采空区氧气的分布情况,运用FLUENT软件建立三维数学模型,模拟了采空区氧气分布并与实测数据进行了比对。然后计算了不同注氮量、注氮深度、注氮高度的情况下,注氮对采空区氧气分布的影响规律。结果表明:注氮可以明显的改变进风侧的氧浓度场,随注氮量增加效果逐渐明显。110204工作面合理的注氮量为350 m3/h,最佳的注氮位置距工作面40 m左右。注氮对采空区氧浓度场的影响主要集中在进风侧,注氮情况下回风侧三带观测数据具有较好的参考性;注氮口高度的变化对注氮效果有明显的影响,较高的注氮位置对底部浮煤中氧浓度的影响较小。

高抽巷抽采下采空区注氮对煤自燃氧化带的影响

为了研究高抽巷抽采与不同注氮条件结合下采空区自燃氧化带的分布变化规律,在高抽巷抽采条件下,设置6种不同的注氮释放口位置和4种不同注氮量,研究进、回风侧采空区自燃氧化带的宽度及其距工作面距离的分布变化情况。结果表明:设置高抽巷可以促使煤自燃氧化带向采空区内部移动,且氧化带宽度增加;位置点5为最佳注氮释放口位置,此时进风侧氧化带宽度最窄,距工作面距离最远,回风侧氧化带宽度较窄且距工作面距离较远;最佳注氮量为360 m^(3)/h,改变注氮量对采空区进风侧的影响大于回风侧,对氧化带宽度的影响大于对距工作面距离的影响。

8.8m超大采高工作面煤自燃防治经验探讨

超大采高工作面煤自燃监测数据包括气体浓度、温度等,研究方法包括实验、数值模拟、现场观测等。现有研究大多未考虑各指标之间的关系,研究手段及数据分析方法单一。针对该问题,以上湾煤矿采高为8.8 m的12401工作面为例,通过煤自燃实验、现场“三带”实测及数值模拟相结合的方式,分析煤自燃火灾过程中气体浓度与温度之间的关联关系,总结采空区内因火灾发火规律和特征。建立地面钻孔注氮模型,反演了采取注氮措施前后O_( 2)浓度场、CO浓度场、温度场和“三带”分布变化规律;针对高温异常区域,根据数值模拟结果选取注氮位置,采用地面与井下一起注氮的方式降低火灾危险性。研究结果表明:CO可作为预测煤自燃的指标气体,CO_( 2)和CH_( 4)不能作为指标气体,C_( 2)H_( 6),C_( 2)H_( 4),C_( 2)H_( 2),H_( 2)可作为辅助指标气体;采取注氮措施后,氧化升温带的宽度大大减小,CO体积分数明显降低,最高点温度迅速下降,惰化效果显著;高温异常区域CO体积分数及温度有逐渐下降的趋势,验证了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。