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采空区漏风流场与瓦斯运移的叠加方法研究

王红刚  
【摘要】: 采空区漏风是造成工作面上隅角瓦斯超限和采空区遗煤自燃的直接原因,因而摸清采空区在各种复杂生产边界条件下的漏风流场就显得尤为重要。由于采空区工作人员无法出入,通过现场检测手段准确获知其中各种物理量的分布规律是十分困难的,而实物相似模拟试验又需要大量的人力物力。因此,许多学者采用计算流体力学的方法,针对不同的采煤工作面,通过数值模拟试验研究其采空区的流场,取得了一定的成果。但是,不同的采空区边界条件差别很大,即使同一采空区,在不同时期其边界条件也不尽相同,这就使得对具体的采空区进行数值模拟试验的结果很难推广到其它采空区;另一方面,如果对各种不同采空区在不同边界条件下进行数值模拟,则需要耗费巨大的计算机资源。 本文以偏微分方程理论为基础,通过对采空区渗流流场和瓦斯浓度场控制微分方程的分析,将线性叠加原理应用到采空区流场的数值计算中,简化了具有复杂边界条件和源项的流场问题的求解,减少了所需要的数值模拟试验次数和模拟时间,实现了采空区流场数值模拟领域从个性到共性、从特殊到一般、从具体到抽象的升华,为将来采空区流场在线实时分析奠定了理论基础,提供了技术保障。 在研究的过程中,本文推导了叠加原理通用公式、采空区浓度场计算公式、采空区渗透率与瓦斯浓度之间的关系式以及工作面风量与采空区漏风量之间的关系式等一系列公式,这些公式分别在不同的方面简化了采空区流场问题的求解。在采空区渗透率分布形态方面,本文提出了采空区“自由堆积渗透率假设”,为采空区渗透率的分布确定了合理的边界条件,有利于更为准确地描述和研究采空区的渗透率分布。基于“自由堆积渗透率假设”的采空区氧化升温带分布可以在一定程度上对工作面快速推进时仍存在的零星自燃发火现象做出解释。这些公式和假设及其应用,构成了本论文的核心内容。 针对现场应用,以陈家山416工作面2006年11月份的生产跟踪数据为基础,应用叠加原理及本文推导的相关公式,在不同抽放条件下对工作面和采空区的耦合流场进行了计算和分析,对416工作面所采取的采空区瓦斯综合治理措施的有效性做了验证。


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