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注氮条件下采空区氧气浓度分布的数值模拟研究

作　者: 史磊
导　师: 秦汝祥
学　校: 安徽理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 注氮气体浓度自燃“三带” 数值模拟
分类号: TD752.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文利用数值模拟方法对不同通风方式下及不同注氮条件下的采空区氧浓度场展开了研究。根据流体力学和多孔介质的基本理论,建立了工作面与采空区统一流场的数学模型,运用计算流体力学的方法,对采空区流场及注氮条件下的氧气浓度分布规律进行了模拟,通过模拟优化了注氮参数。在现场实测及理论分析的基础上,分析了采空区孔隙率分布和气体渗流阻力,采用试算法确定了采空区冒落煤岩的渗透率、孔隙率和粘性阻力等参数。根据氧浓度场划分了采空区自燃“三带”,研究了不同注氮方式下U型、U+L型和Y型通风方式下的采空区自燃“三带”范围的变化特征,结果表明：(1)U型通风方式下,随着注氮量的增加,采空区自燃带范围逐渐缩小,自燃带的位置越靠近工作面。注氮量180.12m3/h时,为抑制遗煤自燃的最低值；注氮口位置距工作面10-30m时,采空区自燃带范围较小,在25m～35m之间,反算得到的安全回采速度低于正常推进速度(2m/d)；注氮口位置距工作面10m时,自燃带范围最小,为25m。(2)U+L型通风方式时,随着注氮口位置变化,采空区自燃带范围也不一样,注氮口位置距工作面30m时,自燃带范围最小为31m,安全回采速度1.9m/d；随着注氮量的增加,采空区进风侧自燃带宽度收缩明显,而回风侧自燃带宽度变化不大,注氮口位置距工作面30m时的最佳注氮量为180.12m3/h。(3)Y型通风方式时,未注氮条件下的采空区自燃带宽度达到82m,反算得到的安全回采速度约为3.6m/d。注氮量295.92m3/h时,对于防止Y型通风采空区自燃效果明显；采空区的合理注氮口位置为20-30m,自燃带范围较小为29-32m,而注氮口位置20m时,自燃带范围最小为29m。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-22
  1.1 选题的背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-21
    1.2.1 煤炭自燃理论研究现状  14-17
    1.2.2 采空区渗流力学的研究现状  17-18
    1.2.3 采空区氧气浓度分布研究现状  18-19
    1.2.4 采空区自燃“三带”划分理论研究现状  19-20
    1.2.5 采空区注氮防灭火技术研究现状  20-21
  1.3 本文研究的主要内容及研究方法  21-22
2 采空区流场数值模拟的理论基础  22-46
  2.1 采空区多孔介质及其渗流特征  22-27
    2.1.1 多孔介质的概念  22
    2.1.2 多孔介质的基本参数  22-24
    2.1.3 采空区孔隙率分布特征  24-26
    2.1.4 渗流及渗流速度  26-27
  2.2 采空区氧浓度场模拟条件的基本假设  27-28
  2.3 采空区内主要气体成分  28
  2.4 采空区气体流动数学模型  28-37
    2.4.1 连续性方程  29-32
    2.4.2 动量守恒方程  32-35
    2.4.3 能量方程  35-37
    2.4.4 氧浓度方程  37
  2.5 CFD解算过程及采空区数学模型的离散化  37-44
    2.5.1 CFD的求解过程  37-39
    2.5.2 模型离散的方法  39
    2.5.3 有限体积法离散原理及其离散格式  39-40
    2.5.4 控制方程的离散化  40-44
  2.6 FLUENT在本文数值模拟中的应用  44
  2.7 本章小结  44-46
3 数值模拟结果验证及相关参数确定  46-63
  3.1 U型工作面采空区氧浓度分布实测  46-48
    3.1.1 试验工作面的基本情况  46
    3.1.2 采空区氧气浓度分布实测  46-48
  3.2 实测结果及分析  48-55
  3.3 采空区流场的数值模拟  55-58
    3.3.1 物理模型  55-56
    3.3.2 网格划分  56-57
    3.3.3 边界条件  57-58
  3.4 模拟结果分析及参数确定  58-61
  3.5 本章小结  61-63
4 不同通风方式下注氮对采空区氧气浓度分布影响  63-86
  4.1 注氮量计算  65-66
  4.2 模拟方案  66-67
  4.3 U型通风方式注氮参数优选  67-73
    4.3.1 物理模型  67
    4.3.2 边界条件  67-68
    4.3.3 数值模拟结果分析  68-72
    4.3.4 结论  72-73
  4.4 U+L型通风方式注氮参数优选  73-79
    4.4.1 物理模型  73
    4.4.2 边界条件  73-74
    4.4.3 数值模拟结果分析  74-78
    4.4.4 结论  78-79
  4.5 Y型通风方式注氮参数优选  79-85
    4.5.1 物理模型  79-80
    4.5.2 边界条件  80
    4.5.3 数值模拟结果分析  80-84
    4.5.4 结论  84-85
  4.6 本章小结  85-86
5 结论与展望  86-88
  5.1 结论  86-87
  5.2 展望  87-88
参考文献  88-92
致谢  92-93
作者简介及读研期间主要科研成果  93

注氮条件下采空区氧气浓度分布的数值模拟研究

内容摘要

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