D010.13374斤.issn10153x.200.12.00l 第32卷第12期 北京科技大学学报 Vol 32 N9 12 2010年12月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Deg 2010 采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 姚 伟12)金龙哲)张君) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京市劳动保护科学研究所，北京100054 摘要依据Dac定律，在NaverSp©ks方程的基础上，对祁南煤矿综采工作面采空区瓦斯抽放问题作了计算分析，并进行 了CD数值模拟.从理论上模拟采空区瓦斯聚集过程，直观展示了瓦斯抽采时采空区流态、瓦斯分布变化.把抽放钻孔布置 在项板裂隙内，结合上隅角埋管实施瓦斯抽放，该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用，现场管路测量 显示，可抽出高浓度瓦斯达30%~8%（体积分数），工作面回风瓦斯的体积分数基本控制在0.3%以下. 关键词采矿：采空区：钻孔：瓦斯抽放：数值分析：模拟 分类号D712.5 Numerical simulation of gas dranage with h gh positon boreholes n goaf YAO We;2).JIN Long e.ZHANG Ju 1)SchoolofCivil and Envirarmenl Engineering University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 China 2)BeijngMunicpal hstitute of LabourPoctin Beijng 10004 Chna ABSTRACT Gas distrbution and fbwing inQnanMne were caku lted and anayzed bym eas of the Navier-Socks pmul based on the Darcy law and then the method ofCH)numerical siulaton was used p visually display the result The gas collection course in the falling porousmed a at he upper comerofgoafwas sin ulated hheoreticaly which cleary illustrated the gas move ent and fow pat tem n goafwhen the gas was draned Based on the smulaton resu lt the gas was drained through hgh-position boreholes placed in the fracture area n Qnan Mne and it was proved to prevent he gas frm flowing to he upper comer As a result pipingm easure ments shoy the gas concentration in the drainage p pelne reached p about30 p 80 and the gas concentration of retum air was lowered to as low as0 3%. KEY WORDS minng goaf boreholes gas drainage numerical analysis smu ation 防治瓦斯灾害事故的主要技术措施是瓦斯抽 1瓦斯的渗流特性及流场控制方程 放回，在瓦斯富集的采空区深部，瓦斯最高浓度为 工作面瓦斯浓度的几十倍甚至是上百倍.目前全国 煤炭开采过程中，上覆岩层随回采工作面的推 133个抽放矿井每年抽放总量达到6.3亿m,采空 进不断发生破裂、弯曲下沉变形运动，使采场围岩产 区瓦斯抽放量仅占其中的1/5引.采空区瓦斯抽放 生大量的裂隙.采空区岩块间孔隙的特点决定了可 利用相对落后，其中缺乏理论研究和有效的分析手 以用流体力学理论中的孔隙介质（多孔介质）模型 段是重要原因.掌握采空区瓦斯分布和流动规律， 描述整个采空区，即把气体在岩层中的运动看成在 是研究工作面合理通风方式、防治自然发火以及瓦 具有一定孔隙分布的孔隙介质中的连续介质运动. 斯治理的关键技术基础.本文运用CD模型模 工作面有与大气连通的通风设施，因此气压相 拟采空区钻孔抽放过程中瓦斯流动及分布规律的方 对较低.瓦斯在压力梯度的作用下，由煤层渗透扩 法和结果，确定出合理的抽放参数 散到采空区，继而进入巷道.这个流动过程中，瓦斯 收稿日期：2010-03-03 作者简介：姚伟(197-)，男，博士研究生：金龙哲(1963-)，男，教授，博士生导师，Ema1j@ce5us6dycn第 32卷 第 12期 2010年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.12 Dec.2010 采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟 姚 伟 1, 2) 金龙哲 1 ) 张 君 1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 北京市劳动保护科学研究所, 北京 100054 摘 要 依据 Darcy定律, 在 Navier-Stocks方程的基础上, 对祁南煤矿综采工作面采空区瓦斯抽放问题作了计算分析, 并进行 了 CFD数值模拟.从理论上模拟采空区瓦斯聚集过程, 直观展示了瓦斯抽采时采空区流态、瓦斯分布变化.把抽放钻孔布置 在顶板裂隙内, 结合上隅角埋管实施瓦斯抽放, 该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用, 现场管路测量 显示, 可抽出高浓度瓦斯达 30% ～ 80%(体积分数 ) , 工作面回风瓦斯的体积分数基本控制在 0.3%以下. 关键词 采矿;采空区;钻孔 ;瓦斯抽放;数值分析;模拟 分类号 TD712 +.5 Numericalsimulationofgasdrainagewithhighpositionboreholesingoaf YAOWei1, 2) , JINLong-zhe1) , ZHANGJun1) 1) SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) BeijingMunicipalInstituteofLabourProtection, Beijing100054, China ABSTRACT GasdistributionandflowinginQinanMinewerecalculatedandanalyzedbymeansoftheNavier-Stocksformulabased ontheDarcylawandthenthemethodofCFDnumericalsimulationwasusedtovisuallydisplaytheresult.Thegascollectioncoursein thefallingporousmediaattheuppercornerofgoafwassimulatedtheoretically, whichclearlyillustratedthegasmovementandflowpat￾terningoafwhenthegaswasdrained.Basedonthesimulationresult, thegaswasdrainedthroughhigh-positionboreholesplacedin thefractureareainQinanMine, anditwasprovedtopreventthegasfromflowingtotheuppercorner.Asaresult, pipingmeasure￾mentsshow, thegasconcentrationinthedrainagepipelinereachedtoabout30% to80% andthegasconcentrationofreturnairwas loweredtoaslowas0.3%. KEYWORDS mining;goaf;boreholes;gasdrainage;numericalanalysis;simulation 收稿日期:2010--03--03 作者简介:姚 伟 ( 1977— ), 男, 博士研究生;金龙哲 ( 1963— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:lzjin@ces.ustb.edu.cn 防治瓦斯灾害事故的主要技术措施是瓦斯抽 放 [ 1--2] , 在瓦斯富集的采空区深部, 瓦斯最高浓度为 工作面瓦斯浓度的几十倍甚至是上百倍.目前全国 133个抽放矿井每年抽放总量达到 6.3亿 m 3 , 采空 区瓦斯抽放量仅占其中的 1/5 [ 3] .采空区瓦斯抽放 利用相对落后, 其中缺乏理论研究和有效的分析手 段是重要原因.掌握采空区瓦斯分布和流动规律, 是研究工作面合理通风方式 、防治自然发火以及瓦 斯治理的关键技术基础 [ 4] .本文运用 CFD模型模 拟采空区钻孔抽放过程中瓦斯流动及分布规律的方 法和结果, 确定出合理的抽放参数. 1 瓦斯的渗流特性及流场控制方程 煤炭开采过程中, 上覆岩层随回采工作面的推 进不断发生破裂、弯曲下沉变形运动, 使采场围岩产 生大量的裂隙 .采空区岩块间孔隙的特点决定了可 以用流体力学理论中的孔隙介质 (多孔介质 )模型 描述整个采空区, 即把气体在岩层中的运动看成在 具有一定孔隙分布的孔隙介质中的连续介质运动 . 工作面有与大气连通的通风设施, 因此气压相 对较低.瓦斯在压力梯度的作用下, 由煤层渗透 --扩 散到采空区, 继而进入巷道.这个流动过程中, 瓦斯 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .12 .001