抽放条件下采空区流场的叠加方法研究

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，摸清采空区在各种复杂边界条件下的流场具有重要意义。瓦斯抽放是解决工作面上隅角瓦斯超限问题的根本措施，但同时也增加了采空区遗煤自燃的可能性。本项目以偏微分方程理论为基础，将线性叠加原理应用到采空区流场的数值计算和相似模拟中，通过叠加简单抽放措施下采空区流场得出多种抽放措施不同组合条件下的采空区流场，分析各种抽放组合的抽放效果及其对采空区自燃发火趋势的影响。叠加原理的应用可使对复杂边界条件下的采空区流场的全方位研究所需的数值实验和相似模拟实验数目大为减少，从而在较大程度上简化复杂流场问题的求解。项目研究以陕西彬长矿区高瓦斯易自燃煤层工作面的安全回采为现实需求背景，采用现场观测、数值模拟和相似模拟相融合的技术手段，研究成果将具有一定的理论和实践意义。

本项目在申请人及项目组成员等的协助下，已按预定计划按期完成任务。. 在项目研究过程中，申请人证明了采空区漏风流场、浓度场、温度场在一定简化条件下均满足偏微分方程叠加原理，并在此基础上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。研究表明，采空区渗透率的分布形态决定采空区压力场的分布形态，进而影响采空区速度场分布形态。当采空区渗透率分布形态不变、仅仅是各处渗透率的大小同比变化时，采空区压力分布形态和大小均保持不变，而采空区速度场分布形态不变但是各处的速度大小同比变化；当采空区渗透率分布形态变化时，采空区压力场与速度场分布形态均发生变化。特别地，对于各向同性均质渗透率，采空区压力场与渗透率无关，速度场与渗透率成反比变化。在采空区渗透率分布形态方面，申请人提出了采空区“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。..申请人完成了基于FLUENT二次开发的流场和浓度场的叠加程序superposition，使得具有复杂边界条件和源项的问题的求解可完全脱离FLUENT软件，这在很大程度上实现了直观、快速、简捷的目的。. 为了研究高抽巷垮落的特性，进而分析高抽巷抽采对采空区流场的影响，申请人及其项目组成员在大佛寺矿40108工作面高抽巷设计了高抽巷垮落特性现场观测装置，成功的观测到了工作面推过测点之后高抽巷分段垮落的现象，并据此分析得出高抽巷垮落大致与工作面周期来源同步的结论。鉴于该观测装置的独创性，申请人及项目组成员拟以“高抽巷垮落观测装置”为题申请实用新型发明专利。.申请人及项目组成员在实验室其它教工的帮助下，搭建了采空区流场相思模拟实验台，对采空区渗流速度场、浓度场满足叠加原理的程度进行了验证。后期拟对采空区渗流极微小风速的观测装置展开进一步深入的研究，以提高采空区流场观测的精度。.在项目执行期间，申请人及项目组成员共完成论文13篇，其中5篇核心，8篇国际会议（含5篇EI检索）。