为了研究采空区内瓦斯运移规律及浓度分布情况,利用Gambit软件建立采空区瓦斯流场三维网格,采用Fluent数值模拟软件对义煤集团新安煤矿14211沿空留巷综放工作面的瓦斯流场进行数值模拟,分析了上隅角瓦斯抽放的效果及其对采空区瓦斯分布的影响特征,得到了采空区沿工作面走向、倾向和竖向3个不同方向上瓦斯浓度的分布规律。研究表明,上隅角采空区用13 kPa的负压进行铺管抽放,采空区内最高瓦斯浓度下降了50%,可以有效解决上隅角瓦斯超限问题;由于瓦斯上浮,在采空区高度方向上存在高瓦斯区域,有必要采取高抽措施。

为了研究高瓦斯煤层孤岛工作面采空区的流场分布规律,以天池矿15102孤岛工作面为对象,采用FLUENT数值模拟软件,对15102工作面采空区的风流场、氧浓度场、自燃三带以及瓦斯浓度场分布进行了模拟,并根据模拟结果进行了现场应用。结果表明:与孤岛工作面进风侧相邻的采空区局部存在自燃危险性,通过采用FR-1阻化泡沫灌注采空区,可有效预防15102孤岛工作面采空区浮煤自然发火,保证工作面的安全回采。

依据煤层开采后冒落带分布特征,结合覆岩采动裂隙"O"型圈理论,将采空区进行分区,建立物理模型,根据采空区多孔介质特性,分析不同区域的平均碎胀系数、渗透率、孔隙率,在fluent中分区设置参数,模拟分析采空区流场和瓦斯分布特性。

为了找出Y型通风工作面采空区中瓦斯流场的分布规律,为采空区瓦斯治理提供理论依据,应用流体力学模拟软件Fluent对两进一回Y型通风工作面采空区流场、瓦斯浓度场的分布进行了模拟研究,得到采空区瓦斯流动及浓度分布规律为:沿走向向采空区深部瓦斯浓度逐渐增大,沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大,沿空留巷的末端是能位的最低点,漏风向沿空留巷末端方向流动,可以解决上隅角瓦斯积聚问题。

为了对比分析U型通风与J型通风采空区流场运移规律,建立了U型通风与J型通风采空区二维模型,用Fluent软件对其流场进行了模拟。结果表明:无论U型通风还是J型通风,沿采空区走向瓦斯浓度都逐渐增大,但U型通风采空区深部瓦斯浓度(高于80%)要远高于J型通风采空区深部瓦斯浓度(10%左右);J型通风条件下漏风风流携带瓦斯向采空区深部运移,工作面上隅角瓦斯浓度较低,仅为0.1%~0.2%,而U型通风部分漏风风流经采空区后又携带瓦斯进入工作面,上隅角瓦斯浓度达到1%~5%;J型通风相比U型通风能较好解决上隅角瓦斯积聚问题。

为有效挖掘瓦斯涌出量监测数据隐含特征,预防瓦斯动力灾害,基于希尔伯特-黄变换(HHT)方法、布谷鸟搜索算法(CS)和极限学习机(ELM)基本理论,构建了瓦斯涌出量的HHT-CSELM动态预测模型。通过EMD将样本序列分解成多个不同频率的本征模态函数(IMF)分量;利用Hilbert变换获取各分量的瞬时频率,并据此将IMF分量划分成较高频和低频,采用不同的预测模型进行预测,经叠加各预测值得到最终预测结果。以汾西矿业集团某矿瓦斯涌出量监测数据为例进行仿真实验,结果表明:HHT方法能有效降低数据复杂度,其最小相对误差为0.144%,最大相对误差为0.388%,平均相对误差为0.281%,具有较高的预测精度和泛化能力;更好地适用于非平稳时间序列预测。

为提高工作面瓦斯涌出量预测的效率和准确率,提出了一种将遗传算法(GA)与极限学习机(ELM)相结合的瓦斯涌出量预测的新方法。为了避免ELM受输入权值矩阵和隐含层偏差随机性的影响,算法采用GA对ELM的输入权值矩阵和隐含层偏差进行优化,建立GA-ELM瓦斯涌出量预测模型。利用某矿瓦斯涌出量相关数据对该模型进行了实例分析,将ELM、SVM和BP算法预测结果与该模型进行了对比分析。结果表明:GA-ELM模型具有较高的预测精度,可以相对准确、高效地对工作面的瓦斯涌出量进行预测。

针对目前应用于煤炭行业的瓦斯发电预处理系统不能很好地满足煤矿安全要求及其自动化程度不高等问题,提出了一套符合煤矿安全规程的瓦斯发电预处理系统的设计方案,阐述了该系统的结构、各功能单元的实现方法及软件设计方案。该系统在结构和控制方法上对现有的瓦斯发电预处理系统进行了创新设计,即增加了阻火防爆单元、除湿单元增加了气水分离器和自动放水器、采用PID控制器对关键环节进行控制等。实际应用表明,该系统较现有的瓦斯发电预处理系统提高了发电机组输出功率和发电效率,延长了机组运行时间和寿命,且具有较高的安全可靠性。

对深部矿井红阳二矿瓦斯突出防治中的难题进行了分析,针对井下条件开展了水力压裂增透防突技术研究。对水力压裂钻孔注水量、注水压力、钻孔布孔方式等参数进行了设计,通过考察注水时间、保压效果等参数对水力压裂注水效果,提出了影响水力压裂注水效果的关键因素;通过水力压裂后压裂影响范围内3个关键区域瓦斯抽采量与未压裂区域的对比考察,对水力压裂增透范围和增透效果进行了分析。从增透范围和增透效果看,水力压裂技术提高了煤层透气性,增加了煤层瓦斯抽采量,加快了煤层消突速度,保证了煤矿的采掘接替和安全生产,对相似条件的深部矿井瓦斯突出防治工作具有较好的借鉴作用。

以红阳三矿瓦斯地质勘探及煤层气试验井资料为基础,分析了该矿800 m以深区域瓦斯生储赋存条件,运用层次分析-模糊数学综合评判法评估了深部煤层的瓦斯突出危险性。结果表明:该矿高变质程度、高镜质组含量的煤层利于瓦斯生成,大埋深、厚层低透气性的盖层利于煤层瓦斯保存。