Multiple simulation experimental studies of gas emission, distribution and migration rules in mine ventilation system and goaf area

Abstract

Gas problems have created severe difficulties for the mining industry around the world, leading to high expenditures and intensity research efforts, and determined attempts to enhance the various ventilation optimization and gas drainage techniques. Meanwhile, gas research is thriving in recent years, and gas drainage technology will continue to be a growing industry over the coming decades in many mining countries. Safety mining technologies including field investigation, numerical simulation and laboratorial experiments have been improved to develop a better understanding of the causes of mine gas-related disasters over the last two decades. In addition, new and multiple gas control strategies and technologies have been developed, including optimizing the ventilation system constantly, preventing goaf spontaneous combustion timely, enhancing gas risk management effectively, determining the gas emission zone exactly, and implementing a reasonable gas drainage plan correctly. The first part of the dissertation introduces a multiple gas disaster prevention, control and reduction strategy. Firstly, the basic theories of gas emission, distribution and migration are discussed. Then a numerical prediction model based on a specific coal mine is established to predict its gas emission. The second part of the dissertation offers the establishment of the numerical simulation model (CFD) and laboratorial experimental model for the purpose of discussing the gas distribution and migration rule and determining the most effective gas drainage zones in the working face and goaf. Both of the numerical simulation results and the laboratorial experimental results also demonstrate that the most effective gas drainage spot constantly varies with the area where mining activities are performed. In the case of numerical simulation experimental results, it is mainly located in the area of 40m-250m (between working face and deep goaf), 30m-40m from the working face floor (between the working face floor to the roof), and approximately 60m-170m (between air inlet and air outlet). In the case of laboratorial simulation experimental results, it mainly locates in coal seam and rock stratum separation area of 27cm-243cm (between working face and deep goaf), 28cm-42cm (between the working face floor to the roof) and 78cm-182cm (between air inlet and air outlet). The last part of this dissertation provides a field study in order to obtain the gas distribution and migration rule in the working face and goaf. The field measured results show the average gas drainage rate increased from 39.6 m3·min-1 (U-type ventilation system) to approximately 48.9 m3·min-1 (U+L-type ventilation system) while the gas concentration of the special drainage tunnel, upper corner and air outlet decreased from 1.88%, 0.85% and 0.61% (U-type ventilation system) to 1.69%, 0.75% and 0.55% (U+L-type ventilation system), respectively. These results indicate the layout of the gas drainage boreholes is rational and effective; the gas drainage volume is reliable. Therefore, it is feasible and reliable to arrange the layout of gas drainage tunnels based on the experimental results of numerical simulation and laboratorial test.

Los problemas ocasionados por gas han creado graves dificultades para la industria minera en todo el mundo, por lo que ha implicado altos gastos y esfuerzos de investigación y intentos de mejorar en diversas técnicas de optimización de la ventilación y drenaje de gas. Mientras tanto, la investigación sobre gas ha aumentado considerable en los últimos años y la tecnología de drenaje de gas seguirá siendo una industria en crecimiento en las próximas décadas en muchos países mineros. Las tecnologías mineras de seguridad, incluyendo la investigación de campo, la simulación numérica y experimentos en laboratorio han mejorado para una mejor comprensión de las causas de los desastres relacionados con el gas de las minas en las últimas dos décadas. Además, se han desarrollado nuevos y múltiples estrategias y tecnologías de control de gas, incluyendo la optimización del sistema de ventilación, impidiendo excavaciones de combustión espontánea oportuna, mejorando así la gestión eficaz de riesgos causados por gases, determinando la zona de emisión de gases con exactitud, y la implementación de un plan de drenaje de gas correctamente. La primera parte de la tesis se presenta una estrategia múltiple de la prevención de desastres de gas, control y reducción. En primer lugar, se analizarán las teorías básicas de la emisión de gases, la distribución y la migración. Luego se establecerá un modelo de predicción numérica basada en una mina de carbón específica para predecir su emisión de gases. La segunda parte de la tesis ofrece el establecimiento del modelo numérico de simulación (CFD) y el modelo experimental de laboratorio con el fin de discutir la distribución de gas y norma de migración y la determinación de las zonas de drenaje de gas más eficaces en el frente de trabajo y terraplén. Tanto los resultados del simulación numéricos como los resultados experimentales de laboratorio demuestran que el punto de drenaje más eficaz de gas varía constantemente según el área donde se realizan las actividades mineras. En el caso de los resultados experimentales de simulación numérica, que se encuentra principalmente en el área de 40m-250m (entre la superficie del tierra y el zona excavada), 30m-40m desde la superficie de trabajo (desde la superficie del trabajo hasta el techo), y aproximadamente 60m-170m (entre el entrada y salida de aire). En el caso de los resultados experimentales de simulación en el laboratorio, se localiza principalmente en la veta de carbón y la zona de separación del estrato rocoso de 27cm-243cm (entre la superficie de la tierra y la zona excavada), 28cm-42cm (desde la superficie del trabajo hasta el techo) y 78cm-182cm (entre la entrada y salida de aire). La última parte de esta tesis concluye un estudio de campo con el fin de obtener la distribución de gas y el estado migratorio entre la superficie y la zona escavada. Los resultados de campo medidos muestran que la tasa de drenaje de gas en promedio aumentó 39,6 m3·min-1 (sistema de ventilación de tipo T) a aproximadamente 48,9 m3 · min-1 (sistema de ventilación de T + L-tipo), mientras que la concentración de gas del drenaje especial en túnel, esquina superior y salida de aire se redujo de 1,88%, 0,85% y 0,61% (sistema de ventilación de tipo U) a 1,69%, 0,75% y 0,55% (U + de tipo L sistema de ventilación), respectivamente. Estos resultados indican que la disposición de las perforaciones de drenaje de gas es racional y eficaz; el volumen de drenaje de gas es fiable. Por lo tanto, es factible y fiable para organizar la disposición de túneles de drenaje de gas sobre la base de los resultados experimentales de simulación numérica y la prueba de laboratorio.