综放工作面采空区“三带”划分的计算机模拟.pdf

2 0 0 3 年 l 0月 矿 业安 全 与环 保 第3 0 卷第5 期 综放工作面采空区“ 三带” 划分的计算机模拟 丁 文通 ， 史学奇 ， 张 国枢 1 ． 国投新 集能源股分有限公 司， 安徽 ； 隹南 2 3 2 1 7 1 ；2 ． 安徽理 工大学， 安徽淮 南 2 3 2 0 0 0 摘 要 通过建立采空区滤流场数学模型， 并 以实例用计算机模拟采 空区的流场分布 ， 应用极限风 速 法对采 空区 “ 三带”划分进行 了研究 ， 用c 语言绘 图程序绘 制 了三带分布 图， 对影响采空 区 “ 三带” 中氧化带宽度 的因素进 行 了分析。 关键词 综放工作 面； 采空 区 “ 三带”； 氧化带宽变 ； 分析 中图分类号 T D 7 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 4 4 9 5 2 0 0 3 0 5 - 0 0 1 2 - 0 3 煤矿 采空 区 自然 发 火严 重影 响煤 矿 的安全 生 产。综采放顶煤采煤法是厚煤层 开采 的一项新技术 ， 用防火观点来分析 ，放顶煤开采法与其它厚煤层开 采法 比较 ， 具有 以下不利 因素 1 在厚煤层放顶煤开采条件下， 其回采率一般在 8 0 ％以下 ， 采空区的遗煤 比较多 ， 成为自然发火的隐患。 2 放顶煤采煤法由于增加一道放顶煤工序 ， 其推 进速度 比较慢 ，所 以使采空 区遗煤与空气接触时问 长 ， 给煤氧化 自燃创造了条件。 3 放顶煤开采法放顶高度一般在5 - 1 0 mE右 ， 放煤 和顶板垮落范围较大 ， 在采场后方形成椭球状的冒落、 破碎带 ， 在矿山压力作用下 ， 采空区在短时期内不会被 压实， 所以漏风通道畅通 ， 对防火极为不利。 因此 ，综放工作 面采空 区 自然发火的预防更加 复杂 ， 采空 区煤炭的 自燃一般发生在 “ 三带”的氧化 带 中， 如果 能对 “ 带 ”的范 围进行准确 的划分 ， 并 对其影响因素进行深入分析 ，对预 防采空区 自然发 火有十分重要的意义 。 1 极 限风速 法划分采 空 区 “ 三 带 ” 1 ． 1 极 限风速法 根据有关资料 ， 采空 区的漏风风速大于0 ． 0 2 r r d s 或小于0 ． 0 0 1 m ／ s E t ，采空区的遗煤不会发 生 自燃 现 象_ 1 ] ， 以此风速作为极 限风速划分 “ 三带”。 1 ． 2采空区漏风风流运动规律 采空 区是有 冒落岩石和遗煤 组成的多孑 L 介 质 ， 空气在 采空 区 内的流动属 于多孔 介质 中的滤流运 收稿 日期 2 0 0 3 0 3 - 0 4 作者简介 丁文通 1 9 6 9 - ， 男， 工程师， 1 9 9 3 年毕业于淮南 矿业学院通风 与安全 专业 ， 从 事煤矿通风技 术管理 工作。 1 2 动。在研究多孔 介质中的流体运动规律时 ， 应用假想 的连续介质模型代替真实 的多孔介质 ，不计较空隙 的形状和分布 ， 只考虑采空 区内的平均漏风特征_ 2 ] 。 1 ． 3 采空区滤流场 的解算方法 采空 区与工作面及其进 回风巷道连接 在一起 ， 构成一个 回风通路 ，并且采空区 内的漏风通道十分 复杂 ， 用数学方法解算采空 区内滤流场非常困难 ， 因 此采用计算机解算采空 区滤流场 ， 其步骤如下 。 1 ． 3 ． 1 采空区滤流网格的划分 把采空区冒落带划分为若干边长为￡ 的正方形 网 格 ， 每一网格的四边有四条滤流分支组成。将所有分支 和节点分别编号 ， 每一分支代表长 、 宽各为 的漏风通 j 酋 [ 。采空区滤流网格的划分如图1 所示。 睾 。每 。 每 8 1 2 1 6 2 0 - J c _ _ | 1 3 2 2 4 7 2 5 1 2 26 1 7 2 7 2 2 图1 采空区漏风分支和节点编号 图1 中分支 1 为工作面进风顺槽 分支 ，此分支为 同定风量分支 ； 分支2 为工作 面巷道分支。 将各 滤流场分支的始 、末节点编号存人一数据 文件 中， 作为解算滤流场时 的输人数据 。 1 ． 3 ． 2 采空 区各滤流场分支风阻的计算 在长壁工作面 回采 的过程 中 ， 由于采空 区上 、 下 1l ] 维普资讯 2 0 0 3 年1 0月 矿 业安 全 与 环 保 第3 0 卷第5 期 顺槽附近和中部顶板 岩层的 冒落高度和老顶 的下沉 量 和下沉速度不 同，造成采空 区中部的风阻大 于采 空 区上下顺槽附近的风 阻。采空区 中的 冒落高度是 上下顺槽附近冒落高度 的0 ． 8 倍 。采空 区内的风流基 本上属于过渡流 ， 且氧化带内的漏风属 于过渡流 ， 因 此建立采空区滤流场数学模型 h R Q R ” Q 1 式 中 滤流场分支的阻力， P a ； 滤流场层流风阻 ， k g ／ m s ； 滤流紊流风阻 ， k g ／ m ； Q 滤流分支的风量 ， m3 ／ s 采空区滤流场坐标系如图2 所示。 y J已 、 0 采卒 区下顺槽 L L 一 采 空 区 走 向 长 度 ， I n； L 一 采 至 区 倾 斜 方 向 长度 ， I no 图2 采 空区滤流场坐标 系 在式 1 中， 当y L ， ／ 2 时 R a k z x L／ S R b kz x o L } 式中k ． ， Ji} 广采空 区冒落带在倾斜方向上 的风阻 变化梯度 ， l 0 ． 8 ／ 1 0 ． 4 y ／ L ， 2 c 2 0 ． 8 4 0 ． 8 0 ． 4 y 一 ￡ ／ 2 ／ L 】 ； 采空 区滤流分支断面积 ， m。 ； ￡ 采空区滤流分支长度 ， m； c 冒落岩石的压实系数 ， 它与工作 面推进 速 度V f m ／ d 有如下关系 c e ； r z ， 6 经验系数， 取决于顶板冒落岩石的性质 ， 其取值如表1 所示 。 表 1 0 ， 6 取值范 围 1 - 3 - 3 滤流场网络的解算 根据风量平衡定律和风压平衡定律 ，以及斯考 德一 恒斯雷迭代方法 ， 编制c 语言程序解算滤流场 ， 得 到采空区各滤流分 支的风速 ， 其程序如图3 所示 。 开始 卜 ． 调用数据文件中的数据 计算各分支风 阻 R ，R l 里 篓 I 翅 禽- 3 5 图3 解算采空区滤流场程序框图 1 ． 3 ． 4 滤流分支节点处的漏风风速计算 以迭代计算求得各滤流场分支风量后 ，除 以分 支断面积可求得每条分支 的风速 ，按下列方法把各 分支风速转化为分支交点 的风速 √／ 。 1 ． 4 绘制采空区 “ 三带 ” 分布图 利用滤流场 的解算结果 ， 编制找等风速点程序 ， 找出风速分别等于0 ． 0 2 m ／ s 和0 ． 0 0 1 m ／ s 的点 ，再利用 编制的C 语言绘图程序 ， 绘 出采空区漏风风速分别等 于0 ．0 2 m ／ s 和0 ． 0 0 1 m ／ s 的等风速线，分别作为散热带 与氧化带 、 氧化带与窒息带的分界线。 2 实例模 拟 2 ． 1 工作面概况 新集一矿 1 3 0 7 I作面采用综采放顶煤采煤方法 ， 工作面长为1 5 0 m， 倾角7 。 ， 属缓倾斜煤层， 采高7 ．5 m， 采 空区走 向长1 2 0 m， 采空区顶板岩性为泥岩 、 砂岩 ， 底板 岩l 生 为泥岩 、 砂岩， 最小 自然发火期为3 个月。 2 ． 2 1 3 0 7 “ ] - 作面通风参数 1 9 9 9 年1 0 月-1 1 日上午对该工作 面通风参数进行 了测定 ， 测 点布置见 图4 ， 结果 如表2 所示 ， 此数 据作 为划分该 工作面采空区 “ 三带 ”的分布依据。 表2 1 3 0 7 T作面通风参数测定结果 1 3 }1 疆 强 l l疆■ I ■ 维普资讯 2 0 0 3 年1 0月 矿 业安 全 与环 保 第3 0 ,t t g 5 期 5 4 ． 滤流 网格分 支长为 1 5 i n ，共 1 8 1 个分 支 ，根 3 采卒区 据 上节所 述方 法解算 出采 空 区各 分 支漏风 风速 T 作面 ● ， 后 ，转化成节点风速 ，然后用绘图程序绘 制出 一 ● 1● 空 区 “ 三带 ”分布图 ，研究 内容 、条件及结果 如 罔4 1 3 0 7 T 作面测点布置图 表3 所示。 表3 研 究内容 、 条件 及结果 研究 内容 『 腚条件 变化 条f 牛 下顺槽 氧化 上顺槽 1 作面风 阻对 i带 的影 响 T作 面推 进速度对 三带分布 的影响 T作面进刚 顷槽风 量 对三带 的影响 顶板 岩石 冒落特性 对 三带 的影响 7 2 ． O 6 3 ． O 6 8．4 5 9．4 41 ．4 7 0 ． 2 61 I 2 6 3．O 5 7．6 3 9．6 说 明 Q l 为工作面进风顺槽风 量， mS ／ s； 尺f 为 工作面巷 道风 阻， k g ／ m ； V f 为 工作面推进速度 ， m ／ d 。 3 影响采空区氧化带宽度的因素分析 用 表3 的数据绘制 出三带分 布图 ，通过分 析 比 较 ， 可以得到下述影响采空 区氧化带宽度的因素 3 ． 1 工作面风阻的影响 工作面风阻大 ， 其采空 区氧化带宽度相应增 大 ， 其原因是工作面风阻增大 ， 漏风压差增大。 工作面风阻小 、 工作 面风量大 、 漏人采空 区的风 量小 ，没有足够的风量带走遗煤氧化产生 的全部热 量 ， 因此散热带 的宽度 比较小 ， 氧化带宽度 比较 大 ， 且靠近工作面。 3 ． 2 工作面进风顺槽风量 动压 的影响 进 风顺槽风量对 氧化带 宽度 的影 响主要有 进风顺槽风流的动压随其风量增大而增大 ，因动压 作用而使下顺槽氧化带宽度增加 ；②在工作 面风阻 不变时 ，漏风压差和氧化带宽度随工作面进风顺槽 风量增加而增大。 3 ． 3 工作面推进速度的影响 比较可见 由于工作面推进速度大 ， 因此其工作 面附近的采空 区压实程度相对较小 ，这样必然导致 其采空区漏风量大 ， 因而引起氧化带宽度增加 。 3 ． 4 顶板 冒落岩石特性的影响 由于顶板岩石 冒落性 质的不 同 ，导致 冒落岩石 的密实程度有差别 ， 会造成采空区的风阻不 同 ， 因而 会影响采空 区氧化带 的宽度 。 4结论 1 对有些采空区来说 ，三带并不是普遍存在 1 4 的 ， 例 如 ， 有些综 采放顶煤工作 面 ， 由于综采 支架的 “ 屏帐 ” 作 用 ， 使 工作面与采空 区隔离 ， 采空区的漏 风主要从下顺槽 流人 ，因此当工作 面进风顺槽 的风 量或工作面风阻小于一定值 时 ， 由于漏风量较小 ， 故 采空区内基本上不存在散热带 ，工作 面支架后 即是 氧化带 。 2 在工作 面进风顺槽风量和工作 面推进速度 不变的情况下 ，工作面风阻增大 ，造 成漏风压差增 大 ， 使氧化带宽度增加 。 3 在工作 面风 阻和工作面推进 速度不变 的情 况下 ， 当工作 面进风顺槽风量增加时 ， 由于进风顺槽 的动压也相应增大 。 风流的惯性作用增大 ， 以及采空 区漏风压差增大 ， 使漏风量增加 ， 从而使氧化带宽度 增加。 4在工作 面进 风顺槽 风量和工作 面风阻不变 的情 况下 ， 当工作 面推进 速度增 加 时 ， 氧化 带宽度 增加 。 5 采空 区顶板 冒落岩石 的性质影响采空区氧 化带 的宽度 ， 岩石性质从松软粘土岩变化到砂岩时 ， 氧化带宽度 由小变大。 6采 空区 “ 三带 ”的形态和范 围的确定 ， 为深 入分析放顶煤综采工作 面采空 区 自然发火危险程度 和火源可能产生范围提供 了科学依据 。所确定的氧 化带是采取灌浆或注氮防火 的重点地带 ，是防火管 理工作 的关键 。采空区的 自然发火危险程度可用下 式判断 当S [ V m T m I ， 此带无 自燃危险 ； 下转第2 9 页 1 I 1 盯1 町 2 4 O 2 一 ～ 一 一 一 一 5 。。 唧 啪 ～ 维普资讯 2 0 0 3 年1 O月 矿 业安 全 与 环 保 第3 O 基第5 期 但是这样就必须 在每一级动 叶中设 置前后导 叶 ， 其 结构较为复杂 ， 一般不被设计者采用 。 如果 力 1 ， C ≠C 叫， 则第一级进 口和第 二级出 口均有不等的预旋 ，这样在第一级 动叶前和 第二级动叶后都必须设置导叶 ，而且两级 动叶和前 后导叶的翼型也不一样 。因此 ， 其结构更为复杂。而 对于 力 1 ， C ⋯ 卢C ，由于第一级 叶轮进 口与 第二级 叶轮 出口有相 同的预旋 ，因 而第一级与第二 级加给流体 的能量头相 同 ，前后导叶可采用 同一种 翼型 ， 但两级动叶的弦长与安装 角相差较大 ， 因而一 般不予采用。 2 轴向间隙和径向间隙 合理选 择两 级叶轮 的轴 向间 隙 和径 向间 隙 r 是确保两级叶轮最佳流动 的几何条件 。由于尾迹 的影响 ， 从第一级 叶片流出的气流 ， 其速度场是不均 匀的 ， 将影 响第二级 叶片的工作及风机的性能 。 不均 匀气流也可能作为振 动源 ， 引起第二级 叶片的振动。 叶栅之间保持一定的轴向间隙，主要是为了其后的 气流以较小的摩擦损失流人第二级叶栅，保证第二 级 叶栅有均匀 的进气 ， 消除彼此间的影 响。所 以， 轴 向间隙的大小对风机的噪声 、振动和轴 向尺寸都有 影响。两级 叶轮间的最佳轴 向间隙一般可取 O ． 5 b 6 为叶片的弦长 。而径 向间隙对风机的压头 和效率 有较大的影响 ，其大小必须保证最小 的潜流和二次 流损失 ， 并达到最低 的噪声水平 。由于对旋风机是高 压风机，径向间隙对其性能影响是很大的。实践证 明 ， 当 ， I L≤O ． O 1 时 ， 为叶片高度 ， 下同 ， 对风机 的 效 率影 响不大 ； 当 ， ／ L O ． O 2 时 ， 级效率将 下降2 ％- 3 ％，压头将减少4 ％- 6 ％。径 向间隙一般可取 ， ≤ 0 ． 0 0 5 ～ 0 ． O 1 3 叶片数 当叶栅 的速度三角形不变时 ，升力 系数 与弦 长6 的乘积 6 具有定值。对于选定的叶型来说 ， 在 额定工况下 ， C 是一定的。 因而 ， 叶片数 改变 ， 意 味着b 的改变 。 z 增加则6 减小 ， z 减少则6 增加。 对同一 轮毂 比和叶片弦长而言 ，叶片数增加则叶栅稠度增 加， 这将引起叶栅升力系数的下降， 使得流道内的流 动损失迅速上升。 如果叶片数过少 ， 将使每个叶片的 负荷增大， 从而使气动性能变坏， 导致风机的全压降 低。因此， 为保证两级叶轮流动的匹配， 对于一定的 轮毂 比和叶片弦长 的风机 ，存在一个最佳 叶片数的 问题。一般， 两级叶轮的叶片数应互为质数， 根据叶 栅试验数据 ， 叶片数可按0 ． 5 t ／ b 1 的范 围选取 ， 其 中t 为栅距 。 4 叶 片安装 角 对旋风机叶轮叶片的安装角 图1 中的 0 - 和 2 是 根据设计工况点气流角而确定的 ， 两级叶轮叶片安装 角的合理匹配不仅影响风机的效率和噪声， 而且关系 到两级电机功率的匹配，从而影响风机的使用寿命。 从图1 可知 2 c o t ／ 3 ． - - c o t 0 t Ⅱ 1 ’ 说明在不同的叶片 安装角下， 第二级叶轮叶片的进气角与第一级叶轮叶 片的进气角是线性关系 ， 而且两级叶轮叶片安装角的 差值应 是变 的 ，即随着第一级 叶轮 叶片安装角的增 加 ， 第二级叶轮叶片安装角也应随之增加 ， 反之亦然 。 经过试验证 明 当第一级叶轮叶片安装角不变时 ， 增 加第二级叶轮叶片的安装角， 通风机的最高全压效率 基本上没有变化， 最高效率点的风压变化小 ， 而流量 变化大 ； 相反 ， 当第二级叶轮叶片安装角不变时 ， 增加 第一级叶轮叶片的安装角， 通风机的最高全压效率基 本上没有变化 ， 最高效率点的风量变化小 ， 而风压变 化大。这说明第一级叶轮叶片安装角 的变化主要影响 对旋风机的风压特性， 第二级叶轮叶片安装角的变化 主要影响对旋风机 的流量特性 。 5 结语 影响对旋风机气动性能的好坏 ，涉及许多的因 素 ， 不仅需要不断地改进风机的气动设计方法 ， 合理 地选择气动参数，还需要制造厂家提高制造技术和 加工质量水平。 参考文献 [ 1 ] 李庆宜． 通风机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 1 [ 2]商景泰． 通风机手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 4 [ 3]张广勋． 高性能对旋轴流式通风机的研究[ J ] ． 冈 棚技术， 1 9 9 9 ， 5 责任编辑 吕晋英 ．‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L ． 址． 址 ． S ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． 址 ． 址 ． 址． S 屯 ． S ． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L． ‘ ‘ L ． S 屯 ． S 屯 ． 址． S 屯 ． 址 ． 址． 址． 址 上接第1 4 页 当S ／ V ≥珊 寸， 此带有 自燃危险 ； 式 中 氧化带宽度 ， m； 一 工作面推进速度， 月； 广 - 煤 的最小 自燃发火期 ， 月 。 参考文献 [ 1 ]A ． A 斯阔琴斯基． 矿内火灾[ M] ． 北京 煤炭工业出版社 [ 2]贝尔． J ． 李竟生等译． 多孔介质流全动力学[ M] ． 北京 中国 建筑工业出 版社 责任编辑 吴 自立 ～ 细 维普资讯