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基于网络解算的采空区漏风 分布计算模式 魏引尚, 邵炜航, 王 慧 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安 710054 摘 要 采空区瓦斯涌出经常造成工作面上隅角的瓦斯浓度超限, 其中一个重要因素是与所处 的工作面通风环境有关, 而工作面通风又跟矿井通风系统密切关联。为了了解采空区瓦斯分布 特点及其与漏风的关系, 在矿井通风网络解算条件下, 对 U 型工作面采空区漏风分布进行数值 分析研究, 以网格化方式建立采空区漏风通道模型, 再依据矿井通风网络基本原理设计了模拟计 算流程, 通过编程将其嵌入到矿井通风网络解算模型中。通过对某矿通风系统及采空区漏风分 布的模拟计算, 模拟结果与实际相符, 表明所研究模型对于工作面漏风及瓦斯治理具有重要指导 意义。 关键词 通风系统; 网格化模型; 网络解算; 采空区漏风 中图分类号 TD725 文献标志码 B 文章编号 1003- 496X 2011 01- 0046- 04 采空区漏风是造成工作面上隅角瓦斯超限和采 空区遗煤自燃的主要原因之一, 因而众多学者对于 采 空区的漏风 及气体流 态分布进行 过深入研 究 1- 2∀, 由于采空区内人员无法进入, 通过现场检 测手段准确获知其中各种物理量的分布规律需要大 量的人力物力, 而实物相似模拟试验十分困难的。 所以, 目前多半采用的都是通过数值分析和模拟计 算等手段, 期望得出采空区内部导致漏风的机制及 其与工作面灾害的关系 3∀。然而回采工作面工艺 流程往往造成工作面风量波动, 从而使工作面两端 头的风压产生变化, 这正是采空区漏风的原因所 在 4∀。因此, 进行采空区漏风分布及其对于工作面 瓦斯超限隐患研究, 需要在全矿通风系统环境下进 行, 这样才能使研究成果为采煤工作面安全生产提 供了现实指导作用。 矿井通风系统网络解算是传统的分析通风系统 状态的工具, 每次解算结果反映出通风系统风量的 一种分布状态 5∀。于是, 在井下工作面的生产过程 中, 对于不同的状况, 工作面风阻参数各异, 因而可 以在通风网络解算模型中, 计算出各种生产状况下 的工作面风量以及两端风压。再根据工作面两端风 压与采空区漏风关系, 建立采空区漏风及风流分布 规律模型, 并将其与通风网络解算模型结合起来, 就 构成了一个可以动态反映采空区漏风分布的模拟计 算模式。 1 理论基础 1 . 1 通风系统与采空区模拟模型间的关系 矿井通风系统的变化会引起采空区漏风的变 化, 其关系框架图如图 1所示。在通风系统状况一 图 1 通风系统与采空区间的关系结构图 定时, 回采工作面风阻 Rw是确定的, 通过通风网络 解算, 回采工作面两端风压H0得以确定, 而这个 H0 正是采空区漏风的动力源, 即回采工作面上下两端 的风压差也就越大, 由工作面漏向采空区的风量也 就越大。可是, 在井下工作面的生产过程中, 回采工 作面移架、 采煤 落煤 、 以及检修等不同的工作状 况, 使得工作面风阻 Rw处在不停的变化中。对不 同 Rw的通风系统进行通风网络解算, 将得到不同 的H0, 所以回采工作面的生产程序本身造成采空区 漏风发生变化。 此外, 工作面的推进速度对采空区漏风也有一 定的影响 6- 8∀, 工作面的推进速度越慢, 采空区压实 46 第 42卷第 1期 技术 创新 效果较好, 孔隙率变小, 由工作面漏向采空区的风量 也就越少。因此, 在采空区, 因为工作面的变化, 采 空区漏风通道风阻 Ri大小对采空区漏风也是有影 响的, 当 U0不变时, Ri越大, 采空区漏风越小; Ri越 小, 采空区漏风越大。 1 . 2 采空区建模基本假设 采空区是由冒落岩石和遗煤组成的复杂空间, 空气在采空区内的流动属于多孔介质中的滤流流 动。为了建立采空区漏风及风流分布规律模型, 本 文对采空区作了如下假设 1采空区煤、 岩与空气等混和物近似为空隙 性介质, 不计空隙的形状和分布, 只考虑采空区内的 平均漏风特征。 2采空区风流是理想流体, 流动为二维平面 无旋运动。 3采空区漏风源、 汇简化为点源和点汇。 4 对回采工作面的采空区进行网格化处 理 9∀。 2 采空区网格化模型及漏风运动规律 2 . 1 采空区漏风通道的网格化模型 将采空区冒落带平划分为 m 列 ∃ n行 个 长、 宽分别为 L、 d的方格, 其高度设为 L, 采空区 每一分格用一滤流分支代替 10∀, 这样采空区就构成 由 m ∃ n条滤流分支组成的通风网络, 同时将分支 和节点按一定规则进行编号 按行对节点编号; 按 先行、 后列对采空区的分支编号 。并规定分支方 向纵向向上, 横向向右为正, 反之为负; 回路方向逆 时针为正, 顺时针为负。 工作面分支风阻 Rw随着井下生产过程的进 行, 如回采工作面移架、 采煤 落煤 、 以及检修等操 作, 使得工作面风阻 Rw也随之不停的变化。但对 于每一次的采空区漏风分布模拟, 工作面风阻 Rw 则是个定值, 若采空区经网格化划分后, 工作面分支 上共有 m 个分支节点, 则工作面分支上的每 1个小 分支风阻段的风阻值为 Rw/m 1。 2 . 2 采空区漏风分布控制方程 采空区漏风符合节点风量平衡定律、 网孔风压 平衡定律、 采空区滤流阻力定律, 它们是研究采空区 漏风的理论基础, 构成了采空区通风网络的基本数 学模型。 2 . 2 . 1 节点风量平衡方程 n j 1aijQj 0 1 式中 Qj 第 j条分支的风量, m 3 /s ; aij 与第 i节点相连的第 j条分支的风向 函数。 2 . 2 . 2 网孔风压平衡方程 n j 1R R∋ij i网孔第 j 条分支的紊流风阻, N s 2 /m 8; Qij i网孔第 j条分支的风流风量, m 3 /s。 2 . 2 . 3 采空区网格分支阻力定律 h R R R∋ 紊流滤流风阻, N s 2 /m 8; Q 滤流条带风量, m 3 /s 。 风阻计算如下式 4, 式 5, 在文献 6∀ 中有详 细说明。 R j i 1hi 从节点 1到节点 j间任意 1条路线 上各首尾相连接的分支阻力的代数 和, Pa ; HN i 从节点 1到节点 j之间任意 1条路线 上某分支的附加风压, Pa 。 2 . 2 . 5 采空区漏风场节点风速的计算 把节点各个方向的风速进行矢量合成, 即可求 得各个节点的漏风风速。其计算公式为 viv 2 ix v 2 iy 7 式中 vix, viy 分别为任一节点在 x, y 2个方向上 的分支风速。 3 采空区漏风分布模型的实现 3 . 1 程序计算总体流程 依上述原理方法, 模型首先进行通风系统网络 解算, 得到一个工作面分支的风压值H0、 风量值Q0; 47 技术 创新 2011- 01 之后, 转入采空区网格模型网络解算, 经解算输出节 点位能、 风速; 随着生产的进行, 工作面分支风阻 Rw 的变化, 重新进行通风系统网络解算, 再根据解算结 果重新进行采空区网格模型网络解算, 如此循环。 其总体流程图如图 2所示。 图 2 程序总体框图 3 . 2 采空区网格模型网络解算 1程序需要的原始数据读入。 2预处理。对采空区进行网格化处理, 形成 采空区网格分支网络; 根据式 4、 式 5进行分支 风阻的计算。 3采空区网格网络解算。 独立网孔风量修正值 q k i计算如下 q k i l j 1R 经过反复计算, 依次求出 i网孔的风量修正 值, 如果满足以下条件 max | qi| - 预先给 定的精度 , 即可停止运算, 这第 k l次近似风量值 就是自然分配的风量。 4根据式 6、 式 7计算各节点位能、 风速。 根据以上程序流程, 绘出采空区网格模型网络 解算的程序框图如图 3所示, 最后在计算机上以 VB 编程方式实现。 4 现场实例验证 4 . 1 工作面基本概况 图 3 采空区网格模型网络解算程序框图 铜川某矿回采工作面采用双巷布置, U 型通 风, 工作面长 180 m, 采空区冒落带走向长度为 80 m, 采高 3 . 2m, 顶板岩性为泥质砂岩, 工作面推进 速度平均为 4 . 5 m /d , 冒落带孔隙率取 0. 6 , 采空区 漏风形式为一源一汇 。 采煤过程中, 在最大控顶距为 7 . 2m, 最小控顶 距为 5. 4m 2种情况下, 工作面分支风阻值分别为 0 . 015 78 Ns 2 /m 8 和 0. 021 0 Ns 2 /m 8; 进行通风网络 解算时的风量分别为 20 . 7 m 3 / s和 19 . 6 m 3 / s 。 4 . 2 采空区网格化 将采空区冒落带平划分为长、 宽分别为 L 10 m、 d 10 m 的方格, 这样采空区就构成由 8 ∃ 18 个滤流条带组成的通风网络。按行从左到右依次对 节点进行编号; 按先行、 后列对采空区的分支进行编 号, 所形成的通风网络共 171个节点, 314条分支。 并规定分支方向为纵向向上, 横向向右为正, 反之为 负; 网格回路方向逆时针为正, 顺时针为负。 4 . 3 解算结果分析 为了说明通风系统变化对采空区漏风分布的影 响, 对工作面风阻发生变化的情况进行了模拟验证。 分别对最大控顶距和最小控顶距 2种不同条件下对 采空区的漏风分布做了网络解算。首先, 对通风系 统进行了通风网络解算 在最大控顶距条件下, 工作 面两端头之间风压为 6 . 7 Pa; 在最小控顶距条件下, 48 第 42卷第 1期 技术 创新 工作面两端头之间风压为 8 . 1 Pa 。之后根据建立的 采空区网格模型, 依顶板岩性取 a 0 . 05 , b 50 , 对 采空区漏风分布进行了网络解算。 2次模拟所得的 各有代表性分支的风量和风速值见表 1 。 表 1 不同条件的采空区漏风分布模拟结果 分支编号 最大控顶距 风量 /m3 s- 1风速 /m s- 1 最小控顶距 风量 /m3 s- 1风速 /m s- 1 备注分支位置 10 . 923 010. 028 840 . 871 750. 027 24横向与汇关联 90 . 312 640. 009 770 . 295 270. 009 22横向, 1∃ 2 670 . 033 260. 001 030 . 031 410. 000 98横向, 3∃ 9 750 . 010 260. 000 320 . 009 690. 000 30横向, 3∃ 10 1370 . 372 430. 011 630 . 351 740. 010 99横向, 1∃ 18 1450 . 938 110. 029 310 . 886 010. 027 68横向与源关联 1530 . 732 990. 022 900 . 696 250. 021 76纵向与汇关联 1540 . 273 650. 008 540 . 258 450. 008 07纵向, 2∃ 1 2270 . 109 730. 003 430 . 103 640. 003 24纵向, 3∃ 9 2280 . 248 460. 007 760 . 234 660. 007 33纵向, 4∃ 9 3060 . 717 890. 022 440 . 681 990. 021 31纵向与源关联 3070 . 302 170. 009 440 . 285 380. 008 92纵向, 2∃ 18 注 由于篇幅所限, 表中只列出了有代表性分支的风速和风量数据; 备注中, 纵向 m ∃ n 横向 m ∃ n m 列; n 行。 通过对最大控顶距和最小控顶距 2种不同条件 下采空区的漏风分布的模拟, 从表 1的数据可以清 楚的显示, 通风系统的变化 工作面风阻的改变 对 采空区漏风分布具有直接的影响。工作面风阻变 化, 工作面风量和工作面两端头间的风压也发生相 应变化, 漏向采空区的风量也随之发生变化。结果 表明, 采空区漏风分布计算必须要与通风系统的网 络解算联系起来, 当通风系统发生改变时, 即要对采 空区漏风分布进行计算模拟。 5 结 语 在现行通风系统网络解算模型基础上, 研究了 U 型工作面采空区漏风分布计算模式, 得到如下 研究成果 1对于 U 型工作面采空区漏风分布, 采用 二维网格化数值计算方法, 建立了采空区网格模型, 并利用网络风量守恒定律、 网孔风压守恒以及渗流 阻力定律, 设计了采空区漏风分布模拟计算流程。 2在通风系统状况下, 通过网络解算手段得 到回采工作面两端压差和工作面进风量。之后, 再 利用采空区网格模型, 计算采空区漏风分布的位能、 风速等参数。每进行 1次通风系统网络解算, 则可 以得到一组采空区漏风分布特征参数。 3通过现场验证性试验, 当工作面风阻发生 变化时, 工作面风量和采空区流风分布也发生相应 变化, 这与现场实际相符。依此制定有效的防治技 术措施, 对于预防采空区煤炭自燃和瓦斯积聚具有 重要指导作用。 参考文献 1∀ 兰泽全, 张国枢, 马汉鹏. 多漏风采空区 三带 分布模 拟研究J∀ . 矿业安全与环保, 2008, 35 4 1- 5 . 2∀ 兰泽全, 张国枢. 多源多汇采空区瓦斯浓度场数值模 拟J∀ . 煤炭学报, 2007, 32 4 396- 401. 3∀ 王红刚. 采空区漏风流场与瓦斯运移的叠加方法研究 D∀. 西安 西安科技大学, 2009. 4∀ 徐殿森. 矿井通风事故隐患管理J∀ . 煤炭技术, 2008, 27 6 170- 172 . 5∀ 王惠宾, 胡卫民, 李湖生. 矿井通风网络理论与算法 M∀. 徐州 中国矿业大学出版社, 1996. 6∀ 王 蓬, 魏引尚, 常心坦. 采空区自燃 三带 的灰色关 联分析与预测研究J∀ . 煤矿安全, 2008 5 8- 11 . 7∀ 冯小平. 采空区高温点位置确定的计算机模拟分析 J∀ . 淮南矿业学院学报, 1995, 15 1 36- 41. 8∀ 陈明河. 采空区漏风状况模拟及其分析J∀. 矿业安全 与环保, 2009, 36 1 10- 14. 9∀ 刘泽功. 通风安全工程计算机模拟与预测 M∀. 北京 北京煤炭工业出版社, 1995. 10∀ 施式亮, 唐海清, 刘英学, 等. 采空区漏风量与分布的 计算机模拟研究J∀ . 煤炭学报, 1998, 23 1 67- 70. 作者简介 魏引尚 1966- , 男, 陕西富平人, 博士, 副 教授, 西安科技大学能源学院安全工程系从事教学和研究工 作, 主要研究方向为矿井通风系统安全分析与评价, 瓦斯积 聚 爆炸 危险不确定性分析研究, 矿井安全信息管理以及 煤炭内因火灾预防。 收稿日期 2010- 06- 10; 责任编辑 王福厚 49 技术 创新 2011- 01
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