综采工作面采空区漏风规律数值模拟.pdf

第 4 3 卷第 4期 2 0 1 2年 4月 中南大学学报 自然科学版 J our nal o f Ce n t ra l So ut h Un i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 、 ，0 l _ 4 3 No ．4 Ap r ． 2 0 1 2 综采工作面采空区漏风规律数值模拟 唐明云 1 , 2 戴广龙 一 ，秦汝祥 1 , 2 陈清华 ， 1 ．安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南，2 3 2 0 0 1 ； 2 ． 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南，2 3 2 0 0 1 摘要为得到综采工作面及其采空区的流场分布，基于通风网络理论推算得出采空区漏风阻力系数模型。该模型 综合考虑采面的回采速度， 顶板岩性，采空区倾向上项板的沉降量等因素影响，利用F L U E N T软件及其 自适应网 格技术，对国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿 1 2 1 1 0 3工作面及其采空区漏风流场进行数值模拟，并对模拟结 果与现场实测工作面风量分布进行比较，工作面风量分布趋势吻合较好。模拟结果表明该工作面向采空区漏风 主要发生在倾向0 - 2 5 m区域内，在该区域内，漏入采空区内的风量有部分返回至工作面；在倾向2 5 - 2 1 5 m区域 内， 工作面风量变化不大； 采空区漏风流场等值线在倾向上并不足对称分布的， 在采空区走向 O ～ 1 0m及倾向2 0 3 0 m 区域内存在低速区。 关键词综采面数值模拟；自适应网格技术；工作面风量分布 中图分类号 T D7 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 - 7 2 0 7 2 0 1 2 0 4 -1 4 9 4 - 0 5 Nu me r i c a l a na l y s i s o f a i r - l e a k a g e l a w i n g o a f o f f u l l y me c ha n i z e d f a c e T A N G Mi n g ． y u n ， ， D A I G u a n g ． 1 o n g ， ， Q I N R u ． x i a n g ， 。 ， C H E N Q i n g h u a ， 1 ． C o l l e g e o f E n e r g y a n d S a f e t y ， A n h u i U n i v e r s i ty o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o gy， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． P r o v i n c i a l a n d Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n’ S J o i n t Ke y La b o f Mi n e S a f e ty a n d Hi g h E ffi c i e n t Mi n i n g ， A n h u i Un i v e r s i ty o f S c i e n c e a n d T e c hno l o g y ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o o b t a i n f u l l y me c h ani z e d f a c e a n d i t s g o a f a i r f l o w fi e l d d i s t r i b u t i o n ， t h e v e n t i l a t i o n n e t wo r k t h e o r y wa s i n v o l v e d t o e s t a b l i s h t h e a i r l e a k a g e r e s i s t a n c e c o e 伍c i e n t mo d e l i n g 0 a ￡w h i c h c o n s i d e r s t h e e ff e c t s o f t h e s p e e d o f c o a l f a c e ’ S r e t r e a t ， t h e r o c k c h a r a c t e r i s t i c o f r o o f and t h e d i ff e r e n t c o l l a p s e e x t e n t o f t h e r o o f i n t h e g r a d i e n t d i r e c t i o n ， e t c ． T h e fl u i d me c h a n i c s c a l c u l a t i o n s o f t wa r e F L UE NT an d i t s g r i d a d a p t i v e t e c hn i q u e we r e a p p l i e d t o s i mu l a t e t h e a i r fl o w fi e l d s t a t u s i n t h e 1 21 1 0 3 c o a l f a c e a n d i t s g o a f o f Li u z h u a n g Mi n e o f S DI C XI NJ I ． Co mp a r i n g t h e s i mu l a t i v e a i r flo w q u a n t i t y d i s t r i b u t i o n wi th me t r i c a l v a l u e o f c o a l f a c e o n t h e gra d i e n t d i r e c t i o n ， the a i r flo w q u a n t i ty d i s t r i b u t i o n fie n d i s u n i f o r m o n t h e wh o l e ． T h e s i mu l a t i v e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma i n a i r l e a k a g e d i s t r i c t o f c o a l f a c e i s O 一 2 5 m i n t h e g r a d i e n t d i r e c t i o n a n d t h e r e i S s o me a i r fl o w b a c k t o c o a l f a c e i n t h i s d i s t r i c t ． T h e r e i S l i t t l e c h a ng e o f t h e a i r fl o w i n the d i s t r i c t o f 2 5 - 2 1 5 m． 1 1 1 e c o n t o u r s o f flo w fie l d a r e n o t s y mme t r i c a l i n t h e gra d i e n t d i r e c t i o n ， and t h e r e i s a l o w- s p e e d z o n e i n t h e d i s t r i c t o f O -1 0 m i n t h e s t r i k e d i r e c t i o n an d 2 0 -3 0 m i n the gra d i e n t d ire c t i o n ． Ke y wo r ds f u l l y me c h an i z e d f a c e ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n ； g r i d a d a p t i v e t e c hn o l o g y ； v e n t i l a t i o n q u a n t i t y d i s t r i b u t i o n o f wo r k i n gf a c e 掌握综采工作面采空区漏风流动规律，对预防采 空区自然发火具有重要作用。数值模拟是获取综采工 作面采空区漏风及流场分布规律的主要手段，而采空 区漏风阻力系数是数值模拟的关键参数n - 4 ] 。 模拟采空 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 1 7 ；修回日期2 0 1 1 _ o 7 _ 2 O 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 4 0 0 3 通信作者唐N 1 9 7 8 - ，男，江西南丰人，讲师，从事矿井通风与安全的研究；电话0 5 5 4 - 6 6 3 3 2 8 5 ；E - m a i h my t a n g ma i l ． u s t c ． e d u ，c n 第 4期 唐明云，等综采工作面采空区漏风规律数值模拟 1 4 9 5 区流 场分布主要有 3 种理论 】 达西定律 、B a t h ma t 非线性渗透定律和通风网络理论。达西定律只适合层 流流态 ， 而采 空区是介于层流和湍流之间的过渡流态 ； 由于采空区内孔隙结构复杂，获得 B a t h ma t 非线性渗 透定律 的各项参数 比较 困难 。基于通风 网络理 论得 到 的漏风阻力系数分布模型综合考虑到工作面的推进速 度、顶板岩性及其倾向上的下沉量等因素的影响【 6 一 ， 符合实际采空区漏风阻力系数分布趋势。由于采空区 范围广，导致在数值模拟时，计算量非常大，需要大 型计算机和很长时间来完成[ 8 ] ，所以，网格如何划分 显得非常重要。F L U E NT是专业的流体力学计算软 件[ 9 - 】 ，具有较 强的网格处理技术 ，能够根据 计算结 果中的模拟参数梯度不同，用 自适应网格技术加密和 粗化网格单元，从而保证计算的精度和速度。因此， 本 研 究 以国投 新集 能源 股份 有 限公 司刘庄 矿 的 1 2 1 1 0 3综采工作面为例， 采用基于通风网络理论得到 的漏风阻力系数模型，利用专业的流体力学计算软件 F L UE N T进行流场模拟，分析得出综采工作面的漏风 范围和采空区内的流场分布规律。 1 工作面概况 国投新集 能源股份有 限公司刘庄矿 1 2 1 1 0 3工 作 面平均走向长为 1 4 0 8 ． 5 m，平均倾向长为 2 0 1 ． 6 m 净 煤壁 ，煤厚为 2 ． 9 4 ． 0 m，平均为 3 ． 6 m；沿煤层顶板 采用综合机械化开采，一次采全高，采用全部垮落法 管理顶板，工作面推进速度为 6 ． 0 ～ 7 ． 0 m ／ d ；工作面直 接顶为泥岩和粉砂岩，老顶为细砂岩；煤尘具有强爆 炸危险性，经抚顺分院所作的煤炭 自燃倾向性鉴定报 告，l 1 2 煤为自燃煤层；根据淮南矿井资料，其发火 期为 3 - 6 m；在该工作面采用 u型后退式上行通风方 法 ，供风量为 2 0 0 0 m a ／ mi n 。 2 物理及数学模型 2 ． 1 物理模型 由于采场的复杂性，需要对物理模型进行简化。 根据刘庄矿 1 2 1 1 0 3工作面的实际情况，工作面及进、 回风巷的断面积以专业测风员现场实测为主，采空区 高度近似与工作面一致，得到三维采场物理模型示意 图，如图 1 所示。 2 ． 2 数 学模型 由于采空区内漏风流态为过渡流，它在 i 方向上 空区走 向； ． 采空区倾向；广 采空区垂向 图 1 采场物理模型示意图 Fi g ． 1 P h y s i c a l mo d e l s c h e ma t i c d i a g r a m o f s t o p e 流体稳态质量及动量守恒 方程 为[ 9 】 ． 盟 0 a x i 一 c 2 p lv,lv,2 O 式中 P为静压，P a ；v 为单元体在 i 方向上的平均流 速，r r d s ；1 ／ a为黏性阻力系数，1 ／ m ； 为惯性阻力 系数， l ／ m； P为流体密度， k g ／ m ； 为流体动力黏度， Pa S 。 假定采空区内空气流动为不可压，流体密度P和 流体黏度 近似为常数，所以，模型中影响因素主要 为黏性阻力系数 1 ／ a和惯性阻力系数 。 2 ． 3 漏风阻 力系数模型 应用通风网络法模拟采空区滤流场，采用的采空 区空气动力阻力特性方程为 】 h R 1 QR 2 Q 1 式中 R 1 为层流风阻， P a s ／ m ； R 2 为紊流风阻， P a S ／ m ； Q 为漏风量，m3 ／ s 。考虑采空区倾向的风阻变化，其 计算公式为 R 1 一。 南 。 。 南 3 一 n 4 式中a 和 b为经验系数，取决于项板冒落岩石性质， 其值如表 1所示；X为采空区内距工作面距离，m；， 为采空区滤流分支的长度， m； 为采空区滤流分支的 截面积，m 2 ； 为采空区倾向变化系数【 n 】 ；H1 为采 空 区中部覆岩下沉量 ，m；／ -／ 2 为上 、下边界覆岩 的下 沉量，m；t y 为采空区倾向长，m；c为冒落岩石的压 堡 中南大学学报 自然科学版 第 4 3卷 近 工作 面 低 压 区所 致 。这 与 前 面 分 析 得 到 工 作 面 1 0 - 2 5 m区间内，采空区内的风量又有部分返回至工 作面内相对应。由于此区域流速低，而氧浓度高，若 此处存在遗煤，则容易引起煤氧化升温。 4 结论 1 利用 F L UE NT中的 自适应网格技术，优化了 计算资源，减少计算带来的误差。 2 模拟得到的工作面风量分布趋势与实测风量 分布相吻合，说明模拟结果较合理。 3 采空区漏风流场等值线在工作面倾 向上并不 是呈对称分布。 4 采空区走向0 ～ 1 0 m及倾向2 0 ～ 3 0 I l l 区域内存 在低速区，容易引起煤氧化升温。 5 工作面 向采空 区漏风主要发生在倾 向上 0 - 2 5 1 T I 范围 内，在该区域 内，部分漏 风量又 回至工作面 。 致谢本文得到国投新集刘庄矿业有限公司的领 导及现场工作人员大力支持，在此表示衷心感谢。 参考 文献 李 宗翔，海 国志，秦 书玉．采 空区风流 移动规律 的数值模 拟 与可视化显示【 J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 1 ， 2 6 1 7 6 8 0 ． L I Z o n g x i a n g ， HA1 Gu o - z h i ， Qr N S h u y u ． Nu me ri c a l s i mu l a t i o n a n d v i s u a l d i s p l a y o f a i r fl o w p a t t e r n i n g o a f[ J ] ． J o a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y , 2 0 0 1 ， 2 6 1 7 6 8 0 ． 杨胜 强，徐 全，黄金，等．采空 区自燃“ 三带” 微循环 理论及漏 风流场数值模拟[ J ] ． 中国矿业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 8 6 7 6 9 7 7 3 Y ANG S h e n g q i a n g ， XU Qu a n ， H UANG J i n ， e t a 1 ． T h e‘ ‘ th r e e z o n e s ’ ’mi c r o c i r c u l a t i o n t h e o r y o f g o a f s po n t a n e o u s c o mb u s t i o n and n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e a i r l e a k a g e fl o w fi e l d [ J ] ． J o a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ,2 0 0 9 ，3 8 6 7 6 9 -7 7 3 ． 余 明高，常绪华，贾海林，等．基于 Ma t l a b采空区 自燃“ 三带” 的分析【 J ] ．煤炭学报， 2 0 1 0 ， 3 5 4 6 0 0 6 0 4 ． YU M i n g g a o ，CHAN G Xu h u a ，J I A Ha i l i n， e t a 1 ． An a l y s i s o f s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n“ t h r e e - 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