羅聰亮，　王海橋,2，　陳世強,2，　彭　熒，　李軼群,2

(1. 湖南科技大學 能源與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學 湖南省礦山通風與除塵裝備工程技術研究中心, 湖南 湘潭 411201)

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壓差對采空區(qū)空氣微流動場影響的模擬研究

羅聰亮1，王海橋1,2，陳世強1,2，彭熒1，李軼群1,2

(1. 湖南科技大學 能源與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學 湖南省礦山通風與除塵裝備工程技術研究中心, 湖南 湘潭 411201)

采煤工作面兩端壓差是影響采空區(qū)空氣微流動的一個重要參數(shù)，為研究U型工作面采空區(qū)微流動場在工作面兩端壓差變化情況下的分布規(guī)律，運用GAMBIT建立采空區(qū)多孔介質模型，應用流體力學軟件FLUENT模擬不同壓差下采空區(qū)的空氣流場。研究表明，隨著工作面兩端壓差的增加，漏風流場寬度加大，并且壓差對采空區(qū)進風巷和回風巷處的漏風流場分布規(guī)律影響較大，對中部漏風流場的分布規(guī)律影響較??；同時，壓差的變化也會對采空區(qū)深部的氣體造成微小的流動，產生“呼吸”、“吞吐”效應。

采空區(qū)； CFD； 空氣微流動； 壓差

采空區(qū)是煤體開采后留下的半封閉多孔介質空間，采空區(qū)的空氣流動與瓦斯涌出及遺煤氧化自燃有密切關系[1-2]。如果工作面通風一直是一種穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)深部瓦斯將相對靜止。采空區(qū)內部瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，主要是依靠分子擴散及由于濃度梯度引起的濃度差擴散。實際上，礦井通風系統(tǒng)存在動態(tài)性。通風系統(tǒng)動態(tài)變化，會造成風流脈動，使工作面通風系統(tǒng)風壓、風量發(fā)生一系列變化，采空區(qū)產生的“呼吸效應”，直接影響采空區(qū)氣體交換[3]。

U型工作面采空區(qū)氣體流動可以分為兩個區(qū)：一是擴散流動區(qū)，風流沿進風巷進入工作面，一部分風流經過工作面進入工作面回風巷，另一部分由于射流慣性和擴散作用，風流流經靠近工作面的采空區(qū)后，進入工作面回風巷，擴散流動區(qū)的范圍大小主要由進風巷風速及工作面后方采空區(qū)冒落與壓實情況決定；二是微流動區(qū)，微流動區(qū)氣體流動主要是工作面通風壓力的變化產生的呼吸、吞吐效應，以及煤氧化熱產生溫差擴散和濃度梯度擴散流動，其中以采空區(qū)內外壓力差變化導致的微流動為主。為了研究動態(tài)通風情況下采空區(qū)空氣流動規(guī)律，筆者應用計算流體力學軟件，研究工作面兩端壓差變化下采空區(qū)的空氣流場和壓力場。

1　采空區(qū)計算模型與邊界條件

1.1采空區(qū)物理模型的建立與網格劃分

根據某煤礦工作面的實際情況，建立U型通風條件下的物理模型，具體模型尺寸如下：進回風巷道長30.0 m、寬4.0 m、高3.5 m，工作面巷道長100.0 m、4.0 m、高3.5 m，采空區(qū)長200.0 m、寬100.0 m。根據網格劃分的基本原則，使用建模工具GAMBIT在笛卡爾坐標系(坐標原點在進風巷左下角)下建立二維模型并對其進行網格劃分，采空區(qū)物理模型主要分為進回風巷道及工作面和采空區(qū)兩個區(qū)域，對兩個區(qū)域采用分塊生成結構網格的方法進行網格劃分。對進回風巷道及工作面采用網格間距為0.5 m進行結構網格劃分；采空區(qū)網格間距1.0 m進行網格劃分。

1.2數(shù)學模型

氣體在多孔介質中流動遵守質量守恒、能量守恒及動量守恒定律，且包含不同組分的混合、傳質，其還必須遵守組分守恒定律，控制方程是這些守恒定律的數(shù)學描述，采空區(qū)氣體流動主要遵循以下幾類控制方程[4]。

(1)連續(xù)性方程

(1)

式中：u、v——速度矢量在x、y方向的分量，m/s；

sm——質量源項。

(2)動量守恒方程

對于層流來說，采空區(qū)多孔介質內流動的動量守恒方程可簡化為達西定律[5]，即

(2)

式中：v——滲流速度，m/s；

K——滲透率，m2；

μ——流體動力黏性系數(shù)，Pa·s；

▽p——滲流壓力梯度，Pa/m。

當滲流中流體慣性力相比黏性力不能再被忽略時，多孔介質中滲流將進入非線性滲流階段[6]。此時滿足非線性滲流方程

(3)

式中：J——水力梯度，J=-Δh，

h——壓頭，Pa；

ν——流體運動黏性系數(shù)，m2/s；

g——重力加速度，9.81 m/s2；

q——比流量，m/s；

dm——多孔介質顆粒的平均直徑，m；

β——幾何形狀系數(shù)；

n——孔隙率，無因次。

(3)組分質量守恒方程

(4)

式中：φs——組分s的體積分數(shù)，%；

ρs——該組分的密度，kg/m3；

Ds——該組分的擴散系數(shù)；

ss——該組分質量源項。

1.3邊界條件

由于通風系統(tǒng)的動態(tài)性，工作面外部通風系統(tǒng)變化會導致工作面風壓和風量的變化；另外，工作面推進過程，工作面風阻也會變化，定義邊界條件如下：

(1)進風巷入口設定為速度入口(velocity-inlet)，且工作面通風量不低于800 m3/min，分別取入口速度為0.95、1.20和1.43 m/s，此時對應的工作面兩端壓差為38、58和78 Pa。

(2)回風巷出口設定為壓力出口(pressure-outlet)。

(3)根據礦山壓力研究，沿采空區(qū)走向方向，距離工作面越遠，垮落巖石壓實程度越大，孔隙率越小[7]。從工作面后部向采空區(qū)深部方向，把距工作面40 m內的區(qū)域定為自然堆積區(qū)對應前面劃分的擴散流動區(qū)，取孔隙率為0.4，40 m以后為載荷影響區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū)對應前面劃分的微流動區(qū)，取孔隙率為0.2。

2　模擬結果與分析

當工作面兩端壓差Δp分別為38、58和78 Pa時，對應的靜壓場見圖1。采空區(qū)速度分布見圖2。

a　Δp=38 Pa

b　Δp=58 Pa

c　Δp=78 Pa

由圖1三組靜壓分布可以看出，隨著工作面兩端壓差由38增大至58或者78 Pa，采空區(qū)進風巷側的靜壓值隨之增大，且采空區(qū)深部靜壓值受工作面兩端壓差影響較小，靠近工作面處的采空區(qū)靜壓值更易受兩端壓差影響。

由圖2三組速度分布以及圖3采空區(qū)深部的速度分布曲線可以看出，采空區(qū)漏風主要是由進風巷附近漏入，且漏風帶的寬度和漏風風速隨工作面兩端壓差增大而增大。采空區(qū)兩道處的漏風比較嚴重，且沿工作面向采空區(qū)深部方向，距離工作面越遠，采空區(qū)風速越小，最后趨向于0。

圖4a是三組壓差下進風側采空區(qū)的靜壓分布曲線，可以看出采空區(qū)40 m內的區(qū)域(對應前面的擴散流動區(qū))的靜壓值變化的更快，采空區(qū)40 m后的區(qū)域(對應前面的微流動區(qū))的靜壓值變化的較緩。圖中曲線在x=40 m左右處存在一個凹點，產生這種情況的主要原因是采空區(qū)孔隙率的分布不均，礦壓作用下采空區(qū)中后部會較快進入壓實區(qū)，滲透性大幅下降。

a　Δp=38 Pa

b　Δp=58 Pa

c　Δp=78 Pa

圖4b為工作面中部采空區(qū)靜壓曲線。可以看出該曲線較為平緩，這表明工作面中部采空區(qū)靜壓受工作面兩端壓差影響較小。

圖4c為回風巷側采空區(qū)靜壓曲線?？梢钥闯鲈诨仫L巷側，采空區(qū)前30～40 m內的靜壓值小于采空區(qū)深部的靜壓值，運用氣體能量方程(忽略位壓)

(5)

式中:p1、p2——采空區(qū)兩點1、2的相對壓強，Pa；

p1-2——兩點之間的壓強損失，Pa。

如果1為回風巷某點，2為該側采空區(qū)內某點，由靜壓云圖和靜壓曲線可知，p1小于p2，此時該側氣體會在壓差驅動下由采空區(qū)流向工作面回風巷；同理，如果1為進風巷某點，2為該側采空區(qū)內某點，此時p1大于p2，氣體會由進風巷流入采空區(qū)。

圖3　y=50 m處采空區(qū)速度分布

a　y=2 m

b　y=50 m

c　y=98 m

由上面三組靜壓曲線圖可以看出采空區(qū)前40 m的擴散流動區(qū)，靜壓值變化較大，該區(qū)域主要是由進風巷處空氣的射流慣性和擴散作用引起的流動；而40 m后的微流動區(qū)域，靜壓值幾乎不變化，此時該區(qū)域的氣體流速很小或相對靜止。當工作面兩端壓差增大或減小時，微流動區(qū)域靜壓也會發(fā)生細微的變化，此時該區(qū)域的氣體會在微小壓差的驅動下，產生微小的流動，或流向采空區(qū)，或流向工作面，產生“呼吸”、“吞吐”效應。

3　結　論

(1)通風動態(tài)性會引起U型通風工作面兩端壓差變化，導致采空區(qū)內壓力的變化。

(2)采空區(qū)就像一個氣囊，外界壓力增大時，高于采空區(qū)內部壓力，則進一步充氣，即向采空區(qū)壓入風流；外界壓力變小時，低于采空區(qū)內部壓力，則氣體體積減壓增大，即采空區(qū)氣體減壓膨出。

(3)外界壓力變化，使采空區(qū)內外壓力振蕩，產生壓差，形成“呼吸”、“吞吐”效應，使采空區(qū)內形成緩慢對流的微流動，不斷與外界空氣進行交換，置換出采空區(qū)其他氣體，緩慢地給氧化自燃提供所需的氧氣。

(4)研究動態(tài)通風情況下的采空區(qū)風流和靜壓分布情況，對研究采空的遺煤自燃和瓦斯積聚及涌出有積極的意義。

[1]DENG J, LUO Z, WU X C, et al. Explosive limits of mixed gases containing CH4,CO and C2H4in the goaf area[J]. Mining Science & Technology, 2010, 20(4): 557-562.

[2]BALUSU R, TUFFS N, WHITE D. Surface goaf gas drainage strategies for highly gassy long wall mines[J]. Journal of the Mine Ventilation Society of South Africa, 2006, 59(3): 78-84.

[3]李永存， 林愛暉， 王海橋， 等. 風流脈動下采空區(qū)流聲數(shù)值模擬與實驗研究[J]. 中國工程科學， 2008 10(2)： 41-45.

[4]時國慶, 王德明, 仲曉星, 等. 綜放面采空區(qū)氧化帶分布規(guī)律的CFD模擬[J]. 采礦與安全工程學報, 2010,27(4):568-571.[5]車強. 采空區(qū)氣體三維多場耦合規(guī)律研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學, 2010.

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(編輯徐巖)

Simulation on effects of micro-flow air in goaf on changing pressure differences

LUOCongliang1,WANGHaiqiao1, 2,CHENShiqiang1, 2,PENGYing1,LIYiqun1, 2

(1.School of Mining & Safety Engineering, Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China;2.Hunan Province Engineering Research Center of Mine Ventilation & Dust Removal Equipment,Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China)

This paper arises from the deeper understanding that the pressure difference at both ends of coal mining face holds an important parameter affecting the air flow in goaf. The study aimed at investigating the law underlying how a micro-flow field distributes in goaf of U-shaped working faces exposed to the changing pressure at both ends of working face, produces the porous media model of goaf using GAMBIT, and simulates the air flow field in the goaf under the pressure change using the hydrodynamics software FLUENT. The study shows that along with an increase in pressure difference comes a wider air leakage zone; and the pressure differences have a great influence on the distribution law behind the air leakage flow field of the goaf intake airflow roadway and return airway, but a little effect on the law governing the air leakage flow field on the middle part; and at the same time, pressure changes can cause the micro-flow of gas in deep goaf, with consequent breathing and throughput effects.

goaf; CFD; micro-flow of air; pressure difference

2015-12-09

國家自然科學基金項目(U1361118)；湖南省自然科學基金項目(2015JJ2061)

羅聰亮(1991-)，男，湖南省衡陽人，碩士，研究方向：地下通風與空調工程，E-mail: 806015550@qq.com。

簡介： 王海橋(1962-)，男，湖北省武漢人，教授，博士，研究方向：工業(yè)通風與空氣潔凈技術，E-mail:hqwang1962@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.001

TD721; O357.3

2095-7262(2016)01-0001-04

A