侯建軍

(新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451150)

前人采用CFD模擬方法在礦井通風(fēng)領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，在前人研究基礎(chǔ)上，本文借助CFD流場(chǎng)模擬方法定量計(jì)算不同配風(fēng)量條件下綜采工作面風(fēng)阻，以河南新鄭煤電有限責(zé)任公司11208綜采工作面為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與CFD數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法從“風(fēng)流場(chǎng)”角度出發(fā)對(duì)綜采工作面風(fēng)阻隨其配風(fēng)量的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 綜采工作面風(fēng)阻實(shí)測(cè)研究

以河南新鄭煤電有限責(zé)任公司11208綜采工作面為研究對(duì)象，該工作面為“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)該工作面的風(fēng)量、空氣密度、通風(fēng)阻力、風(fēng)阻，選擇在檢修班期間進(jìn)行測(cè)試，綜采工作面通風(fēng)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)布置如圖1所示。在進(jìn)風(fēng)巷斷面Ⅰ位置處實(shí)測(cè)工作面配風(fēng)量，在進(jìn)風(fēng)巷斷面Ⅱ位置處與回風(fēng)巷斷面Ⅲ位置處實(shí)測(cè)氣壓、風(fēng)速、干溫度、濕溫度，計(jì)算風(fēng)流密度、工作面通風(fēng)阻力、工作面風(fēng)阻，式(1)為工作面通風(fēng)阻力計(jì)算公式，式(2)為工作面風(fēng)阻計(jì)算公式，主要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 綜采工作面關(guān)鍵通風(fēng)參數(shù)及風(fēng)阻實(shí)測(cè)結(jié)果匯總

式中，hs為綜采工作面通風(fēng)阻力，Pa；PⅡ?yàn)榫C采工作面測(cè)試斷面Ⅱ氣壓值，Pa；PⅢ為綜采工作面測(cè)試斷面Ⅲ氣壓值，Pa；hⅡ?yàn)榫C采工作面測(cè)試斷面Ⅱ氣壓值，Pa；hⅢ為綜采工作面測(cè)試斷面Ⅲ氣壓值，Pa；Qs為綜采工作面斷面Ⅰ位置風(fēng)量測(cè)試值，m3/min；Rs為綜采工作面風(fēng)阻，Ns2/m8；g為重力加速度，m/s2。

圖1 綜采工作面通風(fēng)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)布置示意圖

由表1可得工作面回采期間不同配風(fēng)量條件下其風(fēng)阻實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，為了進(jìn)一步揭示工作面配風(fēng)量對(duì)其風(fēng)阻的影響變化規(guī)律，下文將采用數(shù)值模擬方法從工作面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布特征入手進(jìn)行深入分析研究。

2 綜采工作面流場(chǎng)模擬計(jì)算幾何數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1 綜采工作面及采空區(qū)幾何模型

綜采工作面通風(fēng)阻力與采空區(qū)漏風(fēng)密切相關(guān)，一部分工作面風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)，而從回風(fēng)側(cè)返回到工作面，采空區(qū)漏風(fēng)使得工作面巷道沿程風(fēng)量出現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，工作面風(fēng)量變化會(huì)直接影響工作面通風(fēng)阻力，因此研究綜采工作面通風(fēng)阻力及風(fēng)阻變化必然需要考慮采空區(qū)漏風(fēng)影響，采空區(qū)漏風(fēng)率越大，其影響越大。新鄭煤電有限責(zé)任公司屬于突出礦井，煤層瓦斯含量大，為了防止采空區(qū)回采遺煤瓦斯隨漏風(fēng)涌入工作面，11208回采工作面采取了堵漏風(fēng)措施，實(shí)測(cè)采空區(qū)漏風(fēng)率介于2.7%～3.8%范圍。為了盡可能使數(shù)值模擬條件與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件一致，綜采工作面流場(chǎng)模擬計(jì)算需要考慮采空區(qū)漏風(fēng)影響。

以11208綜采工作面實(shí)際布置與尺寸為基礎(chǔ)，利用GAMBIT幾何建模軟件構(gòu)建1∶1無(wú)縮放比例幾何模型，如圖2所示。幾何模型中構(gòu)建了綜采工作面以及采空區(qū)，其中綜采工作面內(nèi)構(gòu)建了支架、端頭支柱、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等眾多機(jī)械設(shè)備，模擬情景為工作面檢修班期間，采煤機(jī)位于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)端頭，采空區(qū)高度由采空區(qū)頂板裂隙帶高度確定，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)11208工作面采空區(qū)頂板裂隙帶高度約為29.5m，綜采工作面及采空區(qū)幾何建模關(guān)鍵參數(shù)見表2。

圖2 11208綜采工作面數(shù)值模擬整體幾何模型

參數(shù)名稱參數(shù)取值進(jìn)風(fēng)巷寬度/m3進(jìn)風(fēng)巷高度/m2.5回風(fēng)巷寬度/m3回風(fēng)巷高度/m2.5工作面高度/m2.5工作面控頂距/m4工作面支架數(shù)量/個(gè)200超前支護(hù)支柱數(shù)量/個(gè)200超前支護(hù)支柱間距/m1采煤機(jī)尺寸/m1.5×1.2×2.5刮板輸送機(jī)尺寸/m200×0.2×1.2采空區(qū)范圍/m200×200×29.5

綜采工作面通風(fēng)阻力損失區(qū)域主要分為三部分：①進(jìn)風(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)液壓支柱的布置導(dǎo)致該區(qū)域通風(fēng)阻力較大；②工作面支架支護(hù)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)液壓支架以及靠近煤壁一側(cè)底板布置刮板輸送機(jī)導(dǎo)致該區(qū)域通風(fēng)阻力較大；③回風(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)液壓支柱的布置導(dǎo)致該區(qū)域通風(fēng)阻力較大。因此重點(diǎn)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域、工作面支架支護(hù)區(qū)域、回風(fēng)巷超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)的幾何建模情況進(jìn)行局部放大顯示，如圖3—5所示。

圖3 11208綜采工作面局部區(qū)域一放大細(xì)觀圖

圖4 11208綜采工作面局部區(qū)域二放大細(xì)觀圖

圖5 11208綜采工作面局部放大區(qū)域三細(xì)觀圖

2.2 綜采工作面流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

綜采工作面巷道空間內(nèi)風(fēng)流屬于紊流狀態(tài)，REGk-ε湍流模型能夠很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流動(dòng)，該模型適用于綜采工作面這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜受限空間內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算。將REGk-ε湍流模型方程與納維-斯托克斯方程組聯(lián)立構(gòu)建得到綜采工作面巷道空間內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型的方程組。采空區(qū)內(nèi)空氣流動(dòng)屬于非線性低速滲流過(guò)程，采用福希海默方程描述采空區(qū)內(nèi)空氣流動(dòng)，將福希海默方程與連續(xù)性方程聯(lián)立構(gòu)建得到采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型。

FLUENT軟件中提供有上述綜采工作面巷道空間風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型和采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合邊界條件，就構(gòu)成了綜采工作面風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型，邊界條件設(shè)置見表3。

綜采工作面風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬關(guān)鍵物理參數(shù)及其取值見表4，其中風(fēng)流密度由實(shí)測(cè)得到，壁面粗糙度參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。實(shí)測(cè)采空區(qū)空隙率與滲透率分布難度大，計(jì)算模型中對(duì)采空區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將采空區(qū)近似為均質(zhì)型多孔介質(zhì)，根據(jù)采空區(qū)冒落巖石堆積情況與壓實(shí)程度對(duì)采空區(qū)空隙率與滲透率進(jìn)行初步取值，采用插值試算法，對(duì)比采空區(qū)漏風(fēng)率模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，最終確定采空區(qū)空隙率與滲透率合理取值。

表3 邊界條件設(shè)置

表4 綜采工作面風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值模擬物理參數(shù)取值

3 綜采工作面風(fēng)流流場(chǎng)模擬分析研究

3.1 綜采工作面流場(chǎng)分布特征研究

圖6 綜采工作面局部放大區(qū)域氣壓場(chǎng)分布模擬結(jié)果

工作面局部放大區(qū)域氣壓場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)模擬結(jié)果如圖6、圖7所示，由圖6、圖7可得：①工作面支架支護(hù)區(qū)域內(nèi)氣壓逐漸降低，而工作面端頭超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氣壓驟降現(xiàn)象，表明工作面兩個(gè)端頭區(qū)域通風(fēng)阻力損失大于綜采工作面巷道內(nèi)通風(fēng)阻力損失；②工作面回風(fēng)側(cè)端頭超前支護(hù)區(qū)域風(fēng)速分布明顯比進(jìn)風(fēng)側(cè)端頭超前支護(hù)區(qū)域更加紊亂，說(shuō)明采煤機(jī)設(shè)備對(duì)風(fēng)速場(chǎng)具有顯著影響；③工作面巷道內(nèi)支架設(shè)備將巷道劃分為兩個(gè)明顯的風(fēng)速區(qū)域，靠近煤壁側(cè)區(qū)域的風(fēng)速明顯高于靠近采空區(qū)側(cè)區(qū)域的風(fēng)速，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速遠(yuǎn)小于回采工作面。

圖7 綜采工作面局部放大區(qū)域風(fēng)速場(chǎng)分布模擬結(jié)果

工作面巷道斷面內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)與氣壓場(chǎng)模擬結(jié)果如圖8所示。由圖8可得，工作面巷道斷面內(nèi)氣壓與風(fēng)速分布明顯不均勻，氣壓高的區(qū)域風(fēng)速低、風(fēng)速的區(qū)域氣壓高。

圖8 綜采工作面巷道斷面風(fēng)速場(chǎng)與氣壓場(chǎng)分布模擬結(jié)果

綜上所述，工作面內(nèi)氣壓場(chǎng)與風(fēng)速場(chǎng)分布明顯不均勻，具有典型的局部阻力損失特征，論證了綜采工作面通風(fēng)阻力損失為局部阻力損失，而傳統(tǒng)的局部阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式無(wú)法用于計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜采工作面風(fēng)阻值，下文將采用數(shù)值模擬方法對(duì)綜采工作面風(fēng)阻進(jìn)行定量計(jì)算。

3.2 綜采工作面風(fēng)阻隨風(fēng)量變化規(guī)律研究

式中，hs-n(Qs)為風(fēng)量為Qs條件下綜采工作面通風(fēng)阻力，Pa；Rs-n(Qs)為風(fēng)量為Qs條件下綜采工作面風(fēng)阻，Ns2/m8。

圖9 綜采工作面通風(fēng)阻力隨工作面風(fēng)量的變化曲線

圖10 綜采工作面風(fēng)阻隨工作面風(fēng)量的變化曲線

4 綜采工作面風(fēng)阻實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

將表1中綜采工作面實(shí)測(cè)風(fēng)量帶入式(7)計(jì)算得到不同工作面配風(fēng)量條件下綜采工作面風(fēng)阻，工作面風(fēng)阻實(shí)測(cè)結(jié)果與擬合函數(shù)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差均在6%以下，見表5，誤差主要來(lái)源于三方面，一方面是數(shù)值模擬中采空區(qū)空隙率與滲透率參數(shù)設(shè)置與實(shí)際情況之間存在一定偏差，另一方面是盡管數(shù)值模擬中考慮了回采工作面具體設(shè)備布置情況，但無(wú)法做到與實(shí)際情況完全一致，第三方面是數(shù)值模擬中未考慮由綜采工作面風(fēng)流熱量傳遞轉(zhuǎn)移而引起的風(fēng)流密度變化。

表5 綜采工作面風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

5 結(jié) 論

1)對(duì)河南新鄭煤電有限責(zé)任公司11208綜采工作面回采期間不同風(fēng)量條件下風(fēng)阻進(jìn)行實(shí)測(cè)計(jì)算，實(shí)測(cè)結(jié)果表明工作面風(fēng)阻隨風(fēng)量發(fā)生顯著變化，研究表明工作面風(fēng)阻具有非定值特點(diǎn)。

2)采用CFD模擬方法構(gòu)建11208綜采工作面風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型，模擬分析工作面內(nèi)氣壓場(chǎng)與風(fēng)速場(chǎng)分布特征，論證了綜采工作面通風(fēng)阻力損失具有明顯的局部通風(fēng)阻力損失特征?；谀M結(jié)果，采用數(shù)值分析方法擬合得到工作面風(fēng)量-風(fēng)阻特性曲線及函數(shù)表達(dá)式，函數(shù)表達(dá)式為二次拋物線型函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果之間相對(duì)誤差小于6%，研究表明CFD數(shù)值模擬方法能夠用于計(jì)算工作面風(fēng)量-風(fēng)阻特性曲線。