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        深井大面積采空區(qū)流場數(shù)值模擬研究

        2021-01-09 05:37:48路文斌裴寶地王繼勝
        山東煤炭科技 2020年12期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)流流場采空區(qū)

        路文斌 裴寶地 王繼勝

        (棗礦集團(tuán)滕東煤業(yè)有限公司,山東 滕州 277510)

        煤的自然發(fā)火受煤自身物化結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境兩方面影響[1]。礦井火災(zāi)多數(shù)屬于內(nèi)因火災(zāi),礦井火災(zāi)通常較外因火災(zāi)更具隱蔽性、危害性和復(fù)雜性[2]。

        煤層自燃造成資源大量浪費,污染礦井和外部環(huán)境,破壞生態(tài),威脅一線工人的生命安全。滕東煤礦自然發(fā)火防治難度大是由于自然發(fā)火期過短,開采深度大,煤層底板溫度局部高達(dá)40.4 ℃,屬于二級熱害區(qū)[3-4]。在設(shè)計、開采過程中,對3下109工作面防火形勢認(rèn)識欠缺,導(dǎo)致工作面封閉,經(jīng)過防、治、封、治反復(fù)治理過程,最終滅火工作全面順利完成。研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律具有重要意義[5],可為現(xiàn)場采空區(qū)煤炭自燃防治提供科學(xué)指導(dǎo)。

        1 采空區(qū)內(nèi)部流場數(shù)值模型

        入口邊界條件包括大氣壓力、風(fēng)速。采空區(qū)各密閉巷道均選擇壓力入(出)口,巷道區(qū)域的邊界條件為流體,使用自定義函數(shù)UDF 實現(xiàn),空氣密度選擇Boussinesq 假設(shè),模型求解器選擇分離式(Segregated)。湍流模型選擇適用范圍廣、精度合理的K-ζ 雙方程模型,并選擇能量方程。壓力速度耦合方法選擇SIMPLE 算法以提高收斂速度,減小溫度和/或密度的亞松弛因子,改為0.8。

        (1)計算區(qū)域及模型的建立

        模擬的區(qū)域包 括 3下103、3下105、3下107、3下109 采空區(qū)。其中,根據(jù)給定的邊界壓能參數(shù)確定大致的風(fēng)流方向。對礦井的采空區(qū)進(jìn)行合理性的簡化,認(rèn)為其大面積連通并看成一個整體。

        (2)網(wǎng)格的劃分

        目前,CFD 計算中采用兩種形式,即有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在對一些細(xì)節(jié)進(jìn)行簡化后,盡量選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,確保使計算在符合實際的情況下,以較快速的計算速度模擬出結(jié)果。

        2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        圖1 為代表冬季氣候的一天中凌晨時的采空區(qū)內(nèi)部流場數(shù)值模擬圖。由圖1 可知,在凌晨,采空區(qū)前端的進(jìn)出風(fēng)口,存在較為明顯的風(fēng)流速度影響區(qū)域,說明采空區(qū)內(nèi)部后方風(fēng)流速度較為緩慢,采空區(qū)前端風(fēng)流速度較快,各進(jìn)出風(fēng)口間的氣體交換相對明顯。數(shù)值模擬圖表明在3下107 運順、3下109軌順處風(fēng)流速度大,其所影響的采空區(qū)范圍要比其余進(jìn)風(fēng)側(cè)所影響的采空區(qū)范圍大很多。由采空區(qū)沿X 軸和沿Y 軸數(shù)值模擬圖可知,測點2、3、4 處風(fēng)速較大,采空區(qū)影響區(qū)域聯(lián)系緊密,說明在3下105采空區(qū)前端風(fēng)流運動較為劇烈。測點1、7 均為進(jìn)風(fēng),風(fēng)流速度表現(xiàn)不是很強(qiáng)烈。采空區(qū)后方情況經(jīng)推測,與代表冬季氣候一天中凌晨時采空區(qū)內(nèi)部流場圖規(guī)律一致。

        圖1 代表冬季氣候的一天中凌晨時的采空區(qū)內(nèi)部流場和流場數(shù)值模擬圖

        圖2 代表冬季氣候的一天中上午時的采空區(qū)內(nèi)部流場和流場數(shù)值模擬圖

        由圖2 數(shù)值模擬結(jié)果可知,上午時采空區(qū)前端由于各密閉測點壓能不同,導(dǎo)致存在較大的風(fēng)流變化。測點1 處壓能最大,但其余各點相對于測點1風(fēng)速分布并不明顯,說明其余各進(jìn)出風(fēng)口相對3下103 運順漏風(fēng)趨勢不顯著,測點1 處風(fēng)流流速分布占據(jù)一定的3下103 采空區(qū)的長度和寬度。表明采空區(qū)后部存在一個壓能較大的區(qū)域使得風(fēng)流向采空區(qū)前端流動。測點2 處壓能最小,在3下105 采空區(qū)前端Y 軸方向較大范圍風(fēng)流速度大,表明3下103 軌順、3下105 運順處風(fēng)流運動較為劇烈,但對深部采空區(qū)影響不大,主要風(fēng)流來源于相鄰采空區(qū)的進(jìn)出風(fēng)口。測點 5、6 確定的 3下107 軌順,3下109 軌順處的風(fēng)流速度分布范圍在沿X 軸、沿Y 軸方向上影響范圍都較大,表明3下107 軌順、3下109 軌順處的風(fēng)流不僅來自于相鄰采空區(qū)的壓能差,在3下107 采空區(qū)后方存在壓能較大的區(qū)域使風(fēng)流向采空區(qū)前端移動。測點7 處風(fēng)速變化影響區(qū)域不大,表明采空區(qū)內(nèi)部壓能差值不大。

        由圖3 數(shù)值模擬結(jié)果可知,在下午,各進(jìn)漏風(fēng)口壓能較大。根據(jù)測點3、4 所確定的3下105 軌順、3下107 運順壓能最大,風(fēng)流均由此處向其余各測點運動,因此以3下105 軌順、3下107 運順為中心沿Y 軸方向大部分采空區(qū)范圍風(fēng)流速度均較大。由沿X 軸、沿Y 軸風(fēng)流速度分布可知,3下105、3下107采空區(qū)后部存在壓能更大的區(qū)域,使得風(fēng)流由采空區(qū)后部向采空區(qū)前端移動。3下109 采空區(qū)后方存在一個壓能較小的區(qū)域,使得3下109 運順處及采空區(qū)前端的風(fēng)流向采空區(qū)后部流動。測點1 處風(fēng)流速度較小,分布范圍不大,采空區(qū)內(nèi)部壓能變化不是很明顯。

        圖3 代表冬季氣候的一天中下午時的采空區(qū)內(nèi)部流場和流場數(shù)值模擬圖

        由圖4 數(shù)值模擬結(jié)果可知,在晚上,測點7 壓能最大,且由風(fēng)流速度數(shù)值模擬圖可知,從3下109采空區(qū)到3下103 采空區(qū)風(fēng)流速度分布范圍大致保持較小趨勢,表明風(fēng)流主要由壓能最大的3下109 運順向其他進(jìn)漏風(fēng)口移動。沿X 軸、Y 軸風(fēng)速數(shù)值模擬圖可知,風(fēng)流速度影響采空區(qū)范圍較大,距離較長,表明3下109 采空區(qū)后方存在壓能較小的區(qū)域,使得采空區(qū)前端及測點7 的風(fēng)流向采空區(qū)后方移動。測點3、4 處壓能較小,但風(fēng)流速度沿X 軸、沿Y 軸分布范圍較大,表明采空區(qū)后方存在壓能較大的區(qū)域,使得風(fēng)流由后方向采空區(qū)前端流動。其余進(jìn)漏風(fēng)處風(fēng)速較小,分布范圍不大,采空區(qū)內(nèi)部壓能變化不明顯。

        圖4 代表冬季氣候的一天中晚上時的采空區(qū)內(nèi)部流場和流場數(shù)值模擬圖

        3 結(jié)論

        (1)建立了基于GAMBIT 軟件采空區(qū)的計算模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,借助流體仿真軟件FLUENT對采空區(qū)內(nèi)部空氣流動進(jìn)行動力性分析。

        (2)模擬了不同時刻條件下,深部礦井采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流的形成及變化,風(fēng)速分布,得出采空區(qū)內(nèi)部流場的變化規(guī)律。

        (3)所得數(shù)值模擬結(jié)果能為采空區(qū)災(zāi)害防治提供重要的理論參考。

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