呂邦國

2 幾何模型與邊界條件

模型長度600m，寬度200m，高度30 m。模型巷道高4m，寬5m。模型共分為5部分：實體煤，煤層老頂，采空區(qū)遺煤，采空區(qū)垮落巖石，巷道。工作面左側(cè)為6m厚的未開采實體煤，工作面頂板及其左側(cè)為24m厚的完整煤層老頂。右側(cè)為采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)模型分為兩部分，底部為2m厚的遺煤，上部為28m后的垮落巖石。

在Fluent軟件中利用UDF將采空區(qū)滲透率納入CFD模型。通過改變網(wǎng)格方案和網(wǎng)格單元尺寸，對模型進行多次運行，以檢驗結(jié)果的網(wǎng)格獨立性并平衡運行時間。結(jié)果表明，在現(xiàn)有網(wǎng)格方案和單元數(shù)約300萬的情況下，求解是網(wǎng)格無關(guān)的，耗時也可以接受。

進風(fēng)口為速度入口，風(fēng)量為1800m³/min，風(fēng)速為2m/s。留巷和回風(fēng)巷均為壓力出口，5個底抽孔均設(shè)為恒壓-10kPa的排氣扇出口。其他區(qū)域均設(shè)為壁面邊界。純凈的空氣從進風(fēng)巷進入，從回風(fēng)巷和瓦斯抽采孔離開。

3 采空區(qū)風(fēng)流場漏風(fēng)規(guī)律

為了研究不同配風(fēng)量對Y型通風(fēng)采空區(qū)風(fēng)流場規(guī)律的影響，在保持其他條件不變下，通過改變進風(fēng)巷道的總進風(fēng)量進行相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，有設(shè)計以下3種方案：第一種方案的總配風(fēng)量為1350m³/min，風(fēng)流全通過進風(fēng)巷進入，由沿空留巷，和軌順回風(fēng)巷流出;第二種情況下總配風(fēng)量為1800m³/min;第三種情況下總配風(fēng)量為2700m³/min。對照這3種情況進行以下模擬。

圖1為總配風(fēng)量為1350m³/min時工作面的三維速度渲染圖和流線圖。在速度渲染圖1（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為1350m³/min時，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.005m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。在巷道部分風(fēng)流速度超過0.01m/s，顯示為紅色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回風(fēng)巷的位置也有很少的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域;采空區(qū)前端大部分區(qū)域為風(fēng)速為0.005m/s綠色部分，采空區(qū)風(fēng)流主要從此區(qū)域通過。隨著向采空區(qū)深部方向，逐漸變?yōu)闇\藍色區(qū)域表示風(fēng)速在0.002m/s左右，風(fēng)流通過此區(qū)域時風(fēng)速逐漸由0.005m/s減小到0.001m/s。左側(cè)的實體煤處為藍色，說明實體煤內(nèi)流速很小。

在速度流線圖1（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線密集，說明漏風(fēng)的速度和總量較多。在采空區(qū)中主要有3個風(fēng)流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)結(jié)束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，并與留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

圖2為總配風(fēng)量為1800m³/min時工作面的三維速度渲染圖和流線圖。在速度渲染圖2（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為1800m³/min時，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.007m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。在巷道部分風(fēng)流速度超過0.01m/s，顯示為紅色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回風(fēng)巷的位置有一定量的的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域;采空區(qū)前端大部分區(qū)域為風(fēng)速為0.007m/s黃綠色部分，采空區(qū)風(fēng)流主要從此區(qū)域通過。隨著向采空區(qū)深部方向，逐漸變?yōu)榍鄥^(qū)域，表示風(fēng)速在0.003m/s左右，風(fēng)流通過此區(qū)域時風(fēng)速逐漸由0.007m/s減小到0.002m/s。

在速度流線圖2（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線密集，說明漏風(fēng)的速度和總量較多，前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)結(jié)束。和總配風(fēng)量為1350m³/min時相比，采空區(qū)風(fēng)流運動方向和規(guī)律比較相似，在采空區(qū)中也有3個主要風(fēng)流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)結(jié)束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，和留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

圖3為總配風(fēng)量為2700m³/min時工作面的三維速度渲染圖和流線圖。在速度渲染圖3（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為2700m³/min時，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.01m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。與前兩種總進風(fēng)量情況相比，總配風(fēng)量為2700m³/min時采空區(qū)前端漏風(fēng)速度大大增加，但在采空區(qū)深部，漏風(fēng)速度區(qū)別不大。在巷道部分風(fēng)流速度超過0.01m/s，顯示為紅色;采空區(qū)前端有大量的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域，采空區(qū)風(fēng)流主要從此區(qū)域通過。隨著向采空區(qū)深部方向，逐漸變?yōu)榫G色區(qū)域，表示風(fēng)速在0.005m/s左右，風(fēng)流通過此區(qū)域時風(fēng)速逐漸由0.01m/s減小到0.003m/s。且在此時，留巷側(cè)和回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速有較強的不對稱性，在采空區(qū)前中部的綠色區(qū)域，留巷側(cè)的風(fēng)速要大于回風(fēng)側(cè)。

在速度流線圖3（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線密集，說明漏風(fēng)的速度和總量較多，前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)結(jié)束。與總配風(fēng)量為1350m³/min和1800m³/min時相比，采空區(qū)風(fēng)流運動方向和規(guī)律比較相似，在采空區(qū)中也有3個主要風(fēng)流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)結(jié)束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，和留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

4 結(jié)語

應(yīng)用Ansys Fluent軟件對張集煤礦工作面在不同配風(fēng)量下的風(fēng)流場特征進行數(shù)值模擬，對工作面進行Y型通風(fēng)且總配風(fēng)量分別為1350m³/min、1800m³/min、2700m³/min時采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進行研究，得到了采空區(qū)的風(fēng)流特征。隨著總配風(fēng)量的增大，采空區(qū)整體的漏風(fēng)速度增加，且采空區(qū)前部漏風(fēng)速度比尾部漏風(fēng)速度增長快，留巷側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)速度比回風(fēng)側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)速度增長快。

參考文獻