羅聰亮，　王海橋,2，　陳世強(qiáng),2，　彭　熒，　李軼群,2

(1. 湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 湖南省礦山通風(fēng)與除塵裝備工程技術(shù)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(dòng)場影響的模擬研究

羅聰亮1，王海橋1,2，陳世強(qiáng)1,2，彭熒1，李軼群1,2

(1. 湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 湖南省礦山通風(fēng)與除塵裝備工程技術(shù)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(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，為研究U型工作面采空區(qū)微流動(dòng)場在工作面兩端壓差變化情況下的分布規(guī)律，運(yùn)用GAMBIT建立采空區(qū)多孔介質(zhì)模型，應(yīng)用流體力學(xué)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(fēng)流場寬度加大，并且壓差對采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷處的漏風(fēng)流場分布規(guī)律影響較大，對中部漏風(fēng)流場的分布規(guī)律影響較??；同時(shí)，壓差的變化也會(huì)對采空區(qū)深部的氣體造成微小的流動(dòng)，產(chǎn)生“呼吸”、“吞吐”效應(yīng)。

采空區(qū)； CFD； 空氣微流動(dòng)； 壓差

采空區(qū)是煤體開采后留下的半封閉多孔介質(zhì)空間，采空區(qū)的空氣流動(dòng)與瓦斯涌出及遺煤氧化自燃有密切關(guān)系[1-2]。如果工作面通風(fēng)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(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，主要是依靠分子擴(kuò)散及由于濃度梯度引起的濃度差擴(kuò)散。實(shí)際上，礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)性。通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化，會(huì)造成風(fēng)流脈動(dòng)，使工作面通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)壓、風(fēng)量發(fā)生一系列變化，采空區(qū)產(chǎn)生的“呼吸效應(yīng)”，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(dòng)可以分為兩個(gè)區(qū)：一是擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)，風(fēng)流沿進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面，一部分風(fēng)流經(jīng)過工作面進(jìn)入工作面回風(fēng)巷，另一部分由于射流慣性和擴(kuò)散作用，風(fēng)流流經(jīng)靠近工作面的采空區(qū)后，進(jìn)入工作面回風(fēng)巷，擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)的范圍大小主要由進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速及工作面后方采空區(qū)冒落與壓實(shí)情況決定；二是微流動(dòng)區(qū)，微流動(dòng)區(qū)氣體流動(dòng)主要是工作面通風(fēng)壓力的變化產(chǎn)生的呼吸、吞吐效應(yīng)，以及煤氧化熱產(chǎn)生溫差擴(kuò)散和濃度梯度擴(kuò)散流動(dòng)，其中以采空區(qū)內(nèi)外壓力差變化導(dǎo)致的微流動(dòng)為主。為了研究動(dòng)態(tài)通風(fēng)情況下采空區(qū)空氣流動(dòng)規(guī)律，筆者應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)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(jì)算模型與邊界條件

1.1采空區(qū)物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)某煤礦工作面的實(shí)際情況，建立U型通風(fēng)條件下的物理模型，具體模型尺寸如下：進(jìn)回風(fēng)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(jù)網(wǎng)格劃分的基本原則，使用建模工具GAMBIT在笛卡爾坐標(biāo)系(坐標(biāo)原點(diǎn)在進(jìn)風(fēng)巷左下角)下建立二維模型并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采空區(qū)物理模型主要分為進(jìn)回風(fēng)巷道及工作面和采空區(qū)兩個(gè)區(qū)域，對兩個(gè)區(qū)域采用分塊生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對進(jìn)回風(fēng)巷道及工作面采用網(wǎng)格間距為0.5 m進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分；采空區(qū)網(wǎng)格間距1.0 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2數(shù)學(xué)模型

氣體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒定律，且包含不同組分的混合、傳質(zhì)，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(xué)描述，采空區(qū)氣體流動(dòng)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(zhì)量源項(xiàng)。

(2)動(dòng)量守恒方程

對于層流來說，采空區(qū)多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程可簡化為達(dá)西定律[5]，即

(2)

式中：v——滲流速度，m/s；

K——滲透率，m2；

μ——流體動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；

▽p——滲流壓力梯度，Pa/m。

當(dāng)滲流中流體慣性力相比黏性力不能再被忽略時(shí)，多孔介質(zhì)中滲流將進(jìn)入非線性滲流階段[6]。此時(shí)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(yùn)動(dòng)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(zhì)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(zhì)量守恒方程

(4)

式中：φs——組分s的體積分?jǐn)?shù)，%；

ρs——該組分的密度，kg/m3；

Ds——該組分的擴(kuò)散系數(shù)；

ss——該組分質(zhì)量源項(xiàng)。

1.3邊界條件

由于通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，工作面外部通風(fēng)系統(tǒng)變化會(huì)導(dǎo)致工作面風(fēng)壓和風(fēng)量的變化；另外，工作面推進(jìn)過程，工作面風(fēng)阻也會(huì)變化，定義邊界條件如下：

(1)進(jìn)風(fēng)巷入口設(shè)定為速度入口(velocity-inlet)，且工作面通風(fēng)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(shí)對應(yīng)的工作面兩端壓差為38、58和78 Pa。

(2)回風(fēng)巷出口設(shè)定為壓力出口(pressure-outlet)。

(3)根據(jù)礦山壓力研究，沿采空區(qū)走向方向，距離工作面越遠(yuǎn)，垮落巖石壓實(shí)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(nèi)的區(qū)域定為自然堆積區(qū)對應(yīng)前面劃分的擴(kuò)散流動(dòng)區(qū)，取孔隙率為0.4，40 m以后為載荷影響區(qū)和壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)對應(yīng)前面劃分的微流動(dòng)區(qū)，取孔隙率為0.2。

2　模擬結(jié)果與分析

當(dāng)工作面兩端壓差Δp分別為38、58和78 Pa時(shí)，對應(yīng)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(jìn)風(fēng)巷側(cè)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(fēng)主要是由進(jìn)風(fēng)巷附近漏入，且漏風(fēng)帶的寬度和漏風(fēng)風(fēng)速隨工作面兩端壓差增大而增大。采空區(qū)兩道處的漏風(fēng)比較嚴(yán)重，且沿工作面向采空區(qū)深部方向，距離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)風(fēng)速越小，最后趨向于0。

圖4a是三組壓差下進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)的靜壓分布曲線，可以看出采空區(qū)40 m內(nèi)的區(qū)域(對應(yīng)前面的擴(kuò)散流動(dòng)區(qū))的靜壓值變化的更快，采空區(qū)40 m后的區(qū)域(對應(yīng)前面的微流動(dòng)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(gè)凹點(diǎn)，產(chǎn)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(huì)較快進(jìn)入壓實(shí)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?？梢钥闯鲈撉€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(fēng)巷側(cè)采空區(qū)靜壓曲線。可以看出在回風(fēng)巷側(cè)，采空區(qū)前30～40 m內(nèi)的靜壓值小于采空區(qū)深部的靜壓值，運(yùn)用氣體能量方程(忽略位壓)

(5)

式中:p1、p2——采空區(qū)兩點(diǎn)1、2的相對壓強(qiáng)，Pa；

p1-2——兩點(diǎn)之間的壓強(qiáng)損失，Pa。

如果1為回風(fēng)巷某點(diǎn)，2為該側(cè)采空區(qū)內(nèi)某點(diǎn)，由靜壓云圖和靜壓曲線可知，p1小于p2，此時(shí)該側(cè)氣體會(huì)在壓差驅(qū)動(dòng)下由采空區(qū)流向工作面回風(fēng)巷；同理，如果1為進(jìn)風(fēng)巷某點(diǎn)，2為該側(cè)采空區(qū)內(nèi)某點(diǎn)，此時(shí)p1大于p2，氣體會(huì)由進(jìn)風(fēng)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(kuò)散流動(dòng)區(qū)，靜壓值變化較大，該區(qū)域主要是由進(jìn)風(fēng)巷處空氣的射流慣性和擴(kuò)散作用引起的流動(dòng)；而40 m后的微流動(dòng)區(qū)域，靜壓值幾乎不變化，此時(shí)該區(qū)域的氣體流速很小或相對靜止。當(dāng)工作面兩端壓差增大或減小時(shí)，微流動(dòng)區(qū)域靜壓也會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，此時(shí)該區(qū)域的氣體會(huì)在微小壓差的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生微小的流動(dòng)，或流向采空區(qū)，或流向工作面，產(chǎn)生“呼吸”、“吞吐”效應(yīng)。

3　結(jié)　論

(1)通風(fēng)動(dòng)態(tài)性會(huì)引起U型通風(fēng)工作面兩端壓差變化，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)壓力的變化。

(2)采空區(qū)就像一個(gè)氣囊，外界壓力增大時(shí)，高于采空區(qū)內(nèi)部壓力，則進(jìn)一步充氣，即向采空區(qū)壓入風(fēng)流；外界壓力變小時(shí)，低于采空區(qū)內(nèi)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(nèi)外壓力振蕩，產(chǎn)生壓差，形成“呼吸”、“吞吐”效應(yīng)，使采空區(qū)內(nèi)形成緩慢對流的微流動(dòng)，不斷與外界空氣進(jìn)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(dòng)態(tài)通風(fēng)情況下的采空區(qū)風(fēng)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.

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[3]李永存， 林愛暉， 王海橋， 等. 風(fēng)流脈動(dòng)下采空區(qū)流聲數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國工程科學(xué)， 2008 10(2)： 41-45.

[4]時(shí)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(xué)報(bào), 2010,27(4):568-571.[5]車強(qiáng). 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(xué), 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(xué)基金項(xiàng)目(U1361118)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JJ2061)

羅聰亮(1991-)，男，湖南省衡陽人，碩士，研究方向：地下通風(fēng)與空調(diào)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(fēng)與空氣潔凈技術(shù)，E-mail:hqwang1962@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.001

TD721; O357.3

2095-7262(2016)01-0001-04

A