深井大面積采空區(qū)流場數(shù)值模擬研究

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(fèi)，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(jì)、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(shí)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(jì)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(gè)整體。

（2）網(wǎng)格的劃分

目前，CFD 計(jì)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(jì)算在符合實(shí)際的情況下，以較快速的計(jì)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(shí)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)動較為劇烈。測點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)采空區(qū)前端由于各密閉測點(diǎn)壓能不同，導(dǎo)致存在較大的風(fēng)流變化。測點(diǎn)1 處壓能最大，但其余各點(diǎn)相對于測點(diǎn)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(yùn)順漏風(fēng)趨勢不顯著，測點(diǎn)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(gè)壓能較大的區(qū)域使得風(fēng)流向采空區(qū)前端流動。測點(diǎn)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(yùn)順處風(fēng)流運(yùn)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(diǎn) 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(diǎn)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(diǎn)3、4 所確定的3下105 軌順、3下107 運(yùn)順壓能最大，風(fēng)流均由此處向其余各測點(diǎn)運(yùn)動，因此以3下105 軌順、3下107 運(yùn)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(gè)壓能較小的區(qū)域，使得3下109 運(yùn)順處及采空區(qū)前端的風(fēng)流向采空區(qū)后部流動。測點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)7 的風(fēng)流向采空區(qū)后方移動。測點(diǎn)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(shí)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(jì)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(shí)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。