礦井尺度下采場流動與傳熱的數(shù)值模擬.pdf

1、礦井火災(zāi)和熱害問題一直是煤礦生產(chǎn)的主要威脅，盡管國內(nèi)外許多學者在防治自燃的發(fā)生方面進行了大量的研究，但是遺煤氧化散熱造成的火災(zāi)事故仍時有發(fā)生。在采動影響下，冒落巖體和遺煤在地下形成的多孔松散采空區(qū)是自燃發(fā)生的重災(zāi)區(qū)。采空區(qū)與工作面之間不可避免地存在著漏風聯(lián)系，采空區(qū)漏風是引起遺煤氧化，形成采空區(qū)煤炭自燃的重要原因。因此研究采動影響下采空區(qū)內(nèi)漏風流場及溫度場的分布規(guī)律，以此研究相應(yīng)的通風策略，對于預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火，促進安全生產(chǎn)具有重要意

2、義。 基于多孔介質(zhì)流體動力學研究的最新進展，本文采用數(shù)值模擬方法研究了采場內(nèi)的風流流動和溫度場分布規(guī)律。首先，采用容積平均理論詳細推導(dǎo)了采場流動、傳熱和氧氣濃度的數(shù)學模型。其中在流函數(shù)-渦量表示的動量方程中引入Brinkman-Forchheimer的擴展Darcy模型，來描述采空區(qū)內(nèi)層流、過渡流和紊流共存的復(fù)雜流態(tài)；引入純流體與多孔介質(zhì)交界面保持屬性連續(xù)的單區(qū)域處理方法，將工作面與采空區(qū)作為統(tǒng)一求解區(qū)域進行求解；在溫度場方程中

3、考慮了圍巖和風流的熱交換、采煤設(shè)備的放熱及采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應(yīng)產(chǎn)熱等因素。此外，為了更準確地模擬采場流動換熱狀況，本文基于上覆巖層的沉降理論，建立了孔隙率和滲透率在采空區(qū)傾向和走向二維空間內(nèi)連續(xù)不均勻分布的計算模型。最終采用控制容積法對控制方程組進行了離散，利用FORTRAN語言編制程序進行了求解；其次，利用實驗室數(shù)據(jù)和典型采場工作面內(nèi)實測數(shù)據(jù)對流動傳熱模型進行了二級驗證，兩者較好的吻合結(jié)果證明了模型的準確性；最后針對所研究的采場計算了

4、不同供風量下的采場溫度場分布；同時針對不同孔隙率模型對采空區(qū)流場與溫度場進行了數(shù)值模擬和實測對比。 對典型U形采場流場溫度場的模擬結(jié)果表明，采場漏風風流在采空區(qū)深度方向上，沿垂直于工作面煤壁的中心線呈現(xiàn)出非對稱的分布規(guī)律，這個結(jié)果修正了以往模擬研究中得出的風流對稱分布規(guī)律。這也造成了采空區(qū)進風巷附近的風流速度明顯高于回風巷附近區(qū)域，但離工作面越遠，漏風速度的差異越小，采空區(qū)深處已幾乎沒有區(qū)別；采空區(qū)前半段的等溫線大致以進風巷為中