綜采工作面采空區漏風規律數值模擬

唐明云 ，戴廣龍 ，秦汝祥 ，陳清華

(1. 安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南，232001；2. 安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南，232001)

掌握綜采工作面采空區漏風流動規律，對預防采空區自然發火具有重要作用。數值模擬是獲取綜采工作面采空區漏風及流場分布規律的主要手段，而采空區漏風阻力系數是數值模擬的關鍵參數[1-4]。模擬采空區流場分布主要有 3種理論[5]：達西定律、Bathmat非線性滲透定律和通風網絡理論。達西定律只適合層流流態，而采空區是介于層流和湍流之間的過渡流態；由于采空區內孔隙結構復雜，獲得Bathmat非線性滲透定律的各項參數比較困難。基于通風網絡理論得到的漏風阻力系數分布模型綜合考慮到工作面的推進速度、頂板巖性及其傾向上的下沉量等因素的影響[6-7]，符合實際采空區漏風阻力系數分布趨勢。由于采空區范圍廣，導致在數值模擬時，計算量非常大，需要大型計算機和很長時間來完成[8]，所以，網格如何劃分顯得非常重要。FLUENT是專業的流體力學計算軟件[9-10]，具有較強的網格處理技術，能夠根據計算結果中的模擬參數梯度不同，用自適應網格技術加密和粗化網格單元，從而保證計算的精度和速度。因此，本研究以國投新集能源股份有限公司劉莊礦的121103綜采工作面為例，采用基于通風網絡理論得到的漏風阻力系數模型，利用專業的流體力學計算軟件FLUENT進行流場模擬，分析得出綜采工作面的漏風范圍和采空區內的流場分布規律。

1 工作面概況

國投新集能源股份有限公司劉莊礦 121103工作面平均走向長為1 408.5 m，平均傾向長為201.6 m(凈煤壁)，煤厚為2.9～4.0 m，平均為3.6 m；沿煤層頂板采用綜合機械化開采，一次采全高，采用全部垮落法管理頂板，工作面推進速度為6.0～7.0 m/d；工作面直接頂為泥巖和粉砂巖，老頂為細砂巖；煤塵具有強爆炸危險性，經撫順分院所作的煤炭自燃傾向性鑒定報告，11-2煤為自燃煤層；根據淮南礦井資料，其發火期為3～6 m；在該工作面采用U型后退式上行通風方法，供風量為2 000 m3/min。

2 物理及數學模型

2.1 物理模型

由于采場的復雜性，需要對物理模型進行簡化。根據劉莊礦121103工作面的實際情況，工作面及進、回風巷的斷面積以專業測風員現場實測為主，采空區高度近似與工作面一致，得到三維采場物理模型示意圖，如圖1所示。

2.2 數學模型

由于采空區內漏風流態為過渡流，它在i方向上流體穩態質量及動量守恒方程為[9]：

圖1 采場物理模型示意圖Fig.1 Physical model schematic diagram of stope

式中：p為靜壓，Pa；vi為單元體在i方向上的平均流速，m/s；1/α為黏性阻力系數，1/m2；C2為慣性阻力系數，1/m；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體動力黏度，Pa·s。

假定采空區內空氣流動為不可壓，流體密度ρ和流體黏度μ近似為常數，所以，模型中影響因素主要為黏性阻力系數1/α和慣性阻力系數C2。

2.3 漏風阻力系數模型

應用通風網絡法模擬采空區濾流場，采用的采空區空氣動力阻力特性方程為[6-7]：

式中：R1為層流風阻，Pa·s/m3；R2為紊流風阻，Pa·s2/m6；Q為漏風量，m3/s。考慮采空區傾向的風阻變化，其計算公式為：

式中：a和b為經驗系數，取決于頂板冒落巖石性質，其值如表1所示；x為采空區內距工作面距離，m；l為采空區濾流分支的長度，m；s為采空區濾流分支的截面積，m2；k(y)為采空區傾向變化系數[11]；H1為采空區中部覆巖下沉量，m；H2為上、下邊界覆巖的下沉量，m；ly為采空區傾向長，m；c為冒落巖石的壓實系數，它與工作面推進速度vf有關，按下式計算：

表1 不同巖性冒落巖石的a和b系數Table 1 Coefficients of a and b of falling rock with different rock characteristics

分段考慮采空區頂板是否受壓實的影響，得到采空區的黏性阻力和慣性阻力系數分別為：

結合工作面實際頂板巖性，巖性系數取值：a=0.05，b=50；根據礦井實際條件及相關資料[6]，H1/H2取值為 1.30。最后，利用用戶自定義函數(UDF)對得到的漏風阻力系數模型進行編譯實現[12]。

3 漏風流場數值模擬

3.1 基本假設

(1) 采場流體為不可壓；

(2) 采空區視為各向同性的多孔介質；

(3) 進、回風巷在同一水平面，不考慮位能影響；

(4) 黏性阻力系數和慣性阻力系數在 z方向不發生變化。

3.2 FLUENT自適應網格技術

考慮到采空區范圍廣，所以先采用網格大小為 1 m×1 m×1 m的均勻網格進行計算。由于工作面壁面、工作面與采空區交接面附近的風流速度梯度大，為了計算更加精確，再根據均勻結構化網格計算出來的速度梯度對計算區域內網格進行自適應調整，針對速度梯度大于0.01 m/s的網格逐步進行加密，得到進風側附近調整前后在z=1.6 m處平面網格對照圖，如圖2和圖3所示。

圖2 進風側附近調整前網格分布Fig.2 Mesh distribution before rectified in inlet side

圖3 進風側附近調整后網格分布Fig.3 Mesh distribution after rectified in inlet side

3.3 模擬邊界條件

根據流場基本假設及現場實際條件，進風巷入口設置為速度入口，入口平均風速為2.39 m3/s；回風巷出口設置為出流邊界；工作面與采空區交界面設置為流體內部邊界；其他面都近似地設置為絕流邊界[9]。

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3.4 模擬結果及分析

根據模擬結果，得到工作面傾向上距進風巷外幫不同距離的風量分布圖，如圖4所示。

由于現場工作人員無法進入采空區試驗，因此，驗證采空區漏風流場模擬結果是否合理非常困難。但如果測量得到的工作面傾向上風量分布趨勢與模擬結果一致，便說明模擬結果比較合理[4]。為了驗證模擬結果是否合理，對121103工作面風量沿傾向分段進行測試。考慮到綜采工作面斷面復雜，特別是還有液壓支架的影響，要非常準確測量工作面傾向上不同位置的風量非常困難。為了使測試結果更加合理，整個測風過程由同一個專業測風員完成，以減少人為誤差，測試結果如圖4所示。

圖4 工作面傾向上風量分布圖Fig.4 Ventilation quantity distribution of working face in gradient direction

從圖4可知：模擬得到的工作面風量分布趨勢與實測結果基本一致。工作面上的風量分布不均勻，工作面下隅角附近風量最小；在工作面中部，風量變化不大，靠近工作面回風側，風量逐漸增大。實測風量表明：在工作面的140～170 m處出現風量變小的現象，說明在工作面的上部還有少量風量漏入采空區，這主要是因為在上隅角采空區采用了埋管抽放瓦斯措施。

根據圖4可以得到工作面在傾向上不同距離段的漏風量柱狀圖(漏風量為正時表示向采空區漏入，負值表示由采空區漏出)，如圖5所示。從圖5可以看出：在工作面傾向上0～10 m范圍內，漏入采空區的風量為190～240 m3/min；而在10～25 m區間內，采空區內的風量又有部分返回至工作面內。由此可以判斷，工作面進風側的漏風范圍主要發生在0～25 m區域內。在制定采空區防滅火措施時，應加強工作面傾向上0～25 m范圍的通風管理，盡可能隔絕這段范圍內工作面與采空區的漏風通道；在25～215 m區間內，工作面風量變化不大。這一方面是因為采空區中部不受煤壁的支撐而被壓實，漏風阻力大；另一方面，工作面風流方向未發生變化，不受動能慣性作用影響。在215～230 m區間內，采空區內的絕大部分剩余漏風量流回至工作面。

由于黏性阻力系數和慣性阻力系數在z方向不發生變化，而且不考慮位能影響，所以，流場在垂向 z方向基本不變化，因此，以z=1.0 m處的二維流場等值線圖來分析采場在走向及傾向的流場分布是合理的。根據模擬結果，得到z=1.0 m處的二維流場等值線如圖6所示。

圖5 工作面傾向上漏風量柱狀圖Fig.5 Histogram of air leakage of working face on gradient direction

圖6 z=1.0 m時二維流場等值線圖Fig.6 Contours of two dimension flow field at z=1.0 m

4 結論

(1) 利用FLUENT中的自適應網格技術，優化了計算資源，減少計算帶來的誤差。

(2) 模擬得到的工作面風量分布趨勢與實測風量分布相吻合，說明模擬結果較合理。

(3) 采空區漏風流場等值線在工作面傾向上并不是呈對稱分布。

(4) 采空區走向0～10 m及傾向20～30 m區域內存在低速區，容易引起煤氧化升溫。

(5) 工作面向采空區漏風主要發生在傾向上0～25 m范圍內，在該區域內，部分漏風量又回至工作面。

致謝：本文得到國投新集劉莊礦業有限公司的領導及現場工作人員大力支持，在此表示衷心感謝。

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