深井大面積采空區流場數值模擬研究

路文斌 裴寶地 王繼勝

（棗礦集團滕東煤業有限公司，山東 滕州 277510）

煤的自然發火受煤自身物化結構和外部環境兩方面影響[1]。礦井火災多數屬于內因火災，礦井火災通常較外因火災更具隱蔽性、危害性和復雜性[2]。

煤層自燃造成資源大量浪費，污染礦井和外部環境，破壞生態，威脅一線工人的生命安全。滕東煤礦自然發火防治難度大是由于自然發火期過短，開采深度大，煤層底板溫度局部高達40.4 ℃，屬于二級熱害區[3-4]。在設計、開采過程中，對3下109工作面防火形勢認識欠缺，導致工作面封閉，經過防、治、封、治反復治理過程，最終滅火工作全面順利完成。研究采空區漏風規律具有重要意義[5]，可為現場采空區煤炭自燃防治提供科學指導。

1 采空區內部流場數值模型

入口邊界條件包括大氣壓力、風速。采空區各密閉巷道均選擇壓力入(出)口，巷道區域的邊界條件為流體，使用自定義函數UDF 實現，空氣密度選擇Boussinesq 假設，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）計算區域及模型的建立

模擬的區域包 括 3下103、3下105、3下107、3下109 采空區。其中，根據給定的邊界壓能參數確定大致的風流方向。對礦井的采空區進行合理性的簡化，認為其大面積連通并看成一個整體。

（2）網格的劃分

目前，CFD 計算中采用兩種形式，即有結構化網格和非結構化網格。在對一些細節進行簡化后，盡量選擇結構化網格，確保使計算在符合實際的情況下，以較快速的計算速度模擬出結果。

2 數值模擬結果及分析

圖1 為代表冬季氣候的一天中凌晨時的采空區內部流場數值模擬圖。由圖1 可知，在凌晨，采空區前端的進出風口，存在較為明顯的風流速度影響區域，說明采空區內部后方風流速度較為緩慢，采空區前端風流速度較快，各進出風口間的氣體交換相對明顯。數值模擬圖表明在3下107 運順、3下109軌順處風流速度大，其所影響的采空區范圍要比其余進風側所影響的采空區范圍大很多。由采空區沿X 軸和沿Y 軸數值模擬圖可知，測點2、3、4 處風速較大，采空區影響區域聯系緊密，說明在3下105采空區前端風流運動較為劇烈。測點1、7 均為進風，風流速度表現不是很強烈。采空區后方情況經推測，與代表冬季氣候一天中凌晨時采空區內部流場圖規律一致。

圖1 代表冬季氣候的一天中凌晨時的采空區內部流場和流場數值模擬圖

圖2 代表冬季氣候的一天中上午時的采空區內部流場和流場數值模擬圖

由圖2 數值模擬結果可知，上午時采空區前端由于各密閉測點壓能不同，導致存在較大的風流變化。測點1 處壓能最大，但其余各點相對于測點1風速分布并不明顯，說明其余各進出風口相對3下103 運順漏風趨勢不顯著，測點1 處風流流速分布占據一定的3下103 采空區的長度和寬度。表明采空區后部存在一個壓能較大的區域使得風流向采空區前端流動。測點2 處壓能最小，在3下105 采空區前端Y 軸方向較大范圍風流速度大，表明3下103 軌順、3下105 運順處風流運動較為劇烈，但對深部采空區影響不大，主要風流來源于相鄰采空區的進出風口。測點 5、6 確定的 3下107 軌順，3下109 軌順處的風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 軌順處的風流不僅來自于相鄰采空區的壓能差，在3下107 采空區后方存在壓能較大的區域使風流向采空區前端移動。測點7 處風速變化影響區域不大，表明采空區內部壓能差值不大。

由圖3 數值模擬結果可知，在下午，各進漏風口壓能較大。根據測點3、4 所確定的3下105 軌順、3下107 運順壓能最大，風流均由此處向其余各測點運動，因此以3下105 軌順、3下107 運順為中心沿Y 軸方向大部分采空區范圍風流速度均較大。由沿X 軸、沿Y 軸風流速度分布可知，3下105、3下107采空區后部存在壓能更大的區域，使得風流由采空區后部向采空區前端移動。3下109 采空區后方存在一個壓能較小的區域，使得3下109 運順處及采空區前端的風流向采空區后部流動。測點1 處風流速度較小，分布范圍不大，采空區內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的采空區內部流場和流場數值模擬圖

由圖4 數值模擬結果可知，在晚上，測點7 壓能最大，且由風流速度數值模擬圖可知，從3下109采空區到3下103 采空區風流速度分布范圍大致保持較小趨勢，表明風流主要由壓能最大的3下109 運順向其他進漏風口移動。沿X 軸、Y 軸風速數值模擬圖可知，風流速度影響采空區范圍較大，距離較長，表明3下109 采空區后方存在壓能較小的區域，使得采空區前端及測點7 的風流向采空區后方移動。測點3、4 處壓能較小，但風流速度沿X 軸、沿Y 軸分布范圍較大，表明采空區后方存在壓能較大的區域，使得風流由后方向采空區前端流動。其余進漏風處風速較小，分布范圍不大，采空區內部壓能變化不明顯。

圖4 代表冬季氣候的一天中晚上時的采空區內部流場和流場數值模擬圖

3 結論

（1）建立了基于GAMBIT 軟件采空區的計算模型并進行網格劃分，借助流體仿真軟件FLUENT對采空區內部空氣流動進行動力性分析。

（2）模擬了不同時刻條件下，深部礦井采空區內部風流的形成及變化，風速分布，得出采空區內部流場的變化規律。

（3）所得數值模擬結果能為采空區災害防治提供重要的理論參考。