综采工作面采空区漏风规律数值模拟

唐明云^{1, 2}，戴广龙^{1, 2}，秦汝祥^{1, 2}，陈清华^{1, 2}

(1. 安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南，232001；

2. 安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南，232001)

摘要：为得到综采工作面及其采空区的流场分布，基于通风网络理论推算得出采空区漏风阻力系数模型。该模型综合考虑采面的回采速度，顶板岩性，采空区倾向上顶板的沉降量等因素影响，利用FLUENT软件及其自适应网格技术，对国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿121103工作面及其采空区漏风流场进行数值模拟，并对模拟结果与现场实测工作面风量分布进行比较，工作面风量分布趋势吻合较好。模拟结果表明：该工作面向采空区漏风主要发生在倾向0~25 m区域内，在该区域内，漏入采空区内的风量有部分返回至工作面；在倾向25~215 m区域内，工作面风量变化不大；采空区漏风流场等值线在倾向上并不是对称分布的，在采空区走向0~10 m及倾向20~30 m区域内存在低速区。

关键词：综采面；数值模拟；自适应网格技术；工作面风量分布

中图分类号：TD721          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)04-1494-05

Numerical analysis of air-leakage law in goaf of fully mechanized face

TANG Ming-yun^{1, 2}, DAI Guang-long^{1, 2}, QIN Ru-xiang^{1, 2}, CHEN Qing-hua^{1, 2}

(1. College of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;

2. Provincial and Ministry of Education’s Joint Key Lab of Mine Safety and High Efficient Mining,

Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

Abstract: In order to obtain fully mechanized face and its goaf air flow field distribution, the ventilation network theory was involved to establish the air leakage resistance coefficient model in goaf, which considers the effects of the speed of coalface’s retreat, the rock characteristic of roof and the different collapse extent of the roof in the gradient direction, etc. The fluid mechanics calculation software FLUENT and its grid adaptive technique were applied to simulate the air flow field status in the 121103 coalface and its goaf of Liuzhuang Mine of SDIC XINJI. Comparing the simulative air flow quantity distribution with metrical value of coalface on the gradient direction, the air flow quantity distribution trend is uniform on the whole. The simulative results show that the main air leakage district of coalface is 0-25 m in the gradient direction and there is some air flow back to coalface in this district. There is little change of the air flow in the district of 25-215 m. The contours of flow field are not symmetrical in the gradient direction, and there is a low-speed zone in the district of 0-10 m in the strike direction and 20-30 m in the gradient direction.

Key words: fully mechanized face; numerical simulation; grid adaptive technology; ventilation quantity distribution of working face

掌握综采工作面采空区漏风流动规律，对预防采空区自然发火具有重要作用。数值模拟是获取综采工作面采空区漏风及流场分布规律的主要手段，而采空区漏风阻力系数是数值模拟的关键参数^[1-4]。模拟采空区流场分布主要有3种理论^[5]：达西定律、Bathmat非线性渗透定律和通风网络理论。达西定律只适合层流流态，而采空区是介于层流和湍流之间的过渡流态；由于采空区内孔隙结构复杂，获得Bathmat非线性渗透定律的各项参数比较困难。基于通风网络理论得到的漏风阻力系数分布模型综合考虑到工作面的推进速度、顶板岩性及其倾向上的下沉量等因素的影响^[6-7]，符合实际采空区漏风阻力系数分布趋势。由于采空区范围广，导致在数值模拟时，计算量非常大，需要大型计算机和很长时间来完成^[8]，所以，网格如何划分显得非常重要。FLUENT是专业的流体力学计算软    件^[9-10]，具有较强的网格处理技术，能够根据计算结果中的模拟参数梯度不同，用自适应网格技术加密和粗化网格单元，从而保证计算的精度和速度。因此，本研究以国投新集能源股份有限公司刘庄矿的121103综采工作面为例，采用基于通风网络理论得到的漏风阻力系数模型，利用专业的流体力学计算软件FLUENT进行流场模拟，分析得出综采工作面的漏风范围和采空区内的流场分布规律。

1  工作面概况

国投新集能源股份有限公司刘庄矿121103工作面平均走向长为1 408.5 m，平均倾向长为201.6 m(净煤壁)，煤厚为2.9~4.0 m，平均为3.6 m；沿煤层顶板采用综合机械化开采，一次采全高，采用全部垮落法管理顶板，工作面推进速度为6.0~7.0 m/d；工作面直接顶为泥岩和粉砂岩，老顶为细砂岩；煤尘具有强爆炸危险性，经抚顺分院所作的煤炭自燃倾向性鉴定报告，11-2煤为自燃煤层；根据淮南矿井资料，其发火期为3~6 m；在该工作面采用U型后退式上行通风方法，供风量为2 000 m³/min。

2  物理及数学模型

2.1  物理模型

由于采场的复杂性，需要对物理模型进行简化。根据刘庄矿121103工作面的实际情况，工作面及进、回风巷的断面积以专业测风员现场实测为主，采空区高度近似与工作面一致，得到三维采场物理模型示意图，如图1所示。

2.2  数学模型

    由于采空区内漏风流态为过渡流，它在i方向上流体稳态质量及动量守恒方程为^[9]：

式中：p为静压，Pa；v_i为单元体在i方向上的平均流速，m/s；1/α为黏性阻力系数，1/m²；C₂为惯性阻力系数，1/m；ρ为流体密度，kg/m³；μ为流体动力黏度，Pa·s。

图1  采场物理模型示意图

Fig.1  Physical model schematic diagram of stope

假定采空区内空气流动为不可压，流体密度ρ和流体黏度μ近似为常数，所以，模型中影响因素主要为黏性阻力系数1/α和惯性阻力系数C₂。

2.3  漏风阻力系数模型

应用通风网络法模拟采空区滤流场，采用的采空区空气动力阻力特性方程为^[6-7]：

             (1)

式中：R₁为层流风阻，Pa·s/m³；R₂为紊流风阻，Pa·s²/m⁶；Q为漏风量，m³/s。考虑采空区倾向的风阻变化，其计算公式为：

             (2)

           (3)

      (4)

式中：a和b为经验系数，取决于顶板冒落岩石性质，其值如表1所示；x为采空区内距工作面距离，m；l为采空区滤流分支的长度，m；s为采空区滤流分支的截面积，m²；k(y)为采空区倾向变化系数^[11]；H₁为采空区中部覆岩下沉量，m；H₂为上、下边界覆岩的下沉量，m；l_y为采空区倾向长，m；c为冒落岩石的压实系数，它与工作面推进速度v_f有关，按下式计算：

         (5)

表1  不同岩性冒落岩石的a和b系数

Table 1  Coefficients of a and b of falling rock with different rock characteristics

分段考虑采空区顶板是否受压实的影响，得到采空区的黏性阻力和惯性阻力系数分别为：

      (6)

     (7)

结合工作面实际顶板岩性，岩性系数取值：a=0.05，b=50；根据矿井实际条件及相关资料^[6]，H₁/H₂取值为1.30。最后，利用用户自定义函数(UDF)对得到的漏风阻力系数模型进行编译实现^[12]。

3  漏风流场数值模拟

3.1  基本假设

(1) 采场流体为不可压；

(2) 采空区视为各向同性的多孔介质；

(3) 进、回风巷在同一水平面，不考虑位能影响；

(4) 黏性阻力系数和惯性阻力系数在z方向不发生变化。

3.2  FLUENT自适应网格技术

考虑到采空区范围广，所以先采用网格大小为1 m×1 m×1 m的均匀网格进行计算。由于工作面壁面、工作面与采空区交接面附近的风流速度梯度大，为了计算更加精确，再根据均匀结构化网格计算出来的速度梯度对计算区域内网格进行自适应调整，针对速度梯度大于0.01 m/s的网格逐步进行加密，得到进风侧附近调整前后在z=1.6 m处平面网格对照图，如图2和图3所示。

图2  进风侧附近调整前网格分布

Fig.2  Mesh distribution before rectified in inlet side

图3  进风侧附近调整后网格分布

Fig.3  Mesh distribution after rectified in inlet side

3.3  模拟边界条件

根据流场基本假设及现场实际条件，进风巷入口设置为速度入口，入口平均风速为2.39 m³/s；回风巷出口设置为出流边界；工作面与采空区交界面设置为流体内部边界；其他面都近似地设置为绝流边界^[9]。

3.4  模拟结果及分析

根据模拟结果，得到工作面倾向上距进风巷外帮不同距离的风量分布图，如图4所示。

由于现场工作人员无法进入采空区试验，因此，验证采空区漏风流场模拟结果是否合理非常困难。但如果测量得到的工作面倾向上风量分布趋势与模拟结果一致，便说明模拟结果比较合理^[4]。为了验证模拟结果是否合理，对121103工作面风量沿倾向分段进行测试。考虑到综采工作面断面复杂，特别是还有液压支架的影响，要非常准确测量工作面倾向上不同位置的风量非常困难。为了使测试结果更加合理，整个测风过程由同一个专业测风员完成，以减少人为误差，测试结果如图4所示。

图4  工作面倾向上风量分布图

Fig.4  Ventilation quantity distribution of working face in gradient direction

从图4可知：模拟得到的工作面风量分布趋势与实测结果基本一致。工作面上的风量分布不均匀，工作面下隅角附近风量最小；在工作面中部，风量变化不大，靠近工作面回风侧，风量逐渐增大。实测风量表明：在工作面的140~170 m处出现风量变小的现象，说明在工作面的上部还有少量风量漏入采空区，这主要是因为在上隅角采空区采用了埋管抽放瓦斯措施。

根据图4可以得到工作面在倾向上不同距离段的漏风量柱状图(漏风量为正时表示向采空区漏入，负值表示由采空区漏出)，如图5所示。从图5可以看出：在工作面倾向上0~10 m范围内，漏入采空区的风量为190~240 m³/min；而在10~25 m区间内，采空区内的风量又有部分返回至工作面内。由此可以判断，工作面进风侧的漏风范围主要发生在0~25 m区域内。在制定采空区防灭火措施时，应加强工作面倾向上0~25 m范围的通风管理，尽可能隔绝这段范围内工作面与采空区的漏风通道；在25~215 m区间内，工作面风量变化不大。这一方面是因为采空区中部不受煤壁的支撑而被压实，漏风阻力大；另一方面，工作面风流方向未发生变化，不受动能惯性作用影响。在215~230 m区间内，采空区内的绝大部分剩余漏风量流回至工作面。

由于黏性阻力系数和惯性阻力系数在z方向不发生变化，而且不考虑位能影响，所以，流场在垂向z方向基本不变化，因此，以z=1.0 m处的二维流场等值线图来分析采场在走向及倾向的流场分布是合理的。根据模拟结果，得到z=1.0 m处的二维流场等值线如图6所示。

图5  工作面倾向上漏风量柱状图

Fig.5  Histogram of air leakage of working face on gradient direction

图6  z=1.0 m时二维流场等值线图

Fig.6  Contours of two dimension flow field at z=1.0 m

从图6可知：进风巷的风流速度远大于采空区，说明进风巷的大部分风量都经工作面流向回风巷。而且随着采空区的走向，滤流速度下降较快。这是因为随着采空区被压实，阻力系数逐渐增大。在工作面下隅角附近，采空区内的流速较大，这是因为受到风流的动能惯性作用，采空区的大部分漏风量是从工作面下隅角进入，这与图4中的风量在10 m处最小相对应。采空区内的流场等值线并不完全呈对称分布，在采空区走向0~10 m及倾向20~30 m区域内存在低速区。这是因为风流从进风巷进入工作面时，风流方向改变导致工作面进风侧出现低压区，使得漏入采空区内一部分风流继续在采空区内流动，另一部分风流流向最近工作面低压区所致。这与前面分析得到工作面10~25 m区间内，采空区内的风量又有部分返回至工作面内相对应。由于此区域流速低，而氧浓度高，若此处存在遗煤，则容易引起煤氧化升温。

4  结论

(1) 利用FLUENT中的自适应网格技术，优化了计算资源，减少计算带来的误差。

(2) 模拟得到的工作面风量分布趋势与实测风量分布相吻合，说明模拟结果较合理。

(3) 采空区漏风流场等值线在工作面倾向上并不是呈对称分布。

(4) 采空区走向0~10 m及倾向20~30 m区域内存在低速区，容易引起煤氧化升温。

(5) 工作面向采空区漏风主要发生在倾向上0~25 m范围内，在该区域内，部分漏风量又回至工作面。

致谢：本文得到国投新集刘庄矿业有限公司的领导及现场工作人员大力支持，在此表示衷心感谢。

参考文献：

[1] 李宗翔, 海国志, 秦书玉. 采空区风流移动规律的数值模拟与可视化显示[J]. 煤炭学报, 2001, 26(1): 76-80.
LI Zong-xiang, HAI Guo-zhi, QIN Shu-yu. Numerical simulation and visual display of air flow pattern in goaf [J]. Journal of China Coal Society, 2001, 26(1): 76-80.

[2] 杨胜强, 徐全, 黄金, 等. 采空区自燃“三带”微循环理论及漏风流场数值模拟[J]. 中国矿业大学学报, 2009, 38(6): 769-773.
YANG Sheng-qiang, XU Quan, HUANG Jin, et al. The “three zones” microcirculation theory of goaf spontaneous combustion and numerical simulation of the air leakage flow field[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2009, 38(6): 769-773.

[3] 余明高, 常绪华, 贾海林, 等. 基于Matlab采空区自燃“三带”的分析[J]. 煤炭学报, 2010, 35(4): 600-604.
YU Ming-gao, CHANG Xu-hua, JIA Hai-lin, et al. Analysis of spontaneous combustion “three-zone” in goaf based on matlab[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(4):600-604.

[4] 梁运涛, 张腾飞, 王树刚, 等. 采空区孔隙率非均质模型及流场分布模拟[J]. 煤炭学报, 2009, 34(9): 1203-1207.
LIANG Yun-tao, ZHANG Teng-fei, WANG Shu-gang, et al. Heterogeneousm of porosity in gobs and its airflow field distribution[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(9): 1203-1207.

[5] 兰泽全, 张国枢, 马汉鹏. 多漏风采空区“三带”分布模拟研究[J]. 矿业安全与环保, 2008, 35(4): 1-5.
LAN Ze-quan, ZHANG Guo-shu, MA Han-peng. Numerical simulation of “Three-zone” distribution in multiple leakage gob[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2008, 35(4): 1-5.

[6] 张国枢, 戴广龙. 煤炭自燃理论与防治实践[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2002: 62-85.
ZHANG Guo-shu, DAI Guang-long. Coal spontaneous combustion theory and preventing practice[M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 2002: 62-85.

[7] 谢应明, 梁德青, 郭开华, 等. 基于通风网络理论的采空区自然过程数值模拟[J]. 中国安全科学学报, 2003, 13(6): 12-14.
XIE Ying-ming, LIANG De-qing, GUO Kai-hua, et al. Numerical simulation of spontaneous combustion process in goaf based on ventilation network theory[J].China Safety Science Journal , 2003, 13(6): 12-14.

[8] 张辛亥, 席光, 徐精彩, 等. 基于流场模拟的综放面自燃危险区域划分及预测[J]. 北京科技大学学报, 2005, 27(6): 641-644.
ZHANG Xin-hai, XI Guang, XU Jing-cai, et al. Partition of spontaneous combustion dangerous zone and prediction of spontaneous combustion based on numerically modeling the flow field at fully mechanized caving face[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2005, 27(6): 641-644.

[9] 王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 185-252.
WANG Fu-jun. Computational fluid dynamics: CFD software principle and application[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 185-252.

[10] 韩占忠, 王敬, 兰小平. FLUENT: 流体工程仿真计算机实例与应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2004: 1-65.
HAN Zhan-zhong, WANG Jing, LAN Xiao-ping. Fluid engineering simulation examlies and the application of computer[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2004: 1-65.

[11] 宋振骐. 实用矿山压力控制[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 1988: 38-106.
SONG Zheng-qi. Applied controlling of mine pressure[M]. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1988: 38-106.

[12] 王瑞金, 张凯, 王刚. Fluent技术基础与应用实例[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007: 205-229.
WANG Rui-jin, ZHANG Kai, WANG Gang. Technology foundation and application examlies of Fluent[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2007: 205-229.

(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-05-17；修回日期：2011-07-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50974003)

通信作者：唐明云(1978-)，男，江西南丰人，讲师，从事矿井通风与安全的研究；电话：0554-6633285；E-mail：mytang@mail.ustc.edu.cn