礦井尺度下采場(chǎng)流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬.pdf

1、礦井火災(zāi)和熱害問(wèn)題一直是煤礦生產(chǎn)的主要威脅，盡管國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在防治自燃的發(fā)生方面進(jìn)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(shí)有發(fā)生。在采動(dòng)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(fēng)聯(lián)系，采空區(qū)漏風(fēng)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(dòng)影響下采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，以此研究相應(yīng)的通風(fēng)策略，對(duì)于預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火，促進(jìn)安全生產(chǎn)具有重要意

2、義。 基于多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)研究的最新進(jìn)展，本文采用數(shù)值模擬方法研究了采場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律。首先，采用容積平均理論詳細(xì)推導(dǎo)了采場(chǎng)流動(dòng)、傳熱和氧氣濃度的數(shù)學(xué)模型。其中在流函數(shù)-渦量表示的動(dòng)量方程中引入Brinkman-Forchheimer的擴(kuò)展Darcy模型，來(lái)描述采空區(qū)內(nèi)層流、過(guò)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(jìn)行求解；在溫度場(chǎng)方程中

3、考慮了圍巖和風(fēng)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(zhǔn)確地模擬采場(chǎng)流動(dòng)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(jì)算模型。最終采用控制容積法對(duì)控制方程組進(jìn)行了離散，利用FORTRAN語(yǔ)言編制程序進(jìn)行了求解；其次，利用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和典型采場(chǎng)工作面內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)流動(dòng)傳熱模型進(jìn)行了二級(jí)驗(yàn)證，兩者較好的吻合結(jié)果證明了模型的準(zhǔn)確性；最后針對(duì)所研究的采場(chǎng)計(jì)算了

4、不同供風(fēng)量下的采場(chǎng)溫度場(chǎng)分布；同時(shí)針對(duì)不同孔隙率模型對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)對(duì)比。 對(duì)典型U形采場(chǎng)流場(chǎng)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果表明，采場(chǎng)漏風(fēng)風(fēng)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(duì)稱的分布規(guī)律，這個(gè)結(jié)果修正了以往模擬研究中得出的風(fēng)流對(duì)稱分布規(guī)律。這也造成了采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷附近的風(fēng)流速度明顯高于回風(fēng)巷附近區(qū)域，但離工作面越遠(yuǎn)，漏風(fēng)速度的差異越小，采空區(qū)深處已幾乎沒(méi)有區(qū)別；采空區(qū)前半段的等溫線大致以進(jìn)風(fēng)巷為中