三相泡沫在采空区渗流特性的数值模拟

2017年第42卷第5期
Vol. 42 No.5
能源技术与管理
Energy Technology and Management79
doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2017.05.028
三相泡沬在采空区渗流特性的数值模拟
姚元领
(大屯煤电公司龙东煤矿，江苏徐州221613)
[摘要]运用Tluent软件结合大兴矿703工作面建立了采空区多孔介质标准湍流模型，通 过对注入泡沫材料属性的设置及初始条件、边界条件的限定，模拟得出了三相泡沫
在采空区内的渗流特性；通过改变泡沫初始流速及压注泡沫的位置，找出了最优方
案，此时泡沫渗流扩散范围最广，防火效果最佳。

[关键词]采空区三相泡沫;湍流模型；渗流特性;扩散范围；数值模拟
[中图分类号]TD75+3.4 [文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2017)05蛳0079-03
0引言
三相泡沫防灭火技术已在全国多个矿井得到 广泛应用，在火灾治理中发挥了重要作用。

但在实 际应用中，需制定切实可行的现场应用工艺，才能 发挥最优的防灭火效果，因此需弄清三相泡沫在 采空区多孔介质中的流动规律。

采用流体软件对大兴矿工作面采空区压注三 相泡沫后进行数值模拟，总结出了渗流的特性;同 时采取不同的压注位置、初始流速、煤层倾角及伸 人采空区的距离分别进行了模拟，从而找出了最 佳的压注方案。

1三相泡沫渗流数值模拟
1.1 Ruent软件简介
Fluent是目前国际上使用的比较流行的CFD 软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围 内的复杂流动。

由于采用了多种求解算法和多重 网格加速收敛技术，从压力修正的Simple法到隐 式和显式的时间推进方法并加人了当地时间步 长，隐式残差光滑，因而能达到最佳的收敛速度和 求解精度。

它提供了完全的网格灵活性，可以使用 结构、非结构网格，甚至混合网格来解决复杂外形 的流动问题。

1.2三项泡沫材料属性设置
三相泡沫属于三相介质混合而成的多孔膜状 分散体系，其中固相、气相是分散相，液相是连续
相。

气相和液相是研究泡沫流体特性主要对象，三 相泡沫中固相成分主要分散于泡沫的表面，对泡 沫的表现形态并不影响，故而描述两相泡沫流体 特性的参数也适用于三相泡沫。

在进行模拟研究时，只需要改变泡沫的密度。

从材料库里找到水的 材料属性，复制出来对其进行修改，修改成三相泡 沫的密度38.61 kg/m3。

1.3多孔介质标准湍流模型
在模拟中，采用多孔介质标准湍流k-s模 型，该模型假设流动为完全湍流，可以忽略分子粘 性的影响，可是此模型只适合完全湍流的流动过 程模拟。

模型中需要求解的有湍动能和耗散率方程⑴。

在 Fluent中，常数 Cmu=0.09，C1-Epsilon=1.44, C2-Epsilon=1.92。

湍动能k与耗散率s湍流普朗 特数分别为1.0和1.3。

1.4入口边界条件的设置
在软件中采用速度人口，以3 m/s的速度向 采空区中注三相泡沫。

在速度边界设置对话框中，速度给定方式选择速度方向垂直于边界。

在湍流 定义方法中，设置湍流强度、水力直径在边界上的 值来定义流场边界上的湍流。

多数情况下，湍流是 在人口后面一段距离经过转捩形成的，故而在边 界上设置均勻湍流条件是一种可以接受的选择。

特别是在不清楚湍流参量分布规律时，在边界上 采用均勻湍流条件对模型的设置进行简化。

对于圆管，水力直径DH等于圆管直径d也 等于特征长度L，有：
DH=L=d=2r=2x0.108 m=0.216 m(1)
式中:D H为水力直径，m;L为特征长度，m;
d、r分别为圆管直径、半径，m。

液体的运动粘度u等于液体的动力粘度/x与 其密度p的比值。

三相泡沫的运动粘度u和雷诺 数R e 分别为：
80姚元领三相泡沫在采空区渗流特性的数值模拟2017年10月Oct., 2017
u= ^=〇.85k g/(?.S) -0.022 m2/s⑵
p38.61 kg/m3
Re=V xL/v=3 m/s x0.216 m ^ 0.022 m2/s —29.45< 2 326 (3)
式中:R e为雷诺数;u为液体的运动粘度，kg/(m•s)为液体的动力粘度，kg/(m•s);p为液体 的密度，kg/m3；V为三相泡沫初始流速，m/s。

雷诺数小，说明流体流动时各质点间的粘性 力占主要地位，流体各质点进行着平行有规则地 流动。

湍流强度I按下式计算：
1=0.16 x Re-0125=0.16 x29.45-0125=0.244 2 ⑷1.5模型的构建
大兴矿703工放面走向长度1 431 m，倾向长 度为160 m，煤层平均倾角6.5°，采用后退式U型 开米方式。

利用Fluent软件构建网格模型，用布尔 交集、并集的算法消除块与块之间的网格连通性 问题，将进风巷和注泡沫口边界设置为VELOCI TY_INLET，回风巷边界设置为OUTFLOW，将采 空区和工作面以及支架后部设置成流体区域。

建 立采空区网格模型如图1所示，多孔介质局部模 型如图2所示。

图1采空区模型
图2多孔介质模型局部示意
2数值模拟结果分析
2.1回风巷埋管注泡沬渗流特性分析
实验研究表明，使用发泡倍数为30倍，灰水 质量比为1 :4的三相泡沫在治理采空区自然发火效果最好[2]。

采空区速度等值线云图如图3所示。

由图3 分析可得到以下结论：三相泡沫具有很强的堆积 性和扩散性;三相泡沫在采空区流动时，由于散热 带孔隙较大，故而以较快的速度从中流动，在氧化 带和窒息带的渗流速度为0,已很难渗透进去，原 因是三相泡沫属于粘性流体，在孔隙度极小的空 间中流动时需要外加压力。

窒息带
氧化带
纵向
渗流
长度
20.9
倾向渗流长度22.5 m
图3速度等值线云图
2.2流速对渗流特性的影响
流速是影响泡沫流动的一个重要参数。

泡沫 在煤岩体中渗流的阻力因子随着推进速度的增加 逐渐增大，但增大幅度逐渐变缓。

这是由于当注入 速率低时，不足以克服发泡所需要的能量，产生的 泡沫数量较少，泡沫稳定性差，表现为流动阻力 小;当达到一定的注入速率后，可以克服发泡所需 要的能量，产生足够多的泡沫，此时流动阻力达到 最大，但同时泡沫受到的剪切速率增大，由于泡沫 的剪切变稀性又有使流动阻力减小的趋势，两者 共同作用的结果使阻力因子增大的幅度变缓[34。

注泡沫管埋进采空区，分别以速度2、2.5、3、3.5 m/s通过管子向采空区内注泡沫，得出的模拟 结果如表1所示。

从表1可以看出，泡沫渗流都在 一定的范围以内，大致成圆弧状;在注泡沫速度为 3 m/s的时候，泡沫扩散性最好，扩散面积最大，大 致倾向长度为27.1 m，纵向长度为28.4 m，效果最 佳。

表1不同流速下泡沬渗流到采空区的扩散范围
流速
/(m/s)
渗流倾向长度
/m
渗流纵向长度
/m
渗流面积
/m2 223.926.1623.79
2.524.326.7648.81
327.128.4769.64
3.528.325.7
727.31
2017年第42卷第5期
Vol. 42 No.5
2.3入口相同埋进采空区距离不同时注泡沫对渗流特性的影响
以速度3 m/s通过管子向米空区内注泡沫。

管子埋进采空区为10、15、20、30 m时模拟得到的 结果如表2所示。

表2初速为3 m/s，埋入采空区距离不同时
泡沫渗流扩散范围
埋入采空区 距离/m 渗流倾向
长度/m
渗流纵向
长度/m
渗流面积
/m2
1032.227.6888.72
1527.830.4845.12
2031.529.3922.95
3021.932.4709.56
通过对照，可以得到以下结论：随着注泡沫管 向采空区内的推移，渗流区域是先增大后减小。

其 中在管子伸进采空区20 m处渗流范围最大，倾向 距离为31.5 m、纵向距离为29.3 m；继续向采空区 里面增加伸进管子的长度，渗流范围反而减小。

2.4不同地点注泡沫对渗流特性的影响
分别在距回风巷倾向方向上2、2.5、3、4 m地 点以初速3 m/s通过伸进采空区10 m的注泡沫 管向采空区内注人泡沫，得到模拟结果如表3所示。

表3初速为3 m/s，距回风巷不同距离时
泡沫渗流扩散范围
距回风巷倾向 方向上距离/m 渗流倾向
长度/m
渗流纵向
长度 /m
渗流面积
/m2
217.425.3440.22
2.531.529.3922.95
327.128.4769.64
416.925.6432.64
通过仔细比较分析得出，几种情况都充分说 明了泡沫在采空区良好的扩散渗透性。

在倾向方 向上注人泡沫距回风巷2.5 m远处效果比较理 想，其扩散范围最大，倾向长度和纵向长度分别为 31.5、29.3 m。

2.5不同煤层倾角注泡沫对渗流特性的影响
分别在煤层倾角5°、8°的情况下以初速3 m/s 通过伸进采空区10 m的注泡沫管向采空区内注 人泡沫，得到模拟结果如表4所示。

由表4分析可 知:煤层倾角为5°时，扩散范围倾向35.6 m，纵向 长度25.1 m，堆积高度4.8 m;煤层倾角为8°时，
81
扩散范围倾向18.3 m，纵向长度20.7 m，堆积高度
3.9 m。

随着煤层倾角的增大，扩散范围在减小，堆
积高度也在减小，这是重力因素所造成的。

当煤层
倾角为负时，扩散范围会加大，但堆积效果会变
差。

表4初速为3 m/s，伸入采空区10 m不同
煤层倾角下泡沬渗流扩散范围
煤层倾角渗流倾向渗流纵向堆积高度扩散体积()长度/m长度/m/m/m3
535.625.1 4.8 4 289.088
818.320.7 3.91477.359
3结论
(1) 通过对注人泡沫材料属性的设置及初始 条件、边界条件的限定，采用Fluent软件进行模拟
得出了三相泡沫在采空区内的渗流特性。

结果表
明：三相泡沫在采空区内具有较强的渗透扩散性
和堆积性。

(2) 通过改变泡沫初始流速及注泡沫的位置，对三相泡沫在采空区内的渗流特性进行研究
比较。

模拟结果显示:影响泡沫渗透性最为显著的
因素是采空区内的渗透率及不同的注泡沫位置，
其次是初始流速及煤层倾角。

(3) 通过改变注泡沫各种因素综合可以得出:启动流速为3 m/s，管子埋进米空区20 m左右
向采空区内注泡沫时渗流范围最大，其中倾向距
离31.5 m，纵向距离为29.3 m。

[参考文献]
[1] 梁在潮.工程湍流[M].武汉：华中理工大学出版社，
1994.
[2] 秦波涛.防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究[M].
徐州：中国矿业大学出版社，2009.
[3] 张星，赵金省，张明，等.氮气泡沫在多孔介质中的封
堵特性及其影响因素研究[].石油与天然气化工，
2009,7(38)：227-230.
[4] 吴灿，李华斌，牛忠晓，等.ZY空气泡沫的性能及流速
对渗流特性的影响[J].油田化学，
[作者简介]
姚元领(1985-)，男，工程师，硕士研究生，毕业于中国
矿业大学安全技术及工程专业，主要从事矿井通风技术工 作。

[收稿日期：2017-03-29]
能源技术与管理Energy Technology and Management。