采空区漏风流场的Fluent数值模拟_王济凯

Vy =-Kyy
h y
(3)
2009 年第 1 期 山东煤炭科技
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Vz =-Kzz
h z
式中 :Vx 、Vy 、Vz —渗流速度 ,m s ; h —渗流场压力 , Pa ;
K xx 、Kyy 、Kzz —渗流系数 ,m s 。
采场范围内风压稳定 , 并忽略温 度变化影响 , 风 流
(3)在自然堆积区沿工作面长度方 向 , 采空区气 体 压力基本与工作面风流压力分布一 致 , 压力变化 较大 ; 采空区距离工作 面超 过 70m 以 后的区 域 , 风 压分布 逐 渐趋向平缓 ;在采空区深处压力几乎没有变化 。 3 .2 采空区流场及渗流速度分布
采空区漏风流场及其速度有以下特点 : (1)U 型 通 风 采空 区 漏 风流 线 对 称 , 呈圆 弧 状 分 布 ;漏风流速较低 , 且 分布不 均 , 在 采空区 上下 端口 处 风速较大 , 而在中部区域风速相对较小 。 (2)工作面上 下端口 处漏 入和漏 出采 空区 的风 流 较为集中 ,该处流线直接通过采空区 内部 ;工作面中 部 漏风则相应减少 。
3 .1 采空区风流压力分布 采空区风压分布规律如下 : (1)采空区内 的压力 分布 与采空 区深 度及 本身 的
物理特性有关(即采空区垮落岩石的 块度 、孔隙率 等), 其压力值的大小由工作面的端压差决定 。
(2)工作面进 风口处 风压 最大而 上隅 角处 风压 最 小 ,且两点附近风压梯度最大 , 在工作 面中部风流压 差 较小 。
(7)
式中 :r1 —采空区边界 ; P(x ,y)—已知风压函数 。
第二类边界条件 ,已知边界上的漏风量 :
K
h n
r2
=q(x ,y)
(8)
式中 :r2 —采空区边界 ;
q(x , y)—边界上 r2 单位面积的泄漏流量 , 流入 采
空区为正 ,流出为负 , m s ;
n —采空区 r2 的外法线方向 。
采空区风流运动规律直接影响采空区乃至整个 采 场的瓦斯分布与运动 , 弄清采场风流 分布和运动 规律 , 对防止瓦斯异常涌出很有意义 。 1 采空区多空介质渗透特性
分析综采采 空区顶 板岩 性和冒 矸的 碎胀 特性 , 可 将采空区覆岩划分为图 1 所示的三个区域 :a 为自然 堆 积区 ,b 为采动影响区 , c 为压实稳定区 。
向 , 向采空区深部为 y 方向):
P(x , 0)=109886 .7 +0 .167 x
(9)
综上所述 , 采空区二维稳定渗流数学模型为 :
x(K
h )+ x
y (K
h y
)+f
=0
h (x , 0)=P(x , 0)在工作面边界上
K
h n
=0

降低 , 其范围约在 采场 后方 12 ～ 134m 之 间 ;C 区约 在
工作面 134m 远处 , 孔隙率最小 。
在采空区冒 落岩体 中 , 空 气的渗 透率 也是 孔隙 率
的函数 , 空气在采空区多孔介质内的渗透系数为 :
K =1 .605 ×10-62 n =0 ～ 0 .45
(1)
K =1 .4484 ×10 -27 e112.998n n =0 .45 ～ 0 .5 (2)
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山东煤炭科技 2009 年第 1 期
采空区漏风流场的 Fluent 数值模拟
王济凯1 , 鲍学彬2 , 丁仰卫2
(1 .济宁市煤炭工业局 , 山东 济宁 272017 ;2 .济宁矿业集团鹿洼煤矿 , 山东 济宁 272350)
摘 要 通过对采空区多孔介质的渗透特性的理论分析和试验测定 , 对采空区孔隙结构及 渗透系数分布情 况进行了深入的 研究 , 建立采空 区 渗流数学模型 , 采用 Fluent 软件对采空区漏风流场进行数值模拟 , 揭示了采空区漏 风流速 、压力的分 布规律 , 为今后定 性定量分析 采空区瓦 斯 涌出及浓度分布提供数学分析依据 。 关键词 多孔介质 渗流 数值模拟 中图分类号 TD712 文献标识码 B
Numerical Simulation on Gob Air Leakage Flow Field by Fluent
Wang Jikai1 , Bao Xuebin2 , Ding Yangwei2 (1.Jining Coal Industry Bureau , Jining , Shandong , 272017 ;2.Luwa Coal Mine , Jining Mining Group , Jining , Shandong , 272350) Abstract Summery The pore structure and the distribution of the permeabi lity coeffi cient of gob are deeply studied by the theoretical analysis and experimental determination of the Porous Medium of gob , the seepage mathematical model is established , and the air leakage f low field of gob is numerical simulated by Fluent software , the air leakage velocity and pressure of gob is revealed , thus a mathematical analysis method to qualitatively and quantitatively analyze the emission and concent ration distribution of gob by this thesis . Key words porous medium ;seepage;numerical simulation
2 采空区多空介质渗流数学模型
通过实验发现 , 在靠近采煤面一 个很小的范 围内 , 由于漏风风速较大 , 其流场 是紊 流 、过渡 流 , 而 其它 区
域则是类似 于小 雷诺数 的渗流 。 因此 , 本 文认 为层 流 是采空区流场的主要流态 , 其本构关系符合达西定律 :
Vx =-Kxx
h x
q 、K 在不同 边界 段上 , 可 取不同 值 。对于 不透 风
的四壁取第二 类边 界条件 K
h n
=0 ;对于 采空 区与 工
作面边界 , 取第一类边界条件 h(x , y) face =P(x , y)。
根据现场压 力测 定数据 , 1305 工作面 压力 分布 为
(以工作面中 心点 为坐 标 原点 , 向进 风侧 方 向为 x 方
(5)
将采空区内冒落岩体近似视为均匀的各向同性 多
孔介质 , 并忽视顶底板壁面对于风流 流动的影响 , 建 立
二维稳定渗流方程 :
x(K hx)+ y(K hy)+f =0
(6)
为了求解式(6), 需根据工程需要附加边界条件 。
第一类边界条件 ,给定边界上的风压 :
h(x ,y) r1 =P(x , y)
采空区各区域孔隙率 n 与渗透系数K 如表 1。
表 1 采空区各区域的孔隙率与渗透系数
区域
孔隙率 n
渗透系数 K
a 自然堆积区
0 .3
1 .44 ×10-7
b 采动影响区 c 压实稳定区
0 .2 0 .10 .16 ×10-7
0 .642 ×10 -7
图 2 1305 工作面采空区冒 落的非均匀状态
通过对鹿洼煤矿 1305 工作面 采空区 的现场观 测 , 取采空区有效范围为 400m , 区域剖 分结果和 冒落非 均
＊收稿日期 :2008 -12 -01 作者简介 :王济凯(1983 -), 男 , 山东菏 泽人 , 工 学硕士 , 山东科 技
大学 , 专业技术干部 , 助理工程师 , 安全工程 。
4 结论
采空区各处 冒矸碎 胀系 数不尽 相同 , 遗煤 和碎 矸 压实程度差异很大 , 造成采空区内漏 风形态迥异 , 从 而 引起漏风流场 压力 及速度 分布 不同 , 而 采空区 经行 风 流的气压状态又直接影响各区域的瓦斯运移 。
参考文献
[ 1] 李宗翔 , 夏春林 , 纪传仁 .任意 采空区边 界信息 处理与 有限元 网 格生成[ J] .辽宁工程技术大学学报 , 2004 , 23(3):289 -292 [ 2] 邓军 , 孙占勇 , 范广明等 .综放 面自燃危 险区域 及最小 推进速 度 的确定[ J] .西安科技学院学报 , 2002 , 22(2):119-122 [ 3] 蒋曙光 , 王省身 .综放采场流场及瓦斯运移三维模型试验[ J] .中 国矿业大学学报 , 1995 , 24(4):85-91
图 1 采空区覆岩分带
值性如图 2 , 计算碎胀系数 Kp =1 .11 ～ 1 .43(对应孔 隙
率 n =0 .1 ～ 0 .3)。
显然 , a 区 内 岩 体碎 胀 系 数 最 大 , 该 区 邻 近 工 作
面 , 其孔隙率较 大 ;b 区内 冒落岩体和 遗煤承受上覆 岩
层结构所传递 的力 及老顶 破断 引起的 载荷 , 孔 隙率 将
在采空区内流 动可 视为不 可压 缩流体 稳定流 动 , 遵 守
连续方程 :
Vx x
+
Vy y
+
Vz z
=f
(4)
式中 :f —由单位垂直平面补给单位采 空区高度的平 均
流量 ,1 s 。
由式(3)、(4)得 到风 流在采 空区 稳定 流动 的微 分
方程 :
x(Kxx hx)+ y(Kyy hy)+ z(Kzz hz)+f =0