帶數(shù)值模擬報(bào)告

1、帶數(shù)值模擬報(bào)告 作者： 日期：2 個(gè)人收集整理 勿做商業(yè)用途5 1121（3）采空區(qū)“三帶”數(shù)值模擬采空區(qū)自然發(fā)火防治的首要技術(shù)前提是要搞清采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，它是采空區(qū)注氮、堵漏風(fēng)等技術(shù)措施的主要技術(shù)依據(jù)。因此采空區(qū)“三帶”的劃分顯得尤為重要.5。 1 1121(3)工作面概況1121(3）工作面位于東一采區(qū)131煤層第二塊段，煤層呈塊狀及粉末狀，煤層產(chǎn)狀變化較大，煤層傾向40°左右，傾角1342°，煤厚3。06.0m，平均煤厚4。4m.工作面平均長130m，寬5。256。05m，高3。24.0m。上風(fēng)巷標(biāo)高：-448.0m，下順槽標(biāo)高：566.0m。工作面頂、

2、底板巖性如表5-1所示。該工作面南側(cè)有1111（3）工作面，與1111（3）工作面下順槽留設(shè)10m煤柱，與1121（1）工作面相鄰，高差均在80100m左右。其中1111(3)已回采完畢，1121（1）正在回采。工作面采用區(qū)內(nèi)后退走向長壁式，一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，平均推進(jìn)速度為93m/月。根據(jù)精查地質(zhì)報(bào)告,本礦井恒溫帶深度為30m，溫度16。8,地溫梯度2。3/100m。工作面實(shí)際溫度在2630。工作面實(shí)際供風(fēng)量為1800 m3/min。該煤層具有自然發(fā)火性，自然發(fā)火期36個(gè)月.瓦斯相對涌出量為2.52m³/t，絕對瓦斯涌出量為8。84m³/min,礦壓為2124mp

3、a。表51 工作面頂、底板巖性巖石種類備注老頂細(xì)砂巖厚度為07.2/5.6m，灰白色、細(xì)粒為主直接頂泥巖偽頂炭質(zhì)泥巖厚度為00。4/0.2m，灰黑色，主要為炭質(zhì)泥巖直接底泥巖老底細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖厚度為10.018。0/16.5m,淺灰灰白色,堅(jiān)硬5。 2 采空區(qū)“三帶”劃分指標(biāo)工作面正常生產(chǎn)時(shí),采空區(qū)自燃“三帶"處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)自燃“三帶”主要指散熱帶、氧化帶和窒息帶。散熱帶內(nèi)由于冒落不充分,漏風(fēng)流較大，采空區(qū)遺煤氣化產(chǎn)生的熱量不能積聚，一般不會發(fā)生自然發(fā)火。氧化帶內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速適當(dāng)，具有熱量積聚的條件，O2體積分?jǐn)?shù)又能滿足氧化需求，因此最容易發(fā)生自然發(fā)火。窒息帶內(nèi)由于漏風(fēng)

4、難以到達(dá)，O2體積分?jǐn)?shù)往往難以滿足氧化需求，一般也不會發(fā)生自然發(fā)火?！叭龓А笔强陀^存在的，但如何劃分具有一定的困難。由于探測手段和方法的局限，想要定量地準(zhǔn)確劃分是難以做到的。目前，一些研究者提出確定劃分“三帶”的指標(biāo)有漏風(fēng)風(fēng)速（v)、采空區(qū)氧濃度和溫升速率3種：1、采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速(v).從理論上說，漏風(fēng)風(fēng)速相對較好.因?yàn)樗梢泽w現(xiàn)氧濃度分布、氧化生熱與散熱的平衡關(guān)系.B.M。Maebcka(1946）等研究表明，采空區(qū)及煤柱的漏風(fēng)強(qiáng)度在時(shí)容易自然發(fā)火；有的研究者認(rèn)為不會導(dǎo)致自燃的極限風(fēng)速低于；封閉采空區(qū)密閉墻漏風(fēng)壓差在300Pa、漏風(fēng)強(qiáng)度在時(shí)容易自燃發(fā)火.由于這些參數(shù)都是在一定條件下取得的,因

5、此有一定局限性，但對研究自燃問題是有一定的參考價(jià)值。2、采空區(qū)氧濃度(c）分布.采用氧濃度指標(biāo)不能劃分散熱帶和自燃帶.因?yàn)樵谧匀紟е醒鯘舛纫灿锌赡苓_(dá)20以上。因?yàn)檠趸跗?，耗氧量是很小?對于劃分自燃帶和窒息帶的指標(biāo)有的研究者認(rèn)為是56;有的認(rèn)為是8%,即氧濃度c8為窒息帶C8為自燃帶.實(shí)際上，氧化速度隨氧濃度降低而減小，究竟氧化速度小到何值才算之是“窒息”是沒有確切標(biāo)淮；3、采空區(qū)遺煤溫升速度（dt1OC/d為自燃帶）也是一個(gè)劃分“三帶”的指標(biāo),但目前應(yīng)用不是很廣泛。按照采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速指標(biāo)劃分可知,散熱帶:采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速大于0.24m/min的區(qū)域;氧化帶：漏風(fēng)風(fēng)速在0。240。1m/m

6、in之間的區(qū)域；窒息帶:漏風(fēng)風(fēng)速小于0。1m/min的區(qū)域?？紤]到1121(3）工作面的推進(jìn)速度快，采空區(qū)浮煤還沒有足夠的氧化時(shí)間，氧氣濃度隨工作面的推進(jìn),變化并不明顯。因此，本章主要采用專業(yè)的流體力學(xué)模擬軟件FLUENT對1121(3)工作面采空區(qū)進(jìn)行流場模擬，并根據(jù)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速劃分指標(biāo)來確定1121(3）工作面采空區(qū)“三帶”的位置及范圍。最后改變工作面的供風(fēng)量，得到工作面不同供風(fēng)條件下的采空區(qū)“三帶”位置及范圍。5.3 物理模型的建立根據(jù)潘北礦1121(3)工作面現(xiàn)場實(shí)際提供的相關(guān)資料,為了使模擬的結(jié)果更能夠反映工作面及采空區(qū)的實(shí)際流場分布情況，把上、下順槽，工作面和采空區(qū)三者結(jié)合起來

7、一起作為采場整體來進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到現(xiàn)場實(shí)際的上、下順槽及采空區(qū)的走向很長，而我們主要是關(guān)注工作面采空區(qū)“三帶”的位置范圍，因此，在對“三帶”模擬結(jié)果影響不大的前提下，模型進(jìn)行了簡化。上、下順槽的長度都取20m,采空區(qū)走向取150m，其他模型尺寸完全和現(xiàn)場實(shí)際一致。根據(jù)潘北礦1121（3）工作面采空區(qū)實(shí)際情況，建立復(fù)雜的采空區(qū)三維物理模型，如圖51所示,模型尺寸如表52所示。表5-2 物理模型尺寸模型名稱長/m寬/m高/m備注工作面130.05.63。6長：指傾向長采空區(qū)150.0130。03.6長：指走向長上順槽20.03。02。2下順槽20。04。43.0圖5-1 采空區(qū)物理模型示意圖上

8、順槽采空區(qū)150m130m20m5.6m下順槽5.4數(shù)學(xué)模型的建立一、連續(xù)性方程的建立根據(jù)質(zhì)量守衡原理直接可以得到連續(xù)性方程為： 其中：ui，uj，uk為單元體的平均流速，它和孔隙中的平均流速關(guān)系為：N孔隙率.以下數(shù)學(xué)模型中，除特別指明外,所指速度都是指單元體的平均流速。二、動(dòng)量方程的建立在慣性（非加速）坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為：式中:p靜壓，Pa;-應(yīng)力張量,Pa;且應(yīng)力張量由下式給出: 包含了其它的模型相關(guān)源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)；采空區(qū)內(nèi)是屬于多孔介質(zhì)流體區(qū)域，可由下式得出:其中D和C是規(guī)定的矩陣。在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對于壓力梯度有貢獻(xiàn),壓降和流體速度(或速度方陣）成比

9、例。對于簡單的均勻多孔介質(zhì):其中a是滲透系數(shù)，為內(nèi)部阻力因子，簡單的指定D和C分別為對角陣和，其它項(xiàng)為零。通過多孔介質(zhì)的層流流動(dòng)中,壓降和速度成比例，常數(shù)可以考慮為零。5.5 FLUENT軟件簡介FLUENT是美國FLUENT公司推出的用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)軟件。它提供了很好的網(wǎng)格靈活性，可以使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體六面體金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng),也可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它還允許用戶根據(jù)解的具體情況對網(wǎng)格進(jìn)行修改(細(xì)化或粗化）。FLUENT軟件采用有限容積法，可選擇一階迎風(fēng)、二階迎風(fēng)、中心差分、冪指數(shù)以及QUI

10、CK等格式。速度和壓力耦合采用SIMPLE或SIMPLEC算法，代數(shù)方程的求解可以采用多重網(wǎng)格及最小殘差法。FLUENT是用C語言寫的，具有很大的靈活性與能力.除此之外,為了執(zhí)行高效，易于交互控制，以及靈活的適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng),Fluent使用clientserver結(jié)構(gòu)，因此它允許同時(shí)在用戶桌面工作站和強(qiáng)有力的服務(wù)器上分離地運(yùn)行程序.在FLUENT中，解的計(jì)算與顯示可以通過交互界面、菜單界面來完成。用戶界面是用Scheme語言及LISP dialect寫成的。高級用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面.FLUENT軟件包括以下幾個(gè)部分：(1）FLUENT 解法器；（2）prePD

11、F,用于模擬PDF 燃燒過程；(3）GAMBIT，網(wǎng)格生成幾何圖形模擬以及網(wǎng)格生成的預(yù)處理程序;(4)TGrid，從已有邊界網(wǎng)格中生成體網(wǎng)格的附加前處理程序；（5）Filters（Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算.可以與ANSYS、IDEAS、NASTRAN、PATRAN等程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在FLUENT中可以用GAMBIT產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格，也可以在已知邊界網(wǎng)格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE軟件產(chǎn)生的）中用TGrid產(chǎn)生三角網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格或者混合網(wǎng)格。也可以用其他軟件產(chǎn)生FLUENT所需要的網(wǎng)格，比如ANSYS（Swanson Ana

12、lysis Systems.Inc。)、IDEAS (SDRC)，或者M(jìn)SC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN。大多數(shù)CAD/CAE軟件都可以產(chǎn)生上述格式的網(wǎng)格。FLUENT軟件解算器對于可壓縮與不可壓縮流動(dòng),穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，無粘流、層流及湍流,牛頓流體及非牛頓流體，對流換熱（包括自然對流和混合對流），導(dǎo)熱與對流換熱耦合，輻射換熱，慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)，多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的流動(dòng)，化學(xué)組分混合與反應(yīng),多孔介質(zhì)流動(dòng),兩相流，復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)等問題都可以進(jìn)行較好得模擬。因此，F(xiàn)LUENT軟件在航天、機(jī)械、電子、汽車工業(yè)、材料處理、建筑設(shè)計(jì)和火災(zāi)研究以及暖

13、通空調(diào)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。5.6 采空區(qū)“三帶”模擬條件模擬采用隱式求解的求解方法。模擬需要的其它已知條件如下：1、工作面的推進(jìn)速度取3。1m/d；工作面供風(fēng)量為。2、采空區(qū)傾向上的風(fēng)阻變化系數(shù)在傾斜方向上，由于采空區(qū)的上、下巷道附近頂板受實(shí)體煤的支撐，而采空區(qū)中部的上覆巖層無支撐，所以頂板巖石冒落的下沉量也不同。一般是采空區(qū)中部覆巖的下沉量大于其上、下邊界覆巖的下沉量。因此,在傾斜方向上,一般采空區(qū)中部較上、下巷附近的孔隙率小，風(fēng)阻大。令k(y）表示風(fēng)阻變化系數(shù)，則可得：H1采空區(qū)中部覆巖的下沉量，m；H2上、下邊界覆巖的下沉量，m；采空區(qū)傾向長,m;根據(jù)礦井實(shí)際條件及相關(guān)資料，H1/

14、H2取1。30.3、采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻的計(jì)算由采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻的計(jì)算公式為:式中：a，b經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取決于頂板冒落巖石性質(zhì),其值如表5-3所示；c冒落巖石的壓實(shí)系數(shù)，它與工作面推進(jìn)速度(m/d）有關(guān)，按式(5。6。4)計(jì)算: 式中：x-采空區(qū)內(nèi)距工作面距離，m；l采空區(qū)濾流分支的長度，m；s采空區(qū)濾流分支的截面積，m2；-工作面推進(jìn)速度,m/d；考慮采空區(qū)傾向的風(fēng)阻變化,則可得采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻的計(jì)算公式為：由采空區(qū)走向長為150m，工作面長度為130m，工作面的推進(jìn)速度?。?。1m/d。a，b系數(shù)，根據(jù)實(shí)際頂板巖性：a=0。04，b=40,則可以得到： 表53 不同巖性冒落巖石的a、b值冒落巖石種類ab

15、松軟粘土巖，頁巖101中硬粘土頁巖硬粘土頁巖、砂巖砂巖、石灰?guī)r4、模擬基本假設(shè)1）、采空區(qū)內(nèi)遺煤、冒落巖石與空氣等混合物視為各向同性的均勻一致的多孔介質(zhì)；2）、上、下順槽在同一水平面，不考慮位能的影響；3)、粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)在z方向不發(fā)生變化。5.7 采空區(qū)“三帶”模擬的結(jié)果及分析根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得到采場在z=1。0m及z=2。0m處切面的流場立體等值線圖,如圖5-3所示，并得到z=1.0m處切面的二維流場等值線圖，如圖54所示。 從圖53中可以看出，兩個(gè)切面的流場等值線分布基本上一致。這主要是因?yàn)樵赯方向上的粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)不發(fā)生變化。從圖54中可知,工作面風(fēng)速明顯大于

16、采空區(qū)濾流速度。隨著采空區(qū)的走向，濾流速度下降的較快，這是由于隨著采空區(qū)越來越被壓實(shí)，阻力系數(shù)逐漸增大的緣故。采空區(qū)的走向距工作面6.08.0m,傾向距下順槽外幫30。0m左右處有一個(gè)低速區(qū)，另外，距工作面上隅角11.0m處也出現(xiàn)了一個(gè)低速區(qū)，這主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)阻力分布不均勻及壁面作用，改變了風(fēng)流的前進(jìn)方向，形成旋渦所致。圖54 z=1。0m處二維流場等值線圖圖53 z=1.0m、2。0m流場立體等值線圖以濾流速度0.1m/min和0。24m/min為“三帶”分界線，得到在z=1.0m及z=2。0m處切面的“三帶”立體圖,如圖5-5所示，并得到z=1.0m處切面的二維“三帶"位置及分

17、布,如圖5-6所示.從圖55中可知，z=1.0m及z=2。0m兩切面的“三帶"分布位置及大小、形狀基本一致,這也是因?yàn)檎承宰枇ο禂?shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)不隨Z方向變化的緣故。從圖56中可知，在這種采場條件下，氧化帶的最大的寬度為40。0m左右。且在采空區(qū)傾向不同的位置，氧化帶的位置及寬度不一樣，進(jìn)風(fēng)側(cè)寬度最小，傾向距下順槽外幫30m左右氧化帶寬度最大。根據(jù)推進(jìn)速度為3.1m/d，則氧化帶存在的最長時(shí)間為12。9d.由經(jīng)驗(yàn)得出采空區(qū)自然發(fā)火期為36個(gè)月，所以推得采空區(qū)內(nèi)部自然發(fā)火的可能性較小。圖5-5 z=1.0m及z=2.0m處三帶立體圖圖5-6 z=1.0m處二維三帶分布圖根據(jù)模擬結(jié)果，得

18、到z=1。0m處切面采場二維風(fēng)流矢量分布圖，如圖5-7所示。從圖57可以看出,風(fēng)量從下順槽大部分流入工作面，有小部分風(fēng)量漏入采空區(qū)，且漏風(fēng)量的大部分是從工作面下隅角附近流入采空區(qū)的。圖5-7 z=1.0m處二維風(fēng)流矢量圖從模擬結(jié)果中得知,從下順槽外幫起，每隔10m處的工作面風(fēng)量分布，如表5-4所示，并得到工作面的風(fēng)量分布曲線,如圖58所示。最后根據(jù)表54及圖5-8，得到工作面每段長為10m的漏風(fēng)量分布,漏風(fēng)量為正時(shí)表示向采空區(qū)漏入,負(fù)值表示由采空區(qū)漏出，其分布柱形圖如圖5-9所示。表54 工作面風(fēng)量分布,m3/s距離/m102030405060708090100110120風(fēng)量/m/min16

19、9017501770175017501750175017501760177017901800圖58 工作面風(fēng)量分布曲線圖59 工作面漏風(fēng)量分布柱形圖從表54及圖5-8中可知，工作面風(fēng)量分布是不均勻的。由于采空區(qū)較大部分漏風(fēng)量是從工作面下隅角流入的,因此工作面風(fēng)量在下隅角附近是最小的。從圖5-9可以看出，采空區(qū)的大部分漏風(fēng)量是發(fā)生在010m范圍內(nèi)，而1030m區(qū)間內(nèi)，風(fēng)流就開始返回至工作面內(nèi).3040m區(qū)間內(nèi)，又有小部分風(fēng)量漏入采空區(qū),說明進(jìn)風(fēng)側(cè)3040m處也存在漏風(fēng)源,采空區(qū)漏風(fēng)源不止一處。因此,為了減少采空區(qū)的漏風(fēng)量,應(yīng)重點(diǎn)防止采空區(qū)下隅角附近的漏風(fēng)，同時(shí)，也應(yīng)注意工作面其它地方的漏風(fēng)。以上

20、結(jié)果表明，漏風(fēng)量及漏風(fēng)風(fēng)流在工作面傾向上,沿垂直于工作面煤壁中心線并不是呈對稱分布的，這種現(xiàn)象從采場風(fēng)流矢量分布圖及流場等值線圖中也可以看出。這主要是因?yàn)樵趦A斜方向上,采空區(qū)中部比上、下順槽附近的孔隙率更小，風(fēng)阻更大的緣故?？紤]到現(xiàn)場綜采工作面的實(shí)際條件，無法準(zhǔn)確測出工作面的風(fēng)量分布，因此無法同現(xiàn)場工作面實(shí)際風(fēng)量分布曲線進(jìn)行比較，但同論文采空區(qū)孔隙率非均質(zhì)模型及流場分布模型2中的工作面內(nèi)漏風(fēng)量分布曲線做了對比，漏風(fēng)量分布趨勢較為吻合。5.8工作面供風(fēng)量對采空區(qū)“三帶”分布的影響為了考察工作面供風(fēng)量對采空區(qū)“三帶"位置及范圍的影響，在原采場條件不變的基礎(chǔ)上，除現(xiàn)場實(shí)際的供風(fēng)量Q2=18

21、00m3/min外，再提出工作面供風(fēng)量Q1=1200m3/min和工作面供風(fēng)量為Q3=2400m3/min兩種方案進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果分別如圖510 5-15所示.圖5-11 Q1=1200m3/min二維三帶分布圖 圖5-10 Q1=1200m3/min三帶立體圖圖5-13 Q2=1800m3/min二維三帶分布圖圖5-12 Q2=1800m3/min三帶立體圖圖5-15 Q3=2400m3/min二維三帶分布圖圖5-14 Q3=2400m3/min的三帶立體圖從圖510 5-15中可知,工作面供風(fēng)量不同，采空區(qū)內(nèi)流場分布不同,從而導(dǎo)致采空區(qū)“三帶”的位置及范圍也不同.隨著工作面的供風(fēng)量越大,采空區(qū)“三帶”位置越向采空區(qū)深部延伸,而且“三帶”的范圍也越大，由此說明，采空區(qū)“三帶”的位置及范圍與工作面的供風(fēng)量有直接的關(guān)系。另外，從圖5-10 5-15中還可以看出,盡管工作面的供風(fēng)量不同，但是采空區(qū)走向距工作面6。08.0m，傾向距下順槽外幫30。0m左右處的旋渦始終存在。雖然此處的“三帶"范圍小，但是它并不隨著工作面供風(fēng)量的改變而改變，而是受采空區(qū)走向及傾向的粘性阻力系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)變化的影響。因此，在采取措施預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火時(shí),要注意加強(qiáng)這些區(qū)域的防火管理。