不同配風(fēng)量下Y形通風(fēng)風(fēng)流場(chǎng)分析

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呂邦國(guó)

2幾何模型與邊界條件

模型長(zhǎng)度600m，寬度200m，高度30m。模型巷道高4m，寬5m。模型共分為5部分：實(shí)體煤，煤層老頂，采空區(qū)遺煤，采空區(qū)垮落巖石，巷道。工作面左側(cè)為6m厚的未開(kāi)采實(shí)體煤，工作面頂板及其左側(cè)為24m厚的完整煤層老頂。右側(cè)為采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)模型分為兩部分，底部為2m厚的遺煤，上部為28m后的垮落巖石。

在Fluent軟件中利用UDF將采空區(qū)滲透率納入CFD模型。通過(guò)改變網(wǎng)格方案和網(wǎng)格單元尺寸，對(duì)模型進(jìn)行屢屢運(yùn)行，以檢驗(yàn)結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性并平衡運(yùn)行時(shí)間。結(jié)果說(shuō)明，在現(xiàn)有網(wǎng)格方案和單元數(shù)約300萬(wàn)的狀況下，求解是網(wǎng)格無(wú)關(guān)的，耗時(shí)也可以接受。

進(jìn)風(fēng)口為速度入口，風(fēng)量為1800m3/min，風(fēng)速為2m/s。留巷和回風(fēng)巷均為壓力出口，5個(gè)底抽孔均設(shè)為恒壓-10kPa的排氣扇出口。其他區(qū)域均設(shè)為壁面邊界。純潔的空氣從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入，從回風(fēng)巷和瓦斯抽采孔離開(kāi)。

3采空區(qū)風(fēng)流場(chǎng)漏風(fēng)規(guī)律

為了研究不同配風(fēng)量對(duì)Y型通風(fēng)采空區(qū)風(fēng)流場(chǎng)規(guī)律的影響，在保持其他條件不變下，通過(guò)改變進(jìn)風(fēng)巷道的總進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，有設(shè)計(jì)以下3種方案：第一種方案的總配風(fēng)量為1350m3/min，風(fēng)流全通過(guò)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入，由沿空留巷，和軌順回風(fēng)巷流出;其次種狀況下總配風(fēng)量為1800m3/min;第三種狀況下總配風(fēng)量為2700m3/min。對(duì)照這3種狀況進(jìn)行以下模擬。

圖1為總配風(fēng)量為1350m3/min時(shí)工作面的三維速度渲染圖和流線(xiàn)圖。在速度渲染圖1（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為1350m3/min時(shí)，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.005m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。在巷道部分風(fēng)流速度超過(guò)0.01m/s，顯示為紅色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回風(fēng)巷的位置也有很少的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域;采空區(qū)前端大部分區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速為0.005m/s綠色部分，采空區(qū)風(fēng)流主要此后區(qū)域通過(guò)。隨著向采空區(qū)深部方向，漸漸變?yōu)闇\藍(lán)色區(qū)域表示風(fēng)速在0.002m/s左右，風(fēng)流通過(guò)此區(qū)域時(shí)風(fēng)速漸漸由0.005m/s減小到0.001m/s。左側(cè)的實(shí)體煤處為藍(lán)色，說(shuō)明實(shí)體煤內(nèi)流速很小。

在速度流線(xiàn)圖1（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線(xiàn)密集，說(shuō)明漏風(fēng)的速度和總量較多。在采空區(qū)中主要有3個(gè)風(fēng)流方向：前端的流線(xiàn)從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)終止，在留巷段前中部出發(fā)的流線(xiàn)有一部分進(jìn)入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分立刻返回了留巷段，并與留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

圖2為總配風(fēng)量為1800m3/min時(shí)工作面的三維速度渲染圖和流線(xiàn)圖。在速度渲染圖2（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為1800m3/min時(shí)，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.007m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。在巷道部分風(fēng)流速度超過(guò)0.01m/s，顯示為紅色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回風(fēng)巷的位置有一定量的的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域;采空區(qū)前端大部分區(qū)域?yàn)轱L(fēng)速為0.007m/s黃綠色部分，采空區(qū)風(fēng)流主要此后區(qū)域通過(guò)。隨著向采空區(qū)深部方向，漸漸變?yōu)榍鄥^(qū)域，表示風(fēng)速在0.003m/s左右，風(fēng)流通過(guò)此區(qū)域時(shí)風(fēng)速漸漸由0.007m/s減小到0.002m/s。

在速度流線(xiàn)圖2（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線(xiàn)密集，說(shuō)明漏風(fēng)的速度和總量較多，前端的流線(xiàn)從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)終止。和總配風(fēng)量為1350m3/min時(shí)相比，采空區(qū)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向和規(guī)律對(duì)比相像，在采空區(qū)中也有3個(gè)主要風(fēng)流方向：前端的流線(xiàn)從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)終止，在留巷段前中部出發(fā)的流線(xiàn)有一部分進(jìn)入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分立刻返回了留巷段，和留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

圖3為總配風(fēng)量為2700m3/min時(shí)工作面的三維速度渲染圖和流線(xiàn)圖。在速度渲染圖3（a）中，可以看出在總配風(fēng)量為2700m3/min時(shí)，采空區(qū)前端漏風(fēng)速度約為0.01m/s，后端漏風(fēng)速度小于0.001m/s。與前兩種總進(jìn)風(fēng)量狀況相比，總配風(fēng)量為2700m3/min時(shí)采空區(qū)前端漏風(fēng)速度大大增加，但在采空區(qū)深部，漏風(fēng)速度區(qū)別不大。在巷道部分風(fēng)流速度超過(guò)0.01m/s，顯示為紅色;采空區(qū)前端有大量的漏風(fēng)速度較大的紅色區(qū)域，采空區(qū)風(fēng)流主要此后區(qū)域通過(guò)。隨著向采空區(qū)深部方向，漸漸變?yōu)榫G色區(qū)域，表示風(fēng)速在0.005m/s左右，風(fēng)流通過(guò)此區(qū)域時(shí)風(fēng)速漸漸由0.01m/s減小到0.003m/s。且在此時(shí)，留巷側(cè)和回風(fēng)側(cè)的風(fēng)速有較強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)性，在采空區(qū)前中部的綠色區(qū)域，留巷側(cè)的風(fēng)速要大于回風(fēng)側(cè)。

在速度流線(xiàn)圖3（b）中，在采空區(qū)前段漏風(fēng)速度高且流線(xiàn)密集，說(shuō)明漏風(fēng)的速度和總量較多，前端的流線(xiàn)從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)終止。與總配風(fēng)量為1350m3/min和1800m3/min時(shí)相比，采空區(qū)風(fēng)流運(yùn)動(dòng)方向和規(guī)律對(duì)比相像，在采空區(qū)中也有3個(gè)主要風(fēng)流方向：前端的流線(xiàn)從留巷段出發(fā)，在工作面和回風(fēng)巷側(cè)終止，在留巷段前中部出發(fā)的流線(xiàn)有一部分進(jìn)入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分立刻返回了留巷段，和留巷段中的主風(fēng)流一并流出。

4結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用AnsysFluent軟件對(duì)張集煤礦工作面在不同配風(fēng)量下的風(fēng)流場(chǎng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)工作面進(jìn)行Y型通風(fēng)且總配風(fēng)量分別為1350m3/min、1800