带数值模拟报告

1、带数值模拟报告 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途5 1121（3）采空区“三带”数值模拟采空区自然发火防治的首要技术前提是要搞清采空区自燃“三带”的分布范围，它是采空区注氮、堵漏风等技术措施的主要技术依据。因此采空区“三带”的划分显得尤为重要.5。 1 1121(3)工作面概况1121(3）工作面位于东一采区131煤层第二块段，煤层呈块状及粉末状，煤层产状变化较大，煤层倾向40°左右，倾角1342°，煤厚3。06.0m，平均煤厚4。4m.工作面平均长130m，宽5。256。05m，高3。24.0m。上风巷标高：-448.0m，下顺槽标高：566.0m。工作面顶、

2、底板岩性如表5-1所示。该工作面南侧有1111（3）工作面，与1111（3）工作面下顺槽留设10m煤柱，与1121（1）工作面相邻，高差均在80100m左右。其中1111(3)已回采完毕，1121（1）正在回采。工作面采用区内后退走向长壁式，一次采全高综合机械化采煤法，平均推进速度为93m/月。根据精查地质报告,本矿井恒温带深度为30m，温度16。8,地温梯度2。3/100m。工作面实际温度在2630。工作面实际供风量为1800 m3/min。该煤层具有自然发火性，自然发火期36个月.瓦斯相对涌出量为2.52m³/t，绝对瓦斯涌出量为8。84m³/min,矿压为2124mp

3、a。表51 工作面顶、底板岩性岩石种类备注老顶细砂岩厚度为07.2/5.6m，灰白色、细粒为主直接顶泥岩伪顶炭质泥岩厚度为00。4/0.2m，灰黑色，主要为炭质泥岩直接底泥岩老底细砂岩、中细砂岩厚度为10.018。0/16.5m,浅灰灰白色,坚硬5。 2 采空区“三带”划分指标工作面正常生产时,采空区自燃“三带"处于一个动态的稳定状态。采空区自燃“三带”主要指散热带、氧化带和窒息带。散热带内由于冒落不充分,漏风流较大，采空区遗煤气化产生的热量不能积聚，一般不会发生自然发火。氧化带内漏风风速适当，具有热量积聚的条件，O2体积分数又能满足氧化需求，因此最容易发生自然发火。窒息带内由于漏风

4、难以到达，O2体积分数往往难以满足氧化需求，一般也不会发生自然发火。“三带”是客观存在的，但如何划分具有一定的困难。由于探测手段和方法的局限，想要定量地准确划分是难以做到的。目前，一些研究者提出确定划分“三带”的指标有漏风风速（v)、采空区氧浓度和温升速率3种：1、采空区漏风风速(v).从理论上说，漏风风速相对较好.因为它可以体现氧浓度分布、氧化生热与散热的平衡关系.B.M。Maebcka(1946）等研究表明，采空区及煤柱的漏风强度在时容易自然发火；有的研究者认为不会导致自燃的极限风速低于；封闭采空区密闭墙漏风压差在300Pa、漏风强度在时容易自燃发火.由于这些参数都是在一定条件下取得的,因

5、此有一定局限性，但对研究自燃问题是有一定的参考价值。2、采空区氧浓度(c）分布.采用氧浓度指标不能划分散热带和自燃带.因为在自燃带中氧浓度也有可能达20以上。因为氧化初期，耗氧量是很小的.对于划分自燃带和窒息带的指标有的研究者认为是56;有的认为是8%,即氧浓度c8为窒息带C8为自燃带.实际上，氧化速度随氧浓度降低而减小，究竟氧化速度小到何值才算之是“窒息”是没有确切标淮；3、采空区遗煤温升速度（dt1OC/d为自燃带）也是一个划分“三带”的指标,但目前应用不是很广泛。按照采空区内漏风风速指标划分可知,散热带:采空区内漏风风速大于0.24m/min的区域;氧化带：漏风风速在0。240。1m/m

6、in之间的区域；窒息带:漏风风速小于0。1m/min的区域。考虑到1121(3）工作面的推进速度快，采空区浮煤还没有足够的氧化时间，氧气浓度随工作面的推进,变化并不明显。因此，本章主要采用专业的流体力学模拟软件FLUENT对1121(3)工作面采空区进行流场模拟，并根据采空区内漏风风速划分指标来确定1121(3）工作面采空区“三带”的位置及范围。最后改变工作面的供风量，得到工作面不同供风条件下的采空区“三带”位置及范围。5.3 物理模型的建立根据潘北矿1121(3)工作面现场实际提供的相关资料,为了使模拟的结果更能够反映工作面及采空区的实际流场分布情况，把上、下顺槽，工作面和采空区三者结合起来

7、一起作为采场整体来进行数值模拟。考虑到现场实际的上、下顺槽及采空区的走向很长，而我们主要是关注工作面采空区“三带”的位置范围，因此，在对“三带”模拟结果影响不大的前提下，模型进行了简化。上、下顺槽的长度都取20m,采空区走向取150m，其他模型尺寸完全和现场实际一致。根据潘北矿1121（3）工作面采空区实际情况，建立复杂的采空区三维物理模型，如图51所示,模型尺寸如表52所示。表5-2 物理模型尺寸模型名称长/m宽/m高/m备注工作面130.05.63。6长：指倾向长采空区150.0130。03.6长：指走向长上顺槽20.03。02。2下顺槽20。04。43.0图5-1 采空区物理模型示意图上

8、顺槽采空区150m130m20m5.6m下顺槽5.4数学模型的建立一、连续性方程的建立根据质量守衡原理直接可以得到连续性方程为： 其中：ui，uj，uk为单元体的平均流速，它和孔隙中的平均流速关系为：N孔隙率.以下数学模型中，除特别指明外,所指速度都是指单元体的平均流速。二、动量方程的建立在惯性（非加速）坐标系中i方向上的动量守恒方程为：式中:p静压，Pa;-应力张量,Pa;且应力张量由下式给出: 包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项；采空区内是属于多孔介质流体区域，可由下式得出:其中D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献,压降和流体速度(或速度方阵）成比

9、例。对于简单的均匀多孔介质:其中a是渗透系数，为内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵和，其它项为零。通过多孔介质的层流流动中,压降和速度成比例，常数可以考虑为零。5.5 FLUENT软件简介FLUENT是美国FLUENT公司推出的用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机软件。它提供了很好的网格灵活性，可以使用结构化网格和非结构化网格,例如二维三角形或四边形网格、三维四面体六面体金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动,也可以用混合型非结构网格。它还允许用户根据解的具体情况对网格进行修改(细化或粗化）。FLUENT软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、二阶迎风、中心差分、幂指数以及QUI

10、CK等格式。速度和压力耦合采用SIMPLE或SIMPLEC算法，代数方程的求解可以采用多重网格及最小残差法。FLUENT是用C语言写的，具有很大的灵活性与能力.除此之外,为了执行高效，易于交互控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统,Fluent使用clientserver结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序.在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面、菜单界面来完成。用户界面是用Scheme语言及LISP dialect写成的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面.FLUENT软件包括以下几个部分：(1）FLUENT 解法器；（2）prePD

11、F,用于模拟PDF 燃烧过程；(3）GAMBIT，网格生成几何图形模拟以及网格生成的预处理程序;(4)TGrid，从已有边界网格中生成体网格的附加前处理程序；（5）Filters（Translators)，转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算.可以与ANSYS、IDEAS、NASTRAN、PATRAN等程序进行数据交换。在FLUENT中可以用GAMBIT产生所需的几何结构以及网格，也可以在已知边界网格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE软件产生的）中用TGrid产生三角网格，四面体网格或者混合网格。也可以用其他软件产生FLUENT所需要的网格，比如ANSYS（Swanson Ana

12、lysis Systems.Inc。)、IDEAS (SDRC)，或者MSC/ARIES,MSC/PATRAN以及MSC/NASTRAN。大多数CAD/CAE软件都可以产生上述格式的网格。FLUENT软件解算器对于可压缩与不可压缩流动,稳态和非稳态流动，无粘流、层流及湍流,牛顿流体及非牛顿流体，对流换热（包括自然对流和混合对流），导热与对流换热耦合，辐射换热，惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动，多运动坐标系下的流动，化学组分混合与反应,多孔介质流动,两相流，复杂表面形状下的自由面流动等问题都可以进行较好得模拟。因此，FLUENT软件在航天、机械、电子、汽车工业、材料处理、建筑设计和火灾研究以及暖

13、通空调等领域都得到了广泛的应用。5.6 采空区“三带”模拟条件模拟采用隐式求解的求解方法。模拟需要的其它已知条件如下：1、工作面的推进速度取3。1m/d；工作面供风量为。2、采空区倾向上的风阻变化系数在倾斜方向上，由于采空区的上、下巷道附近顶板受实体煤的支撑，而采空区中部的上覆岩层无支撑，所以顶板岩石冒落的下沉量也不同。一般是采空区中部覆岩的下沉量大于其上、下边界覆岩的下沉量。因此,在倾斜方向上,一般采空区中部较上、下巷附近的孔隙率小，风阻大。令k(y）表示风阻变化系数，则可得：H1采空区中部覆岩的下沉量，m；H2上、下边界覆岩的下沉量，m；采空区倾向长,m;根据矿井实际条件及相关资料，H1/

14、H2取1。30.3、采空区漏风风阻的计算由采空区漏风风阻的计算公式为:式中：a，b经验系数，取决于顶板冒落岩石性质,其值如表5-3所示；c冒落岩石的压实系数，它与工作面推进速度(m/d）有关，按式(5。6。4)计算: 式中：x-采空区内距工作面距离，m；l采空区滤流分支的长度，m；s采空区滤流分支的截面积，m2；-工作面推进速度,m/d；考虑采空区倾向的风阻变化,则可得采空区漏风风阻的计算公式为：由采空区走向长为150m，工作面长度为130m，工作面的推进速度取：3。1m/d。a，b系数，根据实际顶板岩性：a=0。04，b=40,则可以得到： 表53 不同岩性冒落岩石的a、b值冒落岩石种类ab

15、松软粘土岩，页岩101中硬粘土页岩硬粘土页岩、砂岩砂岩、石灰岩4、模拟基本假设1）、采空区内遗煤、冒落岩石与空气等混合物视为各向同性的均匀一致的多孔介质；2）、上、下顺槽在同一水平面，不考虑位能的影响；3)、粘性阻力系数和内部阻力系数在z方向不发生变化。5.7 采空区“三带”模拟的结果及分析根据模拟计算结果，得到采场在z=1。0m及z=2。0m处切面的流场立体等值线图,如图5-3所示，并得到z=1.0m处切面的二维流场等值线图，如图54所示。 从图53中可以看出，两个切面的流场等值线分布基本上一致。这主要是因为在Z方向上的粘性阻力系数和内部阻力系数不发生变化。从图54中可知,工作面风速明显大于

16、采空区滤流速度。随着采空区的走向，滤流速度下降的较快，这是由于随着采空区越来越被压实，阻力系数逐渐增大的缘故。采空区的走向距工作面6.08.0m,倾向距下顺槽外帮30。0m左右处有一个低速区，另外，距工作面上隅角11.0m处也出现了一个低速区，这主要是因为采空区阻力分布不均匀及壁面作用，改变了风流的前进方向，形成旋涡所致。图54 z=1。0m处二维流场等值线图图53 z=1.0m、2。0m流场立体等值线图以滤流速度0.1m/min和0。24m/min为“三带”分界线，得到在z=1.0m及z=2。0m处切面的“三带”立体图,如图5-5所示，并得到z=1.0m处切面的二维“三带"位置及分

17、布,如图5-6所示.从图55中可知，z=1.0m及z=2。0m两切面的“三带"分布位置及大小、形状基本一致,这也是因为粘性阻力系数和内部阻力系数不随Z方向变化的缘故。从图56中可知，在这种采场条件下，氧化带的最大的宽度为40。0m左右。且在采空区倾向不同的位置，氧化带的位置及宽度不一样，进风侧宽度最小，倾向距下顺槽外帮30m左右氧化带宽度最大。根据推进速度为3.1m/d，则氧化带存在的最长时间为12。9d.由经验得出采空区自然发火期为36个月，所以推得采空区内部自然发火的可能性较小。图5-5 z=1.0m及z=2.0m处三带立体图图5-6 z=1.0m处二维三带分布图根据模拟结果，得

18、到z=1。0m处切面采场二维风流矢量分布图，如图5-7所示。从图57可以看出,风量从下顺槽大部分流入工作面，有小部分风量漏入采空区，且漏风量的大部分是从工作面下隅角附近流入采空区的。图5-7 z=1.0m处二维风流矢量图从模拟结果中得知,从下顺槽外帮起，每隔10m处的工作面风量分布，如表5-4所示，并得到工作面的风量分布曲线,如图58所示。最后根据表54及图5-8，得到工作面每段长为10m的漏风量分布,漏风量为正时表示向采空区漏入,负值表示由采空区漏出，其分布柱形图如图5-9所示。表54 工作面风量分布,m3/s距离/m102030405060708090100110120风量/m/min16

19、9017501770175017501750175017501760177017901800图58 工作面风量分布曲线图59 工作面漏风量分布柱形图从表54及图5-8中可知，工作面风量分布是不均匀的。由于采空区较大部分漏风量是从工作面下隅角流入的,因此工作面风量在下隅角附近是最小的。从图5-9可以看出，采空区的大部分漏风量是发生在010m范围内，而1030m区间内，风流就开始返回至工作面内.3040m区间内，又有小部分风量漏入采空区,说明进风侧3040m处也存在漏风源,采空区漏风源不止一处。因此,为了减少采空区的漏风量,应重点防止采空区下隅角附近的漏风，同时，也应注意工作面其它地方的漏风。以上

20、结果表明，漏风量及漏风风流在工作面倾向上,沿垂直于工作面煤壁中心线并不是呈对称分布的，这种现象从采场风流矢量分布图及流场等值线图中也可以看出。这主要是因为在倾斜方向上,采空区中部比上、下顺槽附近的孔隙率更小，风阻更大的缘故。考虑到现场综采工作面的实际条件，无法准确测出工作面的风量分布，因此无法同现场工作面实际风量分布曲线进行比较，但同论文采空区孔隙率非均质模型及流场分布模型2中的工作面内漏风量分布曲线做了对比，漏风量分布趋势较为吻合。5.8工作面供风量对采空区“三带”分布的影响为了考察工作面供风量对采空区“三带"位置及范围的影响，在原采场条件不变的基础上，除现场实际的供风量Q2=18

21、00m3/min外，再提出工作面供风量Q1=1200m3/min和工作面供风量为Q3=2400m3/min两种方案进行模拟。模拟结果分别如图510 5-15所示.图5-11 Q1=1200m3/min二维三带分布图 图5-10 Q1=1200m3/min三带立体图图5-13 Q2=1800m3/min二维三带分布图图5-12 Q2=1800m3/min三带立体图图5-15 Q3=2400m3/min二维三带分布图图5-14 Q3=2400m3/min的三带立体图从图510 5-15中可知,工作面供风量不同，采空区内流场分布不同,从而导致采空区“三带”的位置及范围也不同.随着工作面的供风量越大,采空区“三带”位置越向采空区深部延伸,而且“三带”的范围也越大，由此说明，采空区“三带”的位置及范围与工作面的供风量有直接的关系。另外，从图5-10 5-15中还可以看出,尽管工作面的供风量不同，但是采空区走向距工作面6。08.0m，倾向距下顺槽外帮30。0m左右处的旋涡始终存在。虽然此处的“三带"范围小，但是它并不随着工作面供风量的改变而改变，而是受采空区走向及倾向的粘性阻力系数和内部阻力系数变化的影响。因此，在采取措施预防采空区自然发火时,要注意加强这些区域的防火管理。