综放采空区风流场CFD数值模拟研究

近年来,综采技术在我国应用广泛。由于综放采空区冒落空间大、采空区遗留残煤多、漏风严重,使得采空区遗煤的自燃危险性增强;此外,由于综合机械化开采具有高强度、集中生产、推进速度快的特点,从而使瓦斯涌出更为集中且不均衡,常造成回风流及支架顶、上隅角等处瓦斯超限,成为矿井安全生产的重大隐患。 采空区遗煤自燃和瓦斯积聚均与采空区的漏风流分布有关,在现有的技术及经济条件下,对于采空区漏风流场进行实测或实验室物理模拟都有很大的困难。故本文通过计算流体动力学对采空区漏风流场进行数值模拟实验研究。 首先,通过对采空区环境特点的分析,得出遗煤的孔隙率分布情况,构建采空区一源一汇的二维物理模型,并利用Gambit软件对该模型网格化;其次,对多孔介质中传质过程分析,得出采空区风流流动的控制方程,并对该方程利用有限体积法进行离散;最后再利用Fluent软件对采空区的风流分布进行数值模拟。 模拟过程按孔隙率的分布不同分两大部分进行,即对整个采空区孔隙率均匀化和孔隙率分布依照簸箕理论分区设置两种情形来模拟。每种情形又按瓦斯抽放方式的不同各分三种情形,即瓦斯抽放管、瓦斯尾巷和高抽巷。在每种抽放条件下模拟时,先进行工作面有进风流和有瓦斯抽放的一组复杂边界条件模拟;再将边界条件拆分为仅有风流而无瓦斯抽放和仅有瓦斯抽放而无进风流两组边界条件分别模拟后进行矢量叠加,一方面,通过模拟可得到采空区的风流分布情况,为采空区的遗煤自燃、瓦斯积聚研究提供基础;另一方面,通过比较边界条件分解前后的模拟结果可知,两种方式模拟结果相对误差较小,表明将复杂的模拟过程拆分为简单情形分别模拟后再叠加合理可行,也即构建应用平台简化模拟过程具有可行性。