综放采空区风流场CFD数值模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 采空区遗煤自燃与漏风研究现状
• 1.2.2 采空区瓦斯渗流研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本文的技术路线
• 2 采空区的环境特点
• 2.1 采空区遗煤自燃的影响因素及发火特点
• 2.1.1 采空区遗煤自燃的影响因素
• 2.1.2 采空区遗煤自燃发火特点
• 2.2 采空区浮煤厚度
• 2.3 采空区煤岩体碎胀特性
• 2.3.1 采空区覆岩冒落碎胀特性分析
• 2.3.2 采空区自然堆积区岩体碎胀特性
• 2.3.3 载荷影响区碎胀特性分析
• 2.3.4 压实稳定区碎胀特性分析
• 2.4 采空区渗透性分析
• 2.4.1 采空区的多孔介质特性
• 2.4.2 采空区渗透系数
• 2.5 本章小结
• 3 采空区物理及数学模型的建立
• 3.1 采空区物理模型的建立
• 3.2 采空区控制微分方程及其理论意义
• 3.2.1 控制微分方程的理论意义
• 3.2.2 采空区内部控制微分方程的建立
• 3.3 采空区风流流动数学模型的建立
• 3.4 本章小结
• 4 采空区风流方程组的数值解法
• 4.1 风流流动问题的求解方法
• 4.2 采空区数学模型的离散化
• 4.2.1 模型的离散化目的及常用的离散方法
• 4.2.2 有限体积法的离散原理及离散格式
• 4.3 采空区风流流动传质通用微分方程的离散
• 4.4 本章小结
• 5 采空区风流场数值模拟
• 5.1 FLUENT 软件简介
• 5.2 采空区渗流场模拟的意义及目的
• 5.2.1 采空区渗流场模拟的意义
• 5.2.2 采空区渗流场模拟的目的
• 5.2.3 叠加原理与模拟思路
• 5.3 采空区GAMBIT 建模及模拟常量的取值
• 5.4 采空区风流分布模拟
• 5.4.1 采空区孔隙率均匀分布时的风流分布模拟
• 5.4.2 采空区孔隙率非均匀分布时的风流分布模拟
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录