论文摘要
为有效治理井下高温热害和预防采空区遗煤自燃火灾,有必要对煤矿床相应的温度场分布规律进行研究。本文对采动影响下煤矿床内温度场分布规律进行了数值模拟与实验研究,为采取适当的井下降温措施及通风策略提供可靠的理论依据。首先,基于多孔介质容积平均化理论,通过分析煤矿床内流动传热机理,建立了相应的流场、温度场、氧浓度场的三维耦合数学模型。其中,动量方程推导将容积平均法和Darcy-Forchheimer经验公式相结合,建立了采空区与工作面统一的流动方程；在传热方面,对煤矿床内的热源项进行了深入分析,给出了更为符合实际的内热源形式和温度场边界条件,计算尺度由工作面和采空区扩展到围岩内接近原岩温度处；在孔隙率模拟方面,基于原有的二维采空区孔隙率连续分布模型,发展为煤矿床内三维孔隙率模型,提高了数值模拟结果的可靠性。基于所提出的数学模型,利用控制容积积分法对其进行了离散。其中,一般变量采用普通网格,动量方程离散采用交错网格,速度和压力的耦合关系采用SIMPLE算法处理；对流项采用乘方格式；源项利用局部线性化假设；第二、三类边界条件采用附加源项法处理：算法上采用交替方向线性迭代法,并给出了各变量亚松弛处理方法。最后应用FORTRAN语言编制三维求解程序对离散模型进行数值求解,实现了对煤矿床流场、温度场的数值模拟。其次,利用U型通风采场相似实验台对三维流动传热模型进行了验证。在实验台设计上,基于对采场流场与温度场数学模型的相似分析,详细推导了原型与模型各参数之间的相似比例关系。提出以δr2xr/ur2=δr3dnr2/ur=xr/pfr作为相似关系式及xr/urTr=1/qr作为热源相似比例来设计实验台模型。根据采空区氧化三带理论和采空区二维孔隙率分布理论,成功搭建了U型通风采场模型实验台并利用实验台对采场温度场进行了氧化带局部区域自热工况的模拟实验,得到温度场分布规律。同时,利用本文提出的采场三维数学模型对实验台中流动传热过程进行了数值模拟,并与实验台内各测点实测值进行了对比分析。结果表明,温度实测值与模拟规律吻合较好,模型能够真实描述U型通风采场相似实验台的流动换热过程。最后,通过文献报道的林南仓矿11煤层采场温度场的实测结果对本文提出的煤矿床三维温度场模型进行了验证分析。首先,应用模型对林南仓矿11煤层1019工作面及采空区内的流动传热过程进行了数值模拟,模拟时综合考虑了实际采场各项计算参数和边界条件,给出了其流场、温度场的分布规律；然后将模拟值与实测值进行了对比分析。结果表明,各截面的高温区域均出现在采场倾向中心线偏回风口的位置,而采空区内靠近回风巷道的区域由于受到采空区内遗煤氧化放热和高温岩壁传热的影响,其温度普遍高于靠近进风巷道的区域,致使在整个采空区靠近回风巷道区域内形成了局部高温区。尽管模拟值与实测数据存在一定误差,但热电偶传感器的实测温度分布走势与模拟曲线规律基本吻合,温度场模拟结果能够较好地反应采场中温度场分布规律,本文所建煤矿床三维温度场模型预测的温度场分布规律可以为实际工程中预测采空区煤自燃火灾和制定工作面通风策略提供有力依据。