不同配風量下Y形通風風流場分析

呂邦國

2 幾何模型與邊界條件

模型長度600m，寬度200m，高度30 m。模型巷道高4m，寬5m。模型共分為5部分：實體煤，煤層老頂，采空區(qū)遺煤，采空區(qū)垮落巖石，巷道。工作面左側為6m厚的未開采實體煤，工作面頂板及其左側為24m厚的完整煤層老頂。右側為采空區(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。通過改變網(wǎng)格方案和網(wǎng)格單元尺寸，對模型進行多次運行，以檢驗結果的網(wǎng)格獨立性并平衡運行時間。結果表明，在現(xiàn)有網(wǎng)格方案和單元數(shù)約300萬的情況下，求解是網(wǎng)格無關的，耗時也可以接受。

進風口為速度入口，風量為1800m³/min，風速為2m/s。留巷和回風巷均為壓力出口，5個底抽孔均設為恒壓-10kPa的排氣扇出口。其他區(qū)域均設為壁面邊界。純凈的空氣從進風巷進入，從回風巷和瓦斯抽采孔離開。

3 采空區(qū)風流場漏風規(guī)律

為了研究不同配風量對Y型通風采空區(qū)風流場規(guī)律的影響，在保持其他條件不變下，通過改變進風巷道的總進風量進行相應的數(shù)值模擬研究，有設計以下3種方案：第一種方案的總配風量為1350m³/min，風流全通過進風巷進入，由沿空留巷，和軌順回風巷流出;第二種情況下總配風量為1800m³/min;第三種情況下總配風量為2700m³/min。對照這3種情況進行以下模擬。

圖1為總配風量為1350m³/min時工作面的三維速度渲染圖和流線圖。在速度渲染圖1（a）中，可以看出在總配風量為1350m³/min時，采空區(qū)前端漏風速度約為0.005m/s，后端漏風速度小于0.001m/s。在巷道部分風流速度超過0.01m/s，顯示為紅色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回風巷的位置也有很少的漏風速度較大的紅色區(qū)域;采空區(qū)前端大部分區(qū)域為風速為0.005m/s綠色部分，采空區(qū)風流主要從此區(qū)域通過。隨著向采空區(qū)深部方向，逐漸變?yōu)闇\藍色區(qū)域表示風速在0.002m/s左右，風流通過此區(qū)域時風速逐漸由0.005m/s減小到0.001m/s。左側的實體煤處為藍色，說明實體煤內(nèi)流速很小。

在速度流線圖1（b）中，在采空區(qū)前段漏風速度高且流線密集，說明漏風的速度和總量較多。在采空區(qū)中主要有3個風流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風巷側結束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，并與留巷段中的主風流一并流出。

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

在速度流線圖2（b）中，在采空區(qū)前段漏風速度高且流線密集，說明漏風的速度和總量較多，前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風巷側結束。和總配風量為1350m³/min時相比，采空區(qū)風流運動方向和規(guī)律比較相似，在采空區(qū)中也有3個主要風流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風巷側結束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，和留巷段中的主風流一并流出。

圖3為總配風量為2700m³/min時工作面的三維速度渲染圖和流線圖。在速度渲染圖3（a）中，可以看出在總配風量為2700m³/min時，采空區(qū)前端漏風速度約為0.01m/s，后端漏風速度小于0.001m/s。與前兩種總進風量情況相比，總配風量為2700m³/min時采空區(qū)前端漏風速度大大增加，但在采空區(qū)深部，漏風速度區(qū)別不大。在巷道部分風流速度超過0.01m/s，顯示為紅色;采空區(qū)前端有大量的漏風速度較大的紅色區(qū)域，采空區(qū)風流主要從此區(qū)域通過。隨著向采空區(qū)深部方向，逐漸變?yōu)榫G色區(qū)域，表示風速在0.005m/s左右，風流通過此區(qū)域時風速逐漸由0.01m/s減小到0.003m/s。且在此時，留巷側和回風側的風速有較強的不對稱性，在采空區(qū)前中部的綠色區(qū)域，留巷側的風速要大于回風側。

在速度流線圖3（b）中，在采空區(qū)前段漏風速度高且流線密集，說明漏風的速度和總量較多，前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風巷側結束。與總配風量為1350m³/min和1800m³/min時相比，采空區(qū)風流運動方向和規(guī)律比較相似，在采空區(qū)中也有3個主要風流方向：前端的流線從留巷段出發(fā)，在工作面和回風巷側結束，在留巷段前中部出發(fā)的流線有一部分進入采空區(qū)深部后從留巷段尾部流出，還有一部分馬上返回了留巷段，和留巷段中的主風流一并流出。

4 結語

應用Ansys Fluent軟件對張集煤礦工作面在不同配風量下的風流場特征進行數(shù)值模擬，對工作面進行Y型通風且總配風量分別為1350m³/min、1800m³/min、2700m³/min時采空區(qū)漏風規(guī)律進行研究，得到了采空區(qū)的風流特征。隨著總配風量的增大，采空區(qū)整體的漏風速度增加，且采空區(qū)前部漏風速度比尾部漏風速度增長快，留巷側采空區(qū)漏風速度比回風側采空區(qū)漏風速度增長快。

參考文獻