矿井风网与采空区流场边界耦合模型与求解技术

为揭示煤矿巷道和采空区中整体风流的流动机理,通过将采空区漏风边界的流量添加到矿井通风网络,建立矿井风网与采空区流场的边界耦合模型。基于矿井通风网络的节点压力解算法与采空区渗流场的有限元求解法,研究矿井风网与采空区流场边界耦合模型的迭代求解流程。分析基于线性渗流模型求解采空区非线性渗流模型的方法及控制方程组,用PARDISO作为耦合模型中大型稀疏线性方程组的求解器的软件开发接口。采用VC++与ObjectARX编写相应的模拟软件(简称i-MVS)模拟2个算例,验证模型的有效性与性能。研究结果表明:采空区流场的模拟需要矿井通风网络的解算结果为其提供压力边界条件,对新的矿井通风网络的解算又需要采空区流场的模拟结果来提供漏风边界上的流量,两者之间形成了相互依赖的耦合关系;耦合模型中的新风网是一个含有边界流量的不闭合网络,必须采用矿井通风网络的结点压力法进行解算;耦合模型实现了矿井通风网络与多个采空区流场的集成求解,其计算量是常规采空区流场模拟的若干倍,采用PARDISO求解器实现了对耦合模型的高效求解;相比于常用的模拟煤矿采空区流场的方法,耦合模型的准确度提高了12%。     

采煤机对回采工作面风流温度场影响

从质量和能量守恒定律出发，研究矿内风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理，导出了矿井风流紊流流动和温度分布的微分方程。采用紊流模型的K-ε方程封闭方程组，采用SIMPLE方法，利用PHOENICS程序进行数值求解。通过数值模拟，初步得出了矿井回采工作面风流流场、温度场与采煤机在工作面的位置和采煤机割煤方向的变化规律，采煤机是回采工作面的主要高温热源之一。     

参数多项式法在矿井主扇扩散器通风流场中的应用

矿井主扇扩散器的作用是将扇风机出口的速压大部分转变为静压,以减少扇风机出口的速压损失,提高扇风机的静压.研究扩散器的流场,对扩散器设计参数及通风节能有较大的指导作用.作者利用流体动力学理论,就扩散器流场问题,建立了风流流动的数学模型,给出了计算所需的边界条件,并应用参数多项式方法模拟出了扩散器的风流流场.     

掘进巷道风流温度场分布规律的研究

从质量，能量和动量守恒原理出发，导出了描述掘进巷道风流紊流流动和温度分布的微分方程，通过理论分析和现场实测，系统地开展矿内掘进巷道风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析研究，并采用SIMPLE算法，利用PHOEENICS程序进行数值模拟，初步得步了掘进巷道风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低，随入风流温度升高而线性升高的变化规律，对矿井掘进工作面高温治理具有一定的指导意义和使用价值。     

采空区瓦斯浓度分布及运移规律研究

针对采空区瓦斯运移包括渗流和非均质气体的扩散两个方面的问题,利用渗流理论、气体扩散理论为基础建立起采空区风流流动数学模型,以及采空区瓦斯运移的数学模型,并采用计算机数值求解,将数值模拟结果与现场实测数据结果进行对比分析,提出了采空区瓦斯浓度分布特征及瓦斯运移规律。     

倾斜高瓦斯煤层抽采条件下采空区漏风规律数值模拟

为研究高瓦斯易自燃煤层采空区漏风规律,运用理论分析及数值模拟相结合的方法,开展不同伪斜长度、有无高位钻孔布置以及不同抽采负压条件下采空区氧浓度分布及漏风速率研究。结果表明:无伪斜工作面的氧浓度减小速率大于有伪斜工作面,有伪斜工作面进风侧漏风速率明显大于回风侧,但中部漏风速率均大于工作面两侧;采空区布置高位钻孔抽采瓦斯时,其回风侧漏风程度明显增大,同时增加了8%～18%氧浓度的分布范围,但对进风巷道内氧浓度的变化规律几乎无影响。增大抽采负压时,采空区漏风流场整体向回风侧加大,采空区漏风流场与抽采负压变化成正比,但整体漏风流场宽度基本保持一致。同时,增大抽采负压对回风侧氧浓度分布范围起到极大的促进作用,其氧化升温带增大12～28 m。研究结果为掌握实际矿井中有无伪斜、不同钻场瓦斯抽采及其不同抽放负压情况下的采空区漏风流场变化规律,及判定自燃危险区域提供了一定的理论依据。     

采空区自然发火位置相似模拟模型

为了研究不同类型的采空区漏风对采空区自然发火的影响,依据采空区的漏风状态不同,把采空区划分成不同的火灾危险区域,以此判断采空区发火位置。研制了相似模拟模型,针对采空区自然发火问题进行了多项模拟实验,观测并绘制了不同风量下采空区风压等值线及风流分布图;绘制了采空区不同位置漏风情况下风压等值线及风流分布图;绘制了上隅角设置瓦斯排放风筒后采空区风压等值线及风流分布图;设计了采空区充填带,并获得了采空区风压等值线及风流分布图。     

矿井主扇扩散器通风流场数值模拟研究及其应用

矿井主扇扩散器是用来降低出口速压以提高风机静压而回收风机出口动能的装置.根据流体动力学理论,就60°倾斜扩散器和流线型扩散器流场问题,建立了扩散器内风流流动的紊流k ε数学模型,分析了计算边界条件,并应用计算流体动力学(CFD)的方法模拟了60°倾斜扩散器和流线型扩散器的风流流场,其模拟结果得到了实际验证,流线型扩散器比60°倾斜扩散器节能,对研究扩散器的最优设计参数及通风节能有较大的指导作用.图5,参5.     

采空区防火注氮过程的数值模拟与参数确定

为解决采空区防火问题，提出从采空区漏入风一侧顺流注氮，充分利用采空区漏风流向控制氮气的流向并控制漏风量的注氮思路。利用迎风有限元方法求解注氮时采空区风流移动渗流方程和氧气浓度变化过程的渗流-耗散-扩散方程。根据注氮与采空区流场流态及氧浓度分布规律，分析了注氮流量、注氮位置和时间的确定方法。     

基于模糊渗流理论的采场自然发火

针对煤矿井下采空区岩石冒落形成的多孔隙介质空间的极度不规则性,提出了模糊渗透系数的概念,建立了一种以模糊分析和模糊微分方程为基础的及各种边值为条件的计算采场气体模糊渗流问题的数学模型.该项理论研究成果为预防采空区自然发火提供了有效的途径,对采场内自然发火位置的预测及发火位置控制有较好的理论价值和指导意义.研制了相似模拟模型,针对采空区自然发火问题进行了多项模拟实验,观测并绘制了不同风量下采空区风压等值线及风流分布图;绘制了采空区不同位置漏风情况下风压等值线及风流分布图;绘制了上隅角设置瓦斯排放风筒后采空区风压等值线及风流分布图.     

采空区自然发火位置相似模拟模型

为了研究不同类型的采空区漏风对采空区自然发火的影响,依据采空区的漏风状态不同,把采空区划分成不同的火灾危险区域,以此判断采空区发火位置.研制了相似模拟模型,针对采空区自然发火问题进行了多项模拟实验,观测并绘制了不同风量下采空区风压等值线及风流分布图;绘制了采空区不同位置漏风情况下风压等值线及风流分布图;绘制了上隅角设置瓦斯排放风筒后采空区风压等值线及风流分布图;设计了采空区充填带,并获得了采空区风压等值线及风流分布图.     

掘进工作面风流流场和瓦斯分布数值模拟分析

为了准确掌握掘进工作面涌出瓦斯的分布状况和瓦斯积聚的规律,利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对局部通风掘进工作面的风流流场进行了数值模拟,建立了用于工作面流场模拟的几何模型,确定了通风流场的数学模型,并与试验结果相对比验证了模拟结果的准确性。研究表明:使用RNG k-ε双方程湍流模型对工作面的流场进行模拟,能够得到比较可靠的流场,在此基础上采用瓦斯源对局部通风掘进工作面的瓦斯分布进行了数值模拟,风筒布置于巷道顶部时瓦斯主要积聚于巷道两帮下部,回风瓦斯浓度模拟结果与理论计算值一致。     

U型工作面采空区漏风对自然发火的影响

为了进一步掌握U型通风方式下采空区漏风流场分布规律,为采空区火灾预防和控制提供理论依据,采用物理相似模拟实验方法,通过搭建采空区气体渗流物理相似模拟实验平台,实现了开采煤层自然垮落,并采用采空区立体监测的手段,对U型通风方式下采空区漏风流场的分布规律进行了研究。结果表明:采空区内漏风存在3个特征区域,即"上隅角漏风影响区","架后重点漏风区"和"下隅角煤柱边缘漏风带",通过分析其各个特征区域的自燃危险性,得出"上隅角漏风影响区"的自燃危险性最大,"架后重点漏风区"的自燃危险性最小。同时,在采空区垂直方向上的漏风强度随着高度的增加而减小,最大影响高度可达到60 m左右。研究指出了U型通风工作面火灾防治的重点区域,为采空区在漏风影响条件下的防灭火工作提供了一定的理论参考。     

巷道调节风窗流场PIV测试

为解决井下调节风窗流场测不准的问题,采用粒子图像测速仪(PIV)测速的方法,对巷道调节风窗流场进行实验测试研究.研究结果表明:瞬态流场有复杂的漩涡结构,且速度随时间不断发生变化,但基于统计平均的时均流场呈现出较规则的分布结果,调节风窗前巷道风流速度呈平滑直线分布,调节风窗后隅角存在一个规则而完整的贴近壁面的回流区.传统的接触式定点流速测量技术因自身精度限制导致不能真实反映井下瞬态流场分布特征,而PIV测速技术能够实现非接触全流场瞬态速度测量,可作为研究矿井通风调节风窗及其它较为复杂风流流场的实验测试手段.     

三维物理模型在长臂采煤工作面采空区通风研究中的应用（英文）

煤矿长臂工作面采空区中的风流分布对危险区域识别起到重要作用,并且受到上覆岩层垮落效果和井下通风方式影响巨大。为了探究U型通风工作面采空区中风流分布,在相似比为1∶300的物理模型中开展了实验研究。该物理模型主要由4部分组成:开采系统、由相似模拟材料堆砌的上覆岩层、通风系统和数据采集系统。随着模型开采和上覆岩层垮落,在采空区形成后引入示踪气体。通过预埋的监测管路测试模型中示踪气体在各点的浓度,从而得到示踪气体浓度分布图。该实验平台和研究方法通过相似材料和模拟开采系统可以获取较为合理的物理上覆岩层和长臂采空区模型。通过示踪气体手段可以得到可视化的采空区风流分布。通过改变通风方式,该系统可应用于针对其他不同通风条件下采空区风流状况研究。     

采煤工作面通风降温效果的数值模拟研究

为了深入研究矿井降温过程中工作面的流场情况及降温效果,运用CFD软件Fluent对U型通风方式下,工作面采掘空间的温度场分布和降温效果进行了模拟研究。结果表明:沿风流进风巷、工作面至回风巷的过程中,矿井风温逐步升高,采用进风巷送冷风距工作面较近降温效果较好;长距离工作面尾部降温效果不明显,在工作面中布置小型空冷器会产生较好的降温效果。     

矿井立井提升设备活塞作用理论分析

传统的通风理论认为矿井通风系统是一不可压缩的定常流,由于存在外界扰动因素的影响,实际风流的流动是动态变化的.以机械通风条件下的单提升设备为对象,研究了矿井立井提升设备运行所产生的活塞风流与诱导风流对矿井通风系统的影响,进一步拓宽和完善了矿井通风理论,得出了计算活塞风流的数学模型,为消除影响通风系统的不稳定因素提供了技术支持.     

引水隧洞施工通风Euler-Lagrange两相流大涡模拟

目前,地下通风两相流研究主要集中在矿井巷道通风且研究多采用雷诺时均法,无法准确获取湍流瞬态信息以及尘粒在湍流脉动影响下的瞬时运移规律.本文基于分子动理学理论,建立考虑热交换的三维非稳态EulerLagrange两相流颗粒轨道大涡模型,实现了对引水隧洞施工通风两相流的大涡数值模拟,揭示了引水隧洞风流场瞬态发展机制及颗粒在大涡结构影响下的运移规律,并验证了模型的准确性.运用该模型模拟某水电站引水隧洞施工通风排尘过程,结果表明:大涡模拟能捕捉到湍流脉动细节,结果较雷诺时均法更接近实际;通风可有效降低工作面附近温度;颗粒分布由初始的颗粒簇逐渐弥散,最终对隧洞全断面造成污染;通风3,700,s后,绝大多数颗粒从隧洞出口排出.     

厚煤层无煤柱开采采空区风流状况的考察与分析

考察和分析采空区风流状况,对了解采空区瓦斯涌出规律,防治煤炭自燃发火都有重要作用。分析采空区风流状况的重点是建立风流模型用示踪气体考察采空区漏风,可以了解局部地带的风流状况,而建立风流模型则可以分析整个采空区的风流流动规律。前者是后者的基础,后者是前者的综合。     

综采工作面回采封闭期间防自燃通风措施探讨

本文阐述了矿井煤层自然发火机理,包括煤炭自燃必要条件和充分条件、煤炭自燃阶段划分及其热化学表征,以此为理论基础同时结合综采工作面设备、工艺、风流的具体特征对综采工作面采空区自然发火的原因进行了理论分析,总结了防采空区自然发火通风措施的作用机理,进而提出了综采工作面回收期间的通风防火措施,并在四台矿14#81402工作面搬家封闭期间进行了实际应用,且取得了比较满意的效果。