吕邦国

2 几何模型与边界条件

模型长度600m，宽度200m，高度30 m。模型巷道高4m，宽5m。模型共分为5部分：实体煤，煤层老顶，采空区遗煤，采空区垮落岩石，巷道。工作面左侧为6m厚的未开采实体煤，工作面顶板及其左侧为24m厚的完整煤层老顶。右侧为采空区，在采空区内模型分为两部分，底部为2m厚的遗煤，上部为28m后的垮落岩石。

在Fluent软件中利用UDF将采空区渗透率纳入CFD模型。通过改变网格方案和网格单元尺寸，对模型进行多次运行，以检验结果的网格独立性并平衡运行时间。结果表明，在现有网格方案和单元数约300万的情况下，求解是网格无关的，耗时也可以接受。

进风口为速度入口，风量为1800m³/min，风速为2m/s。留巷和回风巷均为压力出口，5个底抽孔均设为恒压-10kPa的排气扇出口。其他区域均设为壁面边界。纯净的空气从进风巷进入，从回风巷和瓦斯抽采孔离开。

3 采空区风流场漏风规律

为了研究不同配风量对Y型通风采空区风流场规律的影响，在保持其他条件不变下，通过改变进风巷道的总进风量进行相应的数值模拟研究，有设计以下3种方案：第一种方案的总配风量为1350m³/min，风流全通过进风巷进入，由沿空留巷，和轨顺回风巷流出;第二种情况下总配风量为1800m³/min;第三种情况下总配风量为2700m³/min。对照这3种情况进行以下模拟。

图1为总配风量为1350m³/min时工作面的三维速度渲染图和流线图。在速度渲染图1（a）中，可以看出在总配风量为1350m³/min时，采空区前端漏风速度约为0.005m/s，后端漏风速度小于0.001m/s。在巷道部分风流速度超过0.01m/s，显示为红色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回风巷的位置也有很少的漏风速度较大的红色区域;采空区前端大部分区域为风速为0.005m/s绿色部分，采空区风流主要从此区域通过。随着向采空区深部方向，逐渐变为浅蓝色区域表示风速在0.002m/s左右，风流通过此区域时风速逐渐由0.005m/s减小到0.001m/s。左侧的实体煤处为蓝色，说明实体煤内流速很小。

在速度流线图1（b）中，在采空区前段漏风速度高且流线密集，说明漏风的速度和总量较多。在采空区中主要有3个风流方向：前端的流线从留巷段出发，在工作面和回风巷侧结束，在留巷段前中部出发的流线有一部分进入采空区深部后从留巷段尾部流出，还有一部分马上返回了留巷段，并与留巷段中的主风流一并流出。

图2为总配风量为1800m³/min时工作面的三维速度渲染图和流线图。在速度渲染图2（a）中，可以看出在总配风量为1800m³/min时，采空区前端漏风速度约为0.007m/s，后端漏风速度小于0.001m/s。在巷道部分风流速度超过0.01m/s，显示为红色;在采煤工作面最前端靠近留巷和回风巷的位置有一定量的的漏风速度较大的红色区域;采空区前端大部分区域为风速为0.007m/s黄绿色部分，采空区风流主要从此区域通过。随着向采空区深部方向，逐渐变为青区域，表示风速在0.003m/s左右，风流通过此区域时风速逐渐由0.007m/s减小到0.002m/s。

在速度流线图2（b）中，在采空区前段漏风速度高且流线密集，说明漏风的速度和总量较多，前端的流线从留巷段出发，在工作面和回风巷侧结束。和总配风量为1350m³/min时相比，采空区风流运动方向和规律比较相似，在采空区中也有3个主要风流方向：前端的流线从留巷段出发，在工作面和回风巷侧结束，在留巷段前中部出发的流线有一部分进入采空区深部后从留巷段尾部流出，还有一部分马上返回了留巷段，和留巷段中的主风流一并流出。

图3为总配风量为2700m³/min时工作面的三维速度渲染图和流线图。在速度渲染图3（a）中，可以看出在总配风量为2700m³/min时，采空区前端漏风速度约为0.01m/s，后端漏风速度小于0.001m/s。与前两种总进风量情况相比，总配风量为2700m³/min时采空区前端漏风速度大大增加，但在采空区深部，漏风速度区别不大。在巷道部分风流速度超过0.01m/s，显示为红色;采空区前端有大量的漏风速度较大的红色区域，采空区风流主要从此区域通过。随着向采空区深部方向，逐渐变为绿色区域，表示风速在0.005m/s左右，风流通过此区域时风速逐渐由0.01m/s减小到0.003m/s。且在此时，留巷侧和回风侧的风速有较强的不对称性，在采空区前中部的绿色区域，留巷侧的风速要大于回风侧。

在速度流线图3（b）中，在采空区前段漏风速度高且流线密集，说明漏风的速度和总量较多，前端的流线从留巷段出发，在工作面和回风巷侧结束。与总配风量为1350m³/min和1800m³/min时相比，采空区风流运动方向和规律比较相似，在采空区中也有3个主要风流方向：前端的流线从留巷段出发，在工作面和回风巷侧结束，在留巷段前中部出发的流线有一部分进入采空区深部后从留巷段尾部流出，还有一部分马上返回了留巷段，和留巷段中的主风流一并流出。

4 结语

应用Ansys Fluent软件对张集煤矿工作面在不同配风量下的风流场特征进行数值模拟，对工作面进行Y型通风且总配风量分别为1350m³/min、1800m³/min、2700m³/min时采空区漏风规律进行研究，得到了采空区的风流特征。随着总配风量的增大，采空区整体的漏风速度增加，且采空区前部漏風速度比尾部漏风速度增长快，留巷侧采空区漏风速度比回风侧采空区漏风速度增长快。

参考文献