基于cfd的采煤工作面通风降温的力学分析

《基于cfd的采煤工作面通风降温的力学分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn基于CFD的采煤工作面通风降温的力学分析李涛，高峰，杨玉贵，刘冠男（中国矿业大学理学院力学与工程科学系,徐州，221008）Email:lit108@163.com摘要：为了深入了解高温矿井热害内在机理、局部气流与热量传递过程，设计合理的通风降温措施，本文通过对综采面进行理论分析，建立力学模型，并使用CFD计算流体动力学软件进行了数值模拟计算，较准确的预测了井巷温度变化规律，对实际工程实践设计与改进提供了依据。关键词：高温矿井，CFD，数值模拟1引言随着开采深度的不断增大，高温热害已成为影响煤炭安全、高效生产的急待解决的又一[1]突出问

2、题。据初步统计，目前国内受高温热害影响的煤矿有130多个，而且这个数字随着采深的增加在迅速扩大，所以热害处理已成为一个不可回避的重要课题。然而资料显示，有相当数量的煤矿非制冷降温措施不明显，其主要原因是通风系统设计不尽合理、通风断面小、通风设施效率低下、通风压力偏大或通风困难；对于制冷降温措施则出现设备利用率低，整体降温不明显、局部温差过大等问题。所以，如何进行合理的采场和巷道布置、如何进行最优化的断面设计、如何评估通风效率及经济性的同时，保证降温的最大化、如何进行制冷降温的布局，从而提高设备的利用率，这都需要从理论和技术上进行分析，提出可靠的解决方案。[2]目前流体动力学理论和计

3、算科学相结合，开拓了多物理场耦合分析技术新领域（Multiphysics），使得我们可以将通风（空气动力学分析）、温度分布与局部降温（热分析）和巷道结构（结构分析）纳入一个系统进行科学分析，揭示高温采区工作面（济宁2号矿井）设备、岩层、煤层、水、采空区以及空气之间的热耗散温度场和速度场分布机理，开发高温矿井工作面局部环境控制的综合治理技术，这对设计、分析与评价与深部开采相适应的矿井通风及降温技术方案、工程措施以及实施效果具有极为重要的意义，是未来深部资[3]源开采技术的一个重要的组成部分和发展方向，具有重要的科学意义和社会价值。2.工程背景兖矿集团济宁二号煤矿南翼第二水平布置的九采

4、、十一采两个采区，其深度为-740m，水平大巷距风井口3500m，矿井最大通风流程达12000m，目前采掘深度已到-820m。据采掘过程的数据统计显示：冬季，在-740m水平的采煤工作面回风流温度为29℃；夏季，采掘面（如：十一采边界巷掘进工作面）风流温度达32℃，回风流温度超过34℃。一般情况下，在夏季，采煤工作面：入风口温度26℃，工作面温度达到28～30℃，回风巷道为30℃～31℃；掘进工作面：局扇吸风口温度26℃，迎头温度27.5℃，巷道回风温度29～32℃。南翼二水平布置2个采煤工作面，其中1个综采放顶煤工作面，1个综采面，另外有6个掘进工作面（4个综掘，2个普掘）。综采

5、放顶煤回采工作面采用滚筒采煤机落煤，布1http://www.paper.edu.cn置设有前部和后部运输机，采煤高度2.8m，放煤高度1.75m，采放比为1：0.63。两顺槽巷道管4m，高3m，净断面积为12m2，皮带运输机顺槽作为回风巷道，工作面电站布置在进风轨道顺槽内，随工作面推向外整体挪移。综采放顶煤工作面产煤量大，放热量多，装机总容量大，工作面的温度高达30℃以上。工作面高温的形成是由于采煤机械设备、围岩壁、煤层、地下水、采空区等热耗散的综合作用结果。通过对煤壁温度变化趋势分布、工作面温度场分布进行数值模拟和试验研究，通过对各种散热体的影响因素分析以及温度场分布规律的研究

6、，能够发现热耗散因素的综合作用特性，根据温度场分布规律，可对工作面采取更加有效的降温措施。3控制方程巷道内空气属多组分气体构成的粘性混合流体，在不同的情况下可处于静止、层流和紊流运动状态，而且在围岩与风流之间进行着对流换热，所以我们假定巷道风流满足k−ε湍流[4]模型，并在近壁采用壁面函数法。在此假设的基础上，在流动与传热问题求解中所需求解主要变量的控制方程都可以表示成以下通用形式：∂()ρφ+=div()(ρφUdivΓgradφ)+Sφφ∂t式中φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为φφ广义源项。[5]上述微分方程具有很强的非线性特征，一般只能采

7、用数值方法求解。在求解区域生成网格后，利用有限体积法可将方程离散为下列形式：aaaaaappφ=++++EEφφφφWWNNSSTTφ+abBBφ+式中，a为离散方程的系数，φ为各网格节点的变量值，b为离散方程的源项下标P、E、W、N、S、T和B他别为各网格处的值，所有的动量方程、能量方程均可离散成上述形式。根据质量守恒方程，离散后得到下列形式的压力修正方程∗∗∗∗∗∗∗aP=aPaPaPaPaPaPb++++++pEpWEWNSTNSTBB∗式中，为压力修正方程的系