采煤工作面围岩散热及风温预测数值模拟研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wwwlucky2
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随着国民经济的不断发展,人类对煤炭资源的开采强度不断提升,矿井开采深度不断加深,高采深矿井作业场所的环境温度较高,同时受热害影响的矿井数量也在不断增加,高温环境下不仅会危害作业人员生理健康,同时还会降低工作效率进而导致工伤事故频发,对矿井安全生产工作造成不利的影响,因此研究矿井热害对煤炭资源安全高效开采具有重要意义。采煤工作面在采煤过程中存在多种热源,可分为绝对热源、相对热源和采空区漏出的热风,其中相对热源和采空区漏出的热风对采面工作面的温度影响过程是复杂的。采煤工作面不断向前推进,工作面后方采空区不断增长,相应地采煤工作面围岩边界和采空区边界在不断变化。采煤工作面的围岩散热取决于围岩表面温度与风流温度,属于相对热源。采煤工作面风温预测的前提是开展采煤工作面围岩散热与采空区漏风涌出规律的研究。首先对采煤机割煤时采煤工作面围岩散热进行了数值模拟研究,并通过采煤工作面进风巷围岩温度场相似模拟实验为完善采煤工作面围岩散热程序解算结果提供数据支持。其次对不同通风方式下采空区漏风涌出规律进行了数值模拟研究。最后在此基础上建立了采煤工作面围岩散热、落煤散热、采空区热风、其他热源散热与工作面风流多因素耦合作用下采煤工作面风流温度的预测模型。本文采用理论分析、数值模拟及相似模拟实验相结合的研究方法。对采煤工作面内围岩散热进行了数值模拟分析。采煤工作面进风巷风温变化以及进风巷围岩温度场变化对采煤工作面围岩散热有着重要影响。采用相似模拟实验,分析周期性变温风流影响下采煤工作面进风巷道围岩介质热惰性指标与温度波振幅衰减的规律,分析了进风巷道围岩内不同方向上温度场分布的差异,为补充、完善采煤工作面围岩温度场解算结果供数据支撑。之后对另一主要热源采空区漏出的热风进行数值模拟研究。在此基础上建立了围岩散热、落煤散热、采空区热风与工作面风流多因素耦合作用下采煤工作面风流温度的预测模型。围岩散热是采煤工作面的主要热源之一。为研究采煤工作面围岩散热规律,本文依据物质导热微分方程,推导采煤工作面推进条件下非稳态无因次热平衡方程。引入傅里叶数、毕渥数、无因次温度等无因次准数,对采煤工作面推进条件下非稳态温度场方程进行无因次化,计算过余温度进而确定采煤工作面围岩壁面不稳定换热准数。利用有限体积法对采煤工作面推进条件下非稳态温度场无因次热平衡方程进行离散化,利用VB语言编制工作面围岩温度场数值模拟程序,模拟得到推进状态下采煤工作面围岩温度场分布云图。通过改变推进条件下采煤工作面温度场关键控制参数,即通过调整进刀傅里叶数、采煤机切割煤壁次数、采煤机单次割煤的截深等参数,分析不同关键参数下的采煤工作面推进状态下非稳态围岩温度场分布规律及壁面不稳定换热准数周期性变化规律,并数值模拟计算了落煤平均温度,为采煤工作面围岩散热预测提供理论支撑。在采煤工作面围岩散热数值模拟中,研究了恒温通风时围岩温度场变化规律。而在实际中由于地表的空气受季节性影响,进入矿井的空气的温度应呈现周期性变化,相应的采煤工作面进风巷道内风流温度受地表空气的影响也呈现周期性变化,进风巷道内风流温度的周期性变化会导致巷道围岩内部形成一个周期性变化的温度场。进风巷风流温度周期性变化与巷道围岩温度场周期变化对采煤工作面围岩散热有着重要影响。通过非均质围岩温度场相似模拟实验研究,分析采煤工作面进风巷道各向异性围岩内温度场变化规律,并探讨了因介质热惰性指标不同而造成的巷道围岩不同方向上温度波动特征的差异性现象,为优化、完善采煤工作面围岩温度场程序解算结果提供数据支持。采空区位于采煤工作面后方,采空区的热风涌出是采面工作面内另一热源,由于工作面通风压差的存在,造成了采空区漏风现象。工作面的风流温度直接影响着漏入采空区的风流温度,漏入采空区的风流与漏出采空区的风流有关,漏出采空区的风流又反过来直接影响着工作面回风段内风流温度,因此采空区漏风对采煤工作面风温预测有着重要影响。工作面通风方式的不同,对于采空区流场有着重要影响。本文以U型通风下采空区流场数值模拟程序为基础,分析比较U型和Z型通风下采空区边界条件,根据达西定律与质量守恒定律,确立了采空区流场方程;根据传热学相关理论与热力学第一定律,确定了采空区气体、固体温度场方程;根据菲克定律与质量守恒,建立了采空区氧浓度场方程。在上述各场的耦合作用下,建立了U型和Z型通风下采空区漏风运移模型。并在原U型通风程序对应位置进行改进,编制出Z型通风下采空区漏风数值模拟程序。对U型和Z型通风方式下采空区压力场、速度、温度场分布特点进行了分析,重点对工作面内与沿空留巷内采空区漏风速度、漏风温度进行了研究,为采煤工作面风温预测提供理论支撑。采煤机在采煤工作面内往返割煤,采出的落煤通过刮板运输机运出采煤工作面,运输过程中落煤的散热可看成采煤工作面围岩散热的延续,落煤的运输距离随采煤机割煤的位置的改变而变化,相应运输过程中落煤的散热量也随之发生变化。在先前围岩散热模型与采空区漏风模型的基础上,建立了综合考虑围岩散热、刮板输送机上落煤的散热、采空区热风与工作面风流等耦合作用下的风温预测微分方程,使用有限差分法对方程进行离散,编制相应解算程序,数值模拟分析了多场耦合下落煤运输距离因素对采煤工作面风流温度与煤流温度的影响。本文创新点主要有以下三个方面:(1)设计了基于三角形面积法的搜索移动节点位置的算法,实现了在固定坐标系中模拟采煤工作面推进过程中围岩非稳态温度场变化基于三角形面积法可判断随采煤工作面推进节点移动后所在三角形单元位置,根据插值函数原理,移动后节点温度可用所在三角形单元顶点温度表示。每次程序解算循环开始前都将移动后节点温度赋值给移动前的节点,在固定坐标系中模拟了采煤工作面推进过程中围岩非稳态散热问题。(2)通过采煤工作面围岩散热数值模拟,揭示采煤工作面推进条件下围岩温度场分布规律、壁面不稳定换热准数周期性变化规律以及落煤平均温度变化规律采用有限体积法对采煤工作面非稳态无因次化热平衡方程进行离散,并编制出数值模拟解算程序。筛选采煤工作面推进条件关键控制参数,如采煤时间、采煤机切割煤壁次数、采煤机割煤截深等,研究采煤工作面推进状态下围岩非稳态温度场分布规律、壁面不稳定换热准数周期性变化规律,并进一步计算得到落煤平均温度变化规律。(3)建立了落煤运输距离影响下的多场耦合采煤工作面风温预测数学模型,并编制有相应解算程序,研究不同落煤运输距离对采煤工作面内风流与煤流温度的影响落煤在运输过程中的散热可看成采煤工作面围岩散热的延续,建立了围岩散热、刮板输送机上落煤的散热、采空区热风与工作面风流等耦合作用下的风温预测微分方程,数值模拟分析了采煤机割煤位置影响下,落煤运输距离因素对采煤工作面风流温度与煤流温度的影响。
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