考虑大气压影响的矿井采空区温度场仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿自燃火灾防治技术领域，具体涉及一种考虑大气压变化影响的矿 井采空区温度场的仿真方法。
【背景技术】
[0002] 煤自然发火是煤矿自燃火灾的主要原因，我国煤矿自燃发火形势十分严峻，全国 约有56%的煤矿存在自燃发火问题。如何判断煤自然发火危险区域是煤炭安全生产的重要 研宄课题，煤自然发火预测预报作为其中的第一道防线，其重要性不言而喻。煤自然发火主 要发生在采空区，因此采空区内煤自然发火是煤矿自燃火灾防治的重点，如何准确判定自 燃危险区域是采空区自然发火预测预报的主要内容，而确定采空区自燃高温区域范围是煤 矿自燃火灾防治措施制定的重要依据。
[0003] 采空区自燃危险区域判定可分为直接测温法、气体分析法及计算机模拟法。直接 测温法是在地面或井下向采空区可能发生自燃的地方打钻，在钻孔中埋设温度元件，根据 测温结果来判定自燃危险区域，这种方法可靠性较好，但成本高、效率低；气体分析法具有 工作量小、测定时间短、投资少等优点，但其探测误差较大；计算机模拟法是根据流体力学、 热力学、传热学及多孔介质理论建立的采空区流-固耦合模型，结合相应的初始条件和边 界条件，对采空区内流场、温度场及标志气体浓度场分布规律进行数值模拟，从而实现采空 区自燃危险区域划分。计算机模拟法在理论上兼备了直接法及间接法的优点，受到学术界 广泛重视。
[0004] 目前，针对采空区温度场的数值模拟研宄普遍只考虑了漏风量、环境温度、氧气浓 度等因素，并未考虑采空区瓦斯抽放负压、大气压对计算结果的影响。而实际大气压的变化 可达10kPa，瓦斯抽放负压变化也达几百帕，这使得数值模拟结果可靠性下降，对煤矿现场 防灭火工作的指导力度减小
[0005] 针对以上不足，需要提供一种考虑大气压变化影响的矿井采空区温度场的仿真方 法。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于根据实际气流流动及温度变化情况，进行采空区温度场的仿真， 解决现有技术中的采空区温度场模型未考虑大气压的边界条件，使仿真结果不准确，从而 影响采空区自燃危险区域判定的可靠性问题。
[0007] 为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是提供了一种考虑大气压 影响的矿井采空区温度场仿真方法，包括如下步骤：步骤①确定采空区边界，包括第一边 界、第二边界和第三边界构成的矩形目标采空区，确定矩形目标采空区长度L值和宽度W 值，确定坐标轴x、y，确定矩形目标采空区网格单元值，量取进风巷道口入风口宽度a值，测 取气体的密度0 8值，确定采空区孔隙率e值，确定采空区物体动力粘度y值，确定采空 区的渗透系数k值，确定气体扩散系数Dp确定气体的比热C pg值，确定煤的密度P。和比热 cp。值，确定气体导热系数X g，确定煤的导热系数X。，确定采空区遗煤氧化反应产生的热量 Q，确定采空区遗煤氧化速率r，确定工作面温度I；值，确定工作面的热流密度q ^值，确定采 空区边界温度^^^值，确定采空区边界的对流换热系数h ^^、匕值，测取x，y方向的气 体流速u，v值，特点在于：步骤②建立以下方程获取考虑大气压影响的矿井采空区温度场 仿真使用的进风巷道口处的全压值P in，回风巷道口处的全压值Pm:
[0008] Pin= S nl * Pnl + Sml * pml
[0009] Pout= S "2 ? p^+s.,2 ? pm2
[0010] 首先分时段实测多组进风巷道口处的绝对静压值pnl，回风巷道口处的绝对静压值 Pn2，进风巷道口处机械通风压力值pml，回风巷道口处机械通风压力值pm2后，采用最小二乘 法对上述两式中的\ 1、~、\2、&大气压影响因子进行参数辨识，得到大气压影响因子8111、 S ml、Sn2、sm2值后，在测取当地大气压下同时，测取一组进风巷道口处的绝对静压值p nl，回风 巷道口处的绝对静压值pn2，进风巷道口处机械通风压力值pml，回风巷道口处机械通风压力 值p m2后，代入上述两式中计算出考虑大气压影响的矿井采空区温度场仿真使用的进风巷 道口处的全压值pin，回风巷道口处的全压值 P()ut。
[0011] 其中：步骤③
[0012] 建立平面温度场模型方程：
[0013] 连续性方程为：
[0015] 式中，u, v分别为X，y方向的气体流速，m/s，
[0016] 运动方程为：
_9] 式中，P 8为气体的密度，kg/m3, e为采空区孔隙率，无量纲，p为气体静压，kPa， t时间，s，y为采空区气体动力粘度，N ? s/m2, k为采空区的渗透系数，无量纲，
[0020] 组分方程为：
[0022] 式中，Di是气体扩散系数，m2/s，Yi为气体成分浓度，mol/m3, Si为耗氧速率，mol/ m3 ? s，以温度T为变量的能量为：
[0024] 式中，Cpg为气体的比热，X/(kg?°C)，P。，(；。分别为煤的密度和比热，kg/m3,J/ (kg?°C)，入eff为有效导热系数，W/m? °C，Q为采空区遗煤氧化反应产生的热量，kj/kg，r 为采空区遗煤氧化速率，kg/s,Arff的计算公式为：
[0025] 入eff= e 入 g+(l- e )入。
[0026] 式中，Ag为气体导热系数，W/m ? °C，A c为煤的导热系数，W/m ? °C，
[0027] 设定初始条件：
[0029] 式中，pQ为采空区初始气压，kPa，T。为初始温度，°C，u，v分别为坐标系中X，y方 向的气体流速，m/s，L为采空区长度，m，W为采空区宽度，m，t为时间，s，
[0030] 平面温度场模型风压边界条件方程：
[0031] 工作面：p|x = 〇，〇s；yS；a= P in，p|x = 〇，w-aS；yS；w= P out
[0032] P I x = 〇, a s： y s： w-a= P in- (Pin-Pout) ? (y-a) / (W-2a)
[0036] 式中，p为气体静压，kPa，pin为进风巷道口处的全压值，kPa，p _为回风巷道口处 的全压值，kPa，L为采空区长度，m，W为采空区宽度，m，a为进风巷道口入风口宽度，m， [0037] 平面温度场模型热力学边界条件方程：
[0042] 式中，I；为工作面温度，°C，q(l为工作面的热流密度，1/1112，1'1、1' 2、1'3分别为采空区 第一边界1、第二边界2、第三边界3的边界温度，^汍七七分别为采空区第一边界^第 二边界2、第三边界3的边界的对流换热系数，W/m 2 ? °C，L为采空区长度，m，W为采空区宽 度，m，
[0043] 将以上平面温度场模型方程联立并加入风压边界条件及热力学边界条件方程，在 计算流体动力学软件FLUENT中进行数值求解，获得在一定地面大气压下采空区温度场仿 真云图。
[0044] 其中：采空区边界温度TpTyl，通过U型设置于边界上的光纤温度传感器测量获 得，每隔l〇〇m采集一个温度值。
[0045] 本发明的有益效果在于：本发明考虑大气压影响的矿井采空区温度场仿真使用的 进风巷道口处的全压值p in，回风巷道口处的全压值P()Ut方法，将平面温度场模型方程联立 并加入风压边界条件及热力学边界条件方程，在计算流体动力学软件FLUENT中进行数值 求解，获得在一定地面大气压下采空区温度场仿真云图，得出大气压增大时，采空区内部气 体的绝对压力升高并引起流速降低，进而因多场耦合导致热对流及传导效率低，温度分布 的梯度更小的规律，与矿山实际状况吻合，误差小，精度高。
【附图说明】
[0046] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0047] 图1是本发明待仿真的采空区平面示意图；
[0048]图2是本发明目标采空区模型的网格划分示意图；
[0049] 图3是本发明第一实施例地面大气压为99. 225kPa时采空区温度场仿真云图；
[0050] 图4是本发明第一实施例地面大气压为98. 426kPa时采空区温度场仿真云图。
[0051] 图中：1.第一边界，2.第二边界，3.第三边界，4.采空区，5.工作面，6.进风巷道 口，7.回风巷道口。
【具体实施方式】
[0052] 实施例一
[0053] 参见图1、图2、图3, 一种考虑大气压影响的矿井采空区温度场仿真方法，包括如 下步骤：步骤①确定采空区边界，包括第一边界1、第二边界2和第三边界3构成的矩形目 标采空区，确定矩形目标采空区长度L = 500m值和宽度W = 300m值，确定坐标轴x(m)、 y (m)，通过点、线、面的顺序形成整个计算区域，建立采空区的计算域尺寸为500m*300m，并 确定各离散单元的界面长度，即网格单元为〇. 5m，离散采用结构化网格，通过Gambit中的 map网格划分方法生成了如图2所示的网格，网格划分成功后再由Gambit输出mesh文件， 以便下一步用于Fluent软件求解器的识别和计算，量取进风巷道口 6入风口宽度a = 5m， 测取气体的密度Pg= 1.205kg/m3,确定采空区孔隙率e =0. 23,确定采空区气体动力 粘度U = 1. 8X 1(T5N ? s/m2,确定采空区的渗透系数k = 0. 35,确定气体扩散系数Di = 1.5Xl(T5m2/s，确定气体的比热 Cpg= 1005X/(kg. °C)，确定煤的密度 P。= 1300kg/m3和 比热Cpc= 1000X/(kg. °C)，确定气体导热系数A g=〇. 〇26W/m. °C，确定煤的导热系数 入c= 0. 20W/m ? °C，确定采空区遗煤氧化反应产生的热量Q