高温采煤工作面风温预测理论及数值模拟

发布时间：2017-07-08 08:26

  本文关键词：高温采煤工作面风温预测理论及数值模拟

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【摘要】：高温矿井采煤工作面由于机电设备和作业人员比较集中、围岩温度较高且散热面积较大、采空区热风漏入等多种因素,是井下热害程度最严重的场所,也是当前煤矿热害治理研究的重中之重。高温采煤工作面热害治理研究主要在于科学预测工作面风流温度和合理制订降温技术措施两个方面。其中,采煤工作面风温预测是其热害治理的基础,是制订合理降温技术措施的前提。高温采煤工作面风温预测研究,主要应该包括采煤工作面围岩温度场及围岩散热对工作面风流的影响,采空区涌出热风对工作面风流的影响,刮板输送机上外运落煤散热对工作面风流的影响,围岩散热、外运落煤散热及采空区涌出热风与工作面风流耦合作用下的采煤工作面风流温度的预测及其需冷量的计算,布置空冷器时采煤工作面进风顺槽风流温度的预测及空冷器供冷量的计算、进风井筒及主要进风巷道风流温度的预测等几个方面。本文通过理论分析推导、数值模拟计算、实验室测试及井下实地考察相结合的方式,对高温采煤工作面风温预测理论进行研究。由理论分析建立采煤工作面围岩温度场数学模型,采空区涌出热风理论模型,工作面围岩温度场、刮板输送机上外运落煤温度场及采空区涌出热风流场和温度场与工作面风流流场、温度场耦合作用下的高温采煤工作面风温预测及需冷量计算数学模型。采用有限体积方法开发采煤工作面移动边界围岩温度场数值解算软件模块和采空区热风涌出规律分析软件模块,融合以上两个软件模块,采用有限差分方法开发高温采煤工作面风流温度及需冷量的预测计算软件。同时,高温采煤工作面实施人工制冷降温技术措施时,由理论分析建立进风顺槽布置空冷器时的风温预测数学模型,并应用有限差分方法编制空冷器后接风筒及巷道中风流温度的数值解算程序,得出满足高温采煤工作面降温需求的进风顺槽供冷方式及空冷器供冷量。于作为工程研究背景的高温采煤工作面处进行现场取样,并由实验室测试得到煤样和岩样的导热系数等热物性参数,为工作面及其进风顺槽的风温预测数值计算提供基础数据。现场观测采煤工作面及其进风顺槽风流流量和温度变化、工作面通风阻力等,对数值模拟计算结果进行验证,优化完善风温预测软件,最终得到科学准确的高温采煤工作面风流温度及需冷量的预测计算软件,为其降温设计提供基础。采煤工作面围岩在向风流散热的同时,其温度降低,形成非稳态围岩温度场。围岩散热不仅与原始岩温相关,而且更主要地取决于温度场分布形成的壁面温度,而围岩温度场及壁面温度又直接受工作面风流温度的影响,即围岩温度场与工作面风流温度场相互耦合,使得围岩散热计算和风温预测的难度加大。由于采煤工作面不断推进,其围岩温度场的边界随之不断向工作面前方推移,围岩散热计算也更为复杂。本课题研究引入移动坐标系,将原静坐标下的非稳态导热问题转化为稳态导热问题,从而大大简化了采煤工作面推进过程中围岩散热的复杂计算;对具有一定共性的不同采煤工作面进行无因次分析,提高了计算结果的通用性,从而使其具有了普遍意义,尤其还得到了工作面不同位置的围岩温度场及其围岩散热量的统一计算公式,即为解决围岩温度场与工作面风流温度场之间耦合作用的重要途径;基于有限体积法,对采煤工作面围岩温度场进行了数值解算,得到了围岩的无因次温度分布,并揭示了不同毕渥数及贝克莱数时沿控顶距及煤壁高度方向上的壁面无因次温度在同一毕渥数下随贝克莱数增大而增大、同一贝克莱数下随毕渥数增大而减小的变化规律;得到了不稳定换热准数与工作面几何尺寸、毕渥准数、贝克莱准数之间的关系曲线,揭示了不稳定换热准数随毕渥准数、贝克莱准数的增大而增大的规律。因为采煤工作面两端总是存在着通风压差,所以不可避免地会出现采空区漏风问题。采空区的漏风源和漏风汇都不是一个点而各是一个面,即沿工作面全长都存在漏出或漏入风流,而且各处的漏风量不同。本人所属课题组根据质量守恒定律及darcy定律,推导了采空区的流场描述方程;根据能量守恒定律及传热学相关理论,推导了采空区气体、固体双重介质的温度场描述方程;根据质量守恒定律和fick定律,推导了采空区的氧浓度场描述方程;基于上述各场的耦合作用,自主开发了采空区自然发火模拟软件。本文在上述软件的基础上,进一步开发了采空区热风涌出规律分析软件,对工作面不同通风阻力、原始岩温、进风流温度等条件下的采空区热风涌出规律进行了研究,计算得到了从采空区涌入工作面的热风风速、风量及其温度分布。作为围岩散热的延续,割落至刮板输送机上的高温煤体在向外运输过程中与工作面风流同样进行着复杂的热湿交换,更是增加了采煤工作面风温预测的难度。高温采煤工作面由于热源强度大、采空区热风涌入等因素的影响,因而风温变化沿工作面倾斜方向的分布呈s型曲线,这使得其风流温度的预测计算非常复杂。本文根据质量守恒定律和能量守恒定律,基于围岩散热、刮板输送机上落煤散热及采空区热风流场和温度场与工作面风流流场、温度场的耦合作用以及工作面内其它各热源的影响,分别建立了采煤工作面进风侧及回风侧的风流温度预测计算微分方程;采用有限差分方法,将工作面风流温度预测计算的微分方程转换为了差分方程,开发了采煤工作面风流温度预测计算软件;根据前述工作面风流温度预测模型,建立了采煤工作面的需冷量计算模型;将高温采煤工作面围岩温度场数值解算程序、采空区热风数值计算程序、工作面风温及需冷量的预测计算程序融合成为一个整体的软件,并结合现场测试,对风温预测软件进行了验证、完善,从而建立了预测高温采煤工作面热害程度和需冷量的新方法。当前,高温采煤工作面的降温主要是依靠布置在其进风顺槽中的空冷器传递的矿井制冷降温系统提供的冷量来实现,而空冷器的供冷方式和供冷量则决定了工作面的进风流温度,从而影响着工作面制冷降温措施的实施效果。同时,进风井筒和主要进风巷道中风流热力状态参数的变化决定了工作面进风顺槽中风流的热力状态,因此亦需对其进行研究。本文通过数值计算,对采煤工作面的顺向和逆向通风方式进行了对比分析,并提出从矿井降温角度出发,高温采煤工作面应尽可能采用顺向通风方式。以采煤工作面顺向通风为前提,分别建立了进风顺槽中布置单台和两台空冷器时的风温预测数学模型,并进行了差分离散,结合工程研究背景,完成了相应计算;对进风顺槽中布置三台、四台空冷器及其不同组合方式时的风流温度进行了预测计算。根据高温矿井进风流沿程的热湿交换特点,分别建立了进风井筒及主要进风巷道的风温预测简便方法。最后,应用本文研究开发的高温采煤工作面风温预测及需冷量计算软件,对新巨龙矿2302S采煤工作面的需冷量进行了计算,经比较分析得到了合理可行的降温目标。在上述降温目标下,根据采煤工作面进风顺槽风温预测的相关内容,对四台空冷器同步布置于不同位置时的空冷器供冷量及工作面进风换热量进行了计算和对比分析,确定了保证工作面一定降温效果的空冷器可选布置范围,进而确定了满足工作面降温需求的供冷方式及空冷器供冷量。应用该降温方案于2302S采煤工作面,工作面整体气候环境得到了明显改善,证明该降温设计是科学的、合理的,本文所研究的高温采煤工作面风流温度及需冷量预测计算理论可为热害工作面的降温设计提供可靠基础。本文的创新工作有以下三个方面:(1)运用有限体积法的原理和方法,研究计算高温采煤工作面二维、半无限体、移动边界围岩温度场的数学模型,是围岩温度场数值解算的新发展;对高温采煤工作面推进过程中围岩温度场的数学模型进行无因次分析,得到通用性的无因次过余温度及不稳定换热准数的计算经验式,其正是解决围岩与风流的温度场之间耦合作用的重要途径。(2)用数值模拟方法对高温采煤工作面围岩温度场、刮板输送机上外运落煤温度场、采空区漏风流场和温度场与工作面风流流场、温度场作耦合计算,尤其是充分考虑由采空区涌入工作面热风的影响作用,是工作面风温预测方法的一个新突破,同时建立了全面科学预测高温采煤工作面需冷量的新思路和新方法。(3)用数值计算方法对采煤工作面进风顺槽中空冷器不同布置情况下巷道及风筒中的风流温度作耦合求解,确定满足工作面降温需求的供冷方式及供冷量,是工作面进风顺槽布置空冷器时风温预测及供冷量计算的新突破。
【关键词】：采煤工作面 围岩温度场 采空区热风 风温预测 需冷量
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD727.2
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-22
• 1.2.1 围岩温度场及围岩散热研究现状17-18
• 1.2.2 采空区涌出热风研究现状18-19
• 1.2.3 矿井风温预测研究现状19-21
• 1.2.4 目前研究存在的问题21-22
• 1.3 研究目标和内容22-24
• 1.3.1 研究目标22
• 1.3.2 研究内容22-24
• 1.4 研究方法和技术路线24-27
• 1.4.1 研究方法24-25
• 1.4.2 技术路线25-27
• 第二章 采煤工作面风温预测基础参数研究27-37
• 2.1 煤、岩样的热物性参数实验测试27-29
• 2.2 采煤工作面通风阻力测定29-32
• 2.3 采煤工作面漏风测定32-35
• 2.4 采煤工作面风流热力参数测定35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 采煤工作面热源计算理论及方法研究37-55
• 3.1 采煤工作面围岩温度场及围岩散热研究37-49
• 3.1.1 采煤工作面围岩温度场无因次数学模型37-40
• 3.1.2 无因次数学模型有限体积法离散40-44
• 3.1.3 采煤工作面围岩温度场数值解算及结果分析44-48
• 3.1.4 围岩温度场解算结果在采煤工作面风温预测中的应用48-49
• 3.2 矿井其他热源计算方法49-52
• 3.3 本章小结52-55
• 第四章 多因素耦合作用下采煤工作面风温预测研究55-85
• 4.1 采空区热风涌出规律研究55-65
• 4.1.1 采空区多场耦合数学模型55-59
• 4.1.2 采空区热风涌出规律分析59-65
• 4.2 采煤工作面风温预测及需冷量计算数学模型研究65-81
• 4.2.1 风温预测湿空气热力参数相关计算65-68
• 4.2.2 采煤工作面风温预测数学模型68-75
• 4.2.3 采煤工作面风温预测数学模型的离散75-78
• 4.2.4 采煤工作面需冷量预测数学模型78-81
• 4.3 采煤工作面风流温度及需冷量预测计算软件81-84
• 4.3.1 采煤工作面风流温度及需冷量预测计算软件设计81-83
• 4.3.2 采煤工作面风流温度及需冷量预测计算软件运行结果83-84
• 4.4 本章小结84-85
• 第五章 采煤工作面通风系统进风段风温预测研究85-113
• 5.1 采煤工作面进风顺槽风温预测研究85-108
• 5.1.1 工作面顺向与逆向通风方式的对比分析85-93
• 5.1.2 进风顺槽布置单台空冷器时的风温预测93-98
• 5.1.3 进风顺槽布置两台空冷器时的风温预测98-105
• 5.1.4 工作面进风顺槽布置三台（及以上）空冷器时的风温预测105-108
• 5.2 进风井筒及主要进风巷道风温预测研究108-111
• 5.2.1 进风井筒风温预测数学模型108-109
• 5.2.2 主要进风巷道风温预测数学模型109-110
• 5.2.3 进风井筒及主要巷道风温预测程序设计110-111
• 5.3 本章小结111-113
• 第六章 采煤工作面风温预测理论应用研究113-119
• 6.1 新巨龙矿 2302S采煤工作面需冷量计算113-115
• 6.1.1 2302S采煤工作面情况简介113
• 6.1.2 2302S采煤工作面需冷量的计算分析113-115
• 6.2 2302采煤工作面的供冷方式选择及供冷量计算115-116
• 6.2.1 2302S采煤工作面进风顺槽情况简介115
• 6.2.2 2302S采煤工作面的供冷方式及供冷量计算分析115-116
• 6.3 2302S采煤工作面降温方案实施效果116-117
• 6.4 本章小结117-119
• 第七章 结论与展望119-123
• 7.1 主要结论119-121
• 7.2 创新点121
• 7.3 下一步工作展望121-123
• 参考文献123-131
• 致谢131-133
• 作者简介133
• 在学期间发表的学术论文133
• 在学期间参加科研项目133-134
• 主要获奖134

【参考文献】

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1 孔松;吴建松;孙广京;刘彦青;于洪伟;;高温矿井进风井筒及巷道风温预测[J];煤矿安全;2015年10期

2 秦跃平;宋怀涛;吴建松;白一雪;董占元;叶飞;;梯形巷道围岩散热有限体积法分析[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2015年08期

3 秦跃平;宋怀涛;吴建松;董占元;;周期性边界下围岩温度场有限体积法分析[J];煤炭学报;2015年07期

4 白洋;贾进章;;利用FLUENT研究矿井干燥巷道围岩对风流传热[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2015年01期

5 张源;万志军;周长冰;程敬义;;巷道/隧道围岩非稳态导热模化试验方法[J];采矿与安全工程学报;2014年03期

6 姬建虎;廖强;胡千庭;褚召祥;张习军;龚林平;;热害矿井掘进工作面换热特性[J];煤炭学报;2014年04期

7 秦跃平;王健;郝永江;刘伟;孔松;;基于有限体积法的巷道围岩散热无因次分析[J];矿冶工程;2013年03期

8 姬建虎;廖强;胡千庭;褚召祥;张习军;;掘进工作面冲击射流换热特性[J];煤炭学报;2013年04期

9 谢和平;周宏伟;薛东杰;王宏伟;张茹;高峰;;煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考[J];煤炭学报;2012年04期

10 唐明云;戴广龙;秦汝祥;陈清华;;综采工作面采空区漏风规律数值模拟[J];中南大学学报(自然科学版);2012年04期

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