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文章编号0253 - 9993200105 - 0525 - 04 采空区紊流漏风相关系数的研究 邢玉忠,郭勇义,吴世跃 太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024 摘 要利用中下分层工作面进、回风巷网上漏风的特点,建立了网上漏风数学模型,通过实测 通风参数,拟合漏风强度与漏风位置的关系,揭示出网上矸石紊流漏风风阻的分布规律,得出采 空区矸石漏风相关系数随矸石冒落时间的变化规律;由实测数据开始偏离回归直线的位置,可判 断出漏风由紊流向层流转化的时间,为相同或类似条件下工作面采空区漏风的研究打下了基础. 关键词分层开采;采空区;漏风相关系数;分布规律 中图分类号 TD728 文献标识码 A 收稿日期 2001-03-19 采空区漏风是造成煤炭自燃的根源,掌握采空区漏风规律是解决采空区遗煤自燃的关键,随着采空区 冒落矸石的不断压实,其漏风相关系数也不断发生变化.由于工作面采空区的隐蔽性,造成采空区漏风研 究的困难.利用工作面网上漏风的特殊性,可以容易地监测到漏风参数,从而找到矸石冒落后漏风相关系 数的变化规律,应用于工作面采空区的防漏风工作,为研究采空区漏风和采空区遗煤自燃规律打下基础. 1 网上漏风物理数学模型 中、下分层工作面及其进回风巷与网上矸石是一个充满流动气体的复杂空间[1 , 2],如图1所示,cd为 图1 工作面通风系统与测点布置 Fig11 The face ventilation system and the layout of measuring point 上分层采止线,假设上分层冒落矸石在垂直于x轴向各处分 布均匀,沿x向矸石孔隙率连续降低,进、回风巷间的压差 连续减少,网上漏风流态也随x的增大由紊流变为过渡流和 层流.本文重点研究网上紊流漏风,因而假设研究范围内网上 漏风均为紊流,据滤流场理论[3] dQ/dx -h/ rw,1 式中,h为进、回风巷对应点的压差, Pa ;Q为x处进回 风巷风量, m3/ s;rw为紊流条件下单位宽度的滤流条上的漏 风风阻[3], Ns2/ m8;rwρLy/ KS 2 ,其中,ρ为空气的密度, kg/ m3;Ly为滤流条沿程长度, m;K为 单位宽度的滤流条假定糙度系数, m;S为单位宽度滤流条的横截面积, m2. 其中仅K ,S与冒落矸石孔隙率及其在高度上的分布有关,故令μKS 2 ,则 μρLy/ rw,2 μ为单位宽度的滤流条上冒落矸石的紊流漏风相关系数, m5.工作面进、回风巷对应点的压差为 h hcd- ∫ x 0 RdQ2dx - ∫ x 0 RcQ2dx hcd- ∫ x 0 R d Rc Q 2d x.3 两边对x求导 dh/dx - Rd Rc Q 2 ,4 式中,Rd为单位长度的进风巷风阻, Ns2/ m8;Rc为单位长度的回风巷风阻, Ns2/ m8;hcd为c ,d点 第26卷第5期煤 炭 学 报 Vol. 26 No. 5 2001年10月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct. 2001 风压差, Pa. 式1 , 4即构成工作面进、回风巷及其上部采空区气体流动微分方程.其边界条件x 0,Q Qd,hhcd;xL ,QQa,hhab;ΔQQd-Qa.其中,Qd为进风巷入口风量, m3/ s;hab为a , b点风压差, Pa ;Qa为进风巷出口风量, m3/ s;ΔQ为总漏风量, m3/ s. 2 紊流漏风风阻的分布 如图1所示,沿x方向,工作面进、回风巷上部矸石冒落时间逐步增加,网上矸石的孔隙率及透气性 逐渐减小,因而紊流漏风风阻rw亦随x的增加而增加.为找到rw的分布规律,实测进、回风巷各测点 风量和风压,拟合进、回风巷间单位长度网上漏风量 q 漏风强度与进风巷漏风点位置x的变化关系,即 q f x ,5 且 q -dQ/dx ,6 由式6得 Q Qd- ∫ x 0 qdx.7 将式5代入式7得Q Q x ,再将Q Q x代入式 4 , 积分后可解得h h x;由式 6得dQ/ dx,同h h x一起代入式 1 , 可得紊流漏风风阻rw随x的变化规律. 3 漏风风阻分布规律的计算实例 工作面测点布置如图1所示,实测结果见表1～3. 据表2 , 3得进风巷各段平均漏风强度表4 . 表1 各测段阻力 Table 1 Resistances of every length 测 段daabbc 阻力/ Pa8432112 表2 各测点风量 Table 2 Air flows of every measuring point 测 点a1234d 风量/ m3s- 171692718628127891123111682 131988 表3 各测段长度 Table 3 Lengths of every measuring part 测 段a- 11 - 22 - 33 - 44 -da-da-bb-c 长度/ m4020212710118140118 表4 各测段平均漏风强度 Table 4 Average leakage intensity of every length 区 段d- 44 - 33 - 22 - 11 -a x范围/ m0～1010～3737～5858～7878～118 各段中点x/ m5231547156898 Δx/ m1027212040 ΔQ/ m3s- 12130621559018450141601170 q/ m3s- 101230 601094 801040 201020 801004 3 据表4 ,采用不同类型的函数拟合进风巷漏风强度曲线,最后选定最优拟合曲线图2 a为 q 01280 2e- 01041 3x. 8 拟合曲线的相关系数为01992 ,漏风强度q的均方差为01082 1.将式8代入式 7 , 得 Q 71203 561784 5e- 01041 3x. 9 将式9代入式3得 h 5 210151-441016x 2 0071545e- 01041 3x 4721693e- 01082 6x. 10 将式8代入式 6 , 再与式10一同代入式1得 rw6 020164725 5691913e01041 3 x 66 3651778-5601628 x e01082 6 x. 11 625 煤 炭 学 报 2001年第26卷 据式11绘制网上漏风风阻分布曲线lnrw - x 图2 b中的散点 . 由于接近工作面时,网上矸 石已被基本压实,网上漏风已由紊流向过渡流和层流转化,故图中x≥98 m的最后两个点明显偏离以前 各点的变化方向,应予以剔除,由其余10个点进行曲线回归,可得x与lnrw的线性关系为 lnrw01064 2x 111509 bx a ,12 式中,a为x 0处lnrw值,即测风时采止线处冒落矸石漏风风阻的自然对数,a 111509;b为沿进风 巷单位长度上漏风风阻的对数的变化量,b 01064 2 ;回归曲线的相关系数为01999 4 ,均方差为 01046 02. 图2 漏风强度与漏风风阻的分布曲线 Fig12 Air leakage intensity and air leakage windage distribution curve a漏风强度; b漏风风阻 4 漏风风阻与矸石冒落时间的关系 令T为x处矸石冒落时间 d ; T0为采止线处矸石冒落时间 d , T0 96 d;v为上分层工作面的 推进速度,v 112 m/ d;则x T -T0 v 代入式11 ,并整理后可得 rw 6 0201647 2191513e01049 56 T 91651-01049 58 T e01099 12 T. 13 图3 lnrw,μ与冒落时间的关系曲线 Fig13 Relation between lnrw,μand the fall time 据式13得rw与矸石冒落时间T的关系,如图3 a中的散点所示,图中斜线表示剔除最后两偏 离点后的回归直线, lnrw 41113 01077 04T.回归曲线方程的一般式为rw AeB T,其中,A为矸石初 冒时的漏风风阻,Ae a-bvt0 ; B为系数,Bbv.从式13的计算结果与lnrw- T 回归直线对比后 可见,散点在最后几点偏离了回归直线,这是由于网上漏风已由紊流转为过渡流或层流的缘故,因而可根 据偏离点处矸石冒落时间判断漏风的流态变化.将Ly 140 m ,ρ 112 kg/ m3及式13代入式 2 , 则 μ [351837 211306 6e01049 56 T 01057 446-01000 295 1 T e01099 12 T ]- 1. 14 据式14绘制紊流漏风相关系数μ与冒落时间T的关系曲线,如图3b中散点所示.对各散点 进行曲线回归得μ 11496 54e - 01072T ,于是得紊流漏风相关系数μ与冒落时间T的关系为μαeβT. 725第5期邢玉忠等采空区紊流漏风相关系数的研究 5 影响漏风相关系数的因素 随着时间的推移,工作面采空区冒落矸石被逐步压实,先冒落的矸石空隙小,后冒落的矸石空隙大, 其漏风相关系数亦随矸石冒落时间而变化,影响漏风相关系数μ大小及其分布的因素有 1顶板岩性 顶板岩石坚硬,则冒落块度大,漏风空隙大,μ大;反之,冒落块度小,则μ就小. 2顶板冒落时间的长短 顶板冒落时间长,则网上矸石密实、空隙小,μ小;反之,冒落时间短, 网上矸石空隙大,μ就大. 3工作面的推进速度 工作面推进速度快,则μ随x的变化梯度小;反之, μ随 x的变化梯度大. 4直接顶、老顶的厚度 直接顶、老顶的厚度不同,使矸石冒落块度产生差异,μ亦会不同. 6 结 论 1通过测定中下分层工作面进、回风巷内的通风参数,可拟合出网上漏风强度分布规律,即 q 01280 2e - 01041 3x. 2网上矸石单位长度的滤流条紊流漏风风阻rw随x的变化规律lnrwbxa. 3网上冒落矸石单位长度的滤流条紊流漏风风阻rw随冒落时间T的变化规律rwAeB T. 4采空区单位面积上冒落矸石的紊流漏风相关系数μ与冒落时间T的一般关系式μαeβT. 5通过lnrw- T 回归直线,找到lnrw偏离回归直线的点,给出了确定网上漏风由紊流向过渡流和 层流转化的时间界限. 参考文献 [1] 章梦涛,王景琰.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J ].煤炭学报, 1983 , 26 3 46～54. [2] 刘英学,唐海清,邹声华,等.防止采空区自燃减漏风措施的研究与应用[J ].煤炭学报, 1996 , 21 6 630～ 634. [3] 刘泽功.通风安全工程计算机模拟与预测[M].北京煤炭工业出版社, 1996. 172～195. 作者简介 邢玉忠1963 - ,男,河北沧州人,副教授, 1991年毕业于山西矿业学院安全技术及工程专业,获硕士学位,主要 从事煤矿安全技术及工程的教学与科研工作,发表学术论文10余篇. Study on the relative coefficient of air leakage in the gob XING Yu2zhong , GUO Yong2yi , WU Shi2yue College of Mining Engineering , Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024,China Abstract Making use of the characteristics of the air leakage between the intake and the return airways in the faces of middle and lower slice , the mathematical model of air leakage is established. Through measuring the ventilation parameter practically , fitting the relation of air leakage intensity and its position , the distribution law of the air leakage windage and the leakage coefficient on the time is given. The time of transing from a tur2 bulent flow leakage into a lamellar flow in the waste is given by the location measuring data of deviating from the regression line. This makes a foundation for studying the air leakage law on other similar gob. Key words slice mining; air leakage on the mesh ; air leakage relative coefficient ; distribution law 825 煤 炭 学 报 2001年第26卷