采空区场流数值模拟程序(G3)实现与应用.pdf

第 2 0卷第4期 2 0 0 5 年1 2月 湖南科技大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f H u n a n Un iv e r s ity o f S c ie n c e 2 阜新矿业集团机电二厂 辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘 要 基于非 均质多 孔 介质漏风渗流 方程、 分 相气 体〔 瓦斯、 氧、 C O 渗流一 扩 散才程和多 孔介质渗流综合传热方 程， 建立了 采空 区安 全 瓦斯、 自 然发火等 分 析数值模型， 开 发了 用 迎风格式 有限 元方法 联立求解 计算机程序 G 3 结合Y形通风 形式 采空区 的求解 实 例， 展示了G 3 能够适应各种 复杂边 界条件， 并给出 工作面 开采条 件下 采空区内 各 相气 体和温度变化的图 形分布解G 3 中 采空区 按冒 落非均 质介质处理; 考虑了瓦 斯涌出 对自 A的 4A合作用， 并 能反映工 作面 推进、 通风量 等因 素影响关系可操作性好， 能对各 种情况做任 意性模拟试脸， 便于从理论上描绘采空区漏风流态， 动态描绘了瓦斯、 氧, CO浓度和温度的分布状态及其变化过程 图7 ， 参 1 6 关键词 冒落采空区; 多相气体浓 度; 温度场; 有限元; G 3 程序; 可视化计算 分析 中圈分类号 T D 7 5 2 2文献标识码 A文章编粤 1 6 7 2 - 9 1 0 2 2 0 0 5 0 4 - 0 0 1 6 - 0 5 采空区场流安全分析的定量化描述， 涉及一场一 态多相气体、 传质传热和温度变化等复杂动态过程的 联立求解问题 ，虽然早在上世纪 8 0 年代就已经明确 地提出了 场流数值模型及其数值方法11 , 1 ， 但一直缺乏 可操作性好且能够得到更明 确分布 解的 计算程1} [4 1. 目 前， 在联立求解、 数值解稳定性和分布解的图形化显 示， 以 及与 各因素影响变化规律分析等诸多问题尚需 解决和完善; 而后者对建立采空区安全理论非常重要. 笔者 基于M A T L A B 6 . 1 开发的 基于有限元方法的采空 区 冒落 非均 质 多孔介 质 漏 风渗 流 、多相 气体 0 2 - C O - C H 4 混溶渗流扩散和自 燃温度分布变化的 计算机程序 简称 G 3 ， 能够为此需要提供一种新的 专业化分析平台蝴. 1 采空区 场流数值模拟程序 G 3 简介 2 . 1 G3的主要计算与分析功能 1 流态计算 冒落非均质采空区的风 压分布、 漏 风流线和速度场M . 2 瓦斯计算 瓦斯一大气两相混溶流瓦斯分布 计算1 A瓦斯抽放、 排放与导流等过程和瓦斯涌出一般 规律的 分析P 0. 叭 3 氧浓度计算 自燃时氧消耗与浓度分布、 自燃 三 带划分与开采、 注氮等因素影响分析 O2.11. 4 温度场计算 自 燃成长温度分布的动态过程， 自然发火期与自燃一般规律iii , 5 自 燃标志性气体 如 C O , C 2 H 2 , C 2 H 、 等 计算 及有害气体 C O 的 导流与排放计算， 气体的生成、 分 布以及动态变化 过程[0 4 1 . 6 注氮防灭火计算 开区注氮流体力学过程与一 般规律叹注氮防 灭火的合理参数确定[11 3 1 . 7 瓦 斯与自 燃灾害r 合互动 分析. 2 . 2 区 域自 动剖分和边界条件自 动处 理功能 【 i5 ] 规则形状的计算剖分和不规则形状的智能化任 意形剖分， 具有自 动适应边界条件和局部地点的 二次 加密功能， 具有自 动识别边界条件类型和自动 识别边 界单元和建立边界节点户籍的能力 边界条件 自动处 理功能 包括动态处理第 1 , 2 类边界条件; 处理巷道 沿空漏风边界条件 第3 类边界 ; 以及边界信息动 态管理等. 时间迭代的参数 自动赋值. 收稿 日期 2 0 0 4 - 1 2 - 3 0 作者简介 率宗翔 1 9 6 2 - , 男， 黑 龙让绥化人辽宁 工程 技术大学副教 授， 硕士 从事采空区场流安全理论〔 自 然发火和瓦 斯涌出 及煤层注水等研究 2 . 3 数据结果的可视化图形显示功能17 1q 提供了 各量分布的等值 线图, 3 D 网格线图和色度 分布图; 各量变化过程曲 线图; 剖分网格图. 以及除图 形外的辅助说明文字、 参数 、 数据等. 2 . 4 丰富全面的输入参数和数据信息 赋值参数包括工作面参数、 生产技术参数、 通风 参数、 采空区 参数、 煤瓦斯参数、 煤自 燃特征参数、 煤 岩热力学参数等. 具体考虑因素多 采空区渗透系数、 风 压、 冒落碎胀系数、 碎胀系数衰减率、 采 空区冒落高 度、 瓦斯涌出强度; 工作面长度、 采高、 单位长度工作 面的风阻; 初始温 度. G 3 的主要特点 采空区 渗流场用变渗透性系数的 达西渗流祸合计算来近似描述非线性渗流 湍 流、 过 渡流 ; 综合考虑氧化和瓦斯涌出稀释的氧浓度的关 系; 用各物理量分布的向后平移的办法处理工作面动 态推 进问题16 1 模型方程是非 线性的， 具有 非自 伴性， 为 避免数值解失真采用迎风格式有限元解法 J .G 3 的具 体计算过程见图1 程序框图 Q. ry Q}}sr4F t v1r}AXA},}-}- ftI ------- - ------- 0 } Q 为工作面风量; Q , 为配风量; Q 为上风巷排风fi t 图2 Y形通风采空区的几何模型 F i g .2 G e o m e tri c m o d e l o f g o a f w it h Y - t y p e v e n ti l a t io n fa s h i o n 在漏人新风边界上的1 类边界条件为 t 1 7℃ ‘ 仇 。 O 2 , O , c C O c C H 4 0 , 式中。 代表各相气体浓度， m o U m ， 其中空气标准氧浓 度c 0 2 , 0 9 . 3 7 5 m o U m , t 为温度- 工作面及上沿空漏风 巷道边界上的风压边界条件 为线性分布， 工作面风压差为8 4 .6 P a ， 工作面回风口 起点风压为0 P a ， 上风巷道风压差为2 0 .4 P a ， 取巷道 漏风 边界 壁的 局部阻 力系数为。 . 6 5 .计算中， 采空区冒 落 空隙度为0 . 1 3 - 0 .3 3 , 渗透性系数为2 . 1 4 - 6 0 . 8 3 m z / p a - 11 ; 遗 煤的 耗氧速度常 数为0 .0 8 3 m o ll m “ h . 采 空区瓦 斯涌出 强度为0 . 3 3 - 2 .4 3 m o ll m “ I t . 图3 是区域 自动剖分网格、 冒落非均质和漏风流 动状况输出结果 ， 图中风压等值线差距 5 P a , 流函数 线的流 量差距4 m / m i n ， 工 作面向采空区的漏风量为 9 7 . 4 m /m i n . 图4 为当 工作面推进度为5 . 4 m / d 时由 G 3 在计算机上模拟训 算的采空区场流结果， 图中的0 点为工作面人风口的起点. 图5是工作面停顿时的模 拟计 算结果. 图氏图7 为在不同推进情况的采空区自 燃的高 温点升温变化过程和上巷C O 气体排放过程. 由图4 , 5 可以看到，自 燃危险点在固壁边界附 近， 工作面处于停 顿状态时的自 然发火期为2 4 . 5 d ， 推 进度 5 .4 m / d 时的自然发火期为3 5 d . 工作面均不受采 空区瓦斯和 C O涌出的影响. 图」 G 程序计算主要过程框图 F i g . 1 P r o g r a m fl o w d ia g ra m f o r c o mp u ti n g b y G p ro g r a m 2 应用 G 3模拟算例、 边界条件及计算结果 算例仅举边界条件较为复杂的Y 形通风采空区 如图2 所示 作为应用说明， 3 结论 通过对真实算例的 应用计算， 可以看出G 3 程序 有以下优点; 川实现了对采空区 “ 一场一态多相” 问题联 立求解的 一体化， 满足对问题 研究的大量模拟试验的 需要， 使计算效率更高， 从而为揭示问题的本质规律 提供了有利手段4 7 ,9 1 借助于G 3 可以辅助分析采空区 瓦 斯排放、 自 然发火、 注氮灭火、 大面积均 压调压等 诸 多安全问题， 即G 3 功能 强大全面. 2 以可视化图形方式迅速得出分布解. 直观透 节 点 数 , f t 单几 数i _ 1 1 一一 冒 落 碎账 系数分布 三卜\ i 〔 1 5 0 P fl 1 5 f 2 0 0 2 5 0 3 0 0 1 P ,风压 等值线 、漏风流线- 2 0 . 4 P a速度场 分 V ma x 2 . 6 3 9 1 3 m/ mi n 8 5 . 8 P } 图 3 Y形通风采空区的剖分、 冒落非均质性、 流态和速度场 F ig .3 T h e m e s h d iv i s i o n , th e c a v i n g h e te r o g e n e it y , th e fl o w s t a t e a n d s p e e d f ie ld i n g o a t s w it h Y - ty p e v e n t i la t io n f a s h i o n 风if , 分 布 瓦斯 浓度分 布 小祥淤 承﹄创提获国 t u t “I A - 4 I 2 0 健 0 _2‘ 锣 誉 七、日以 - 403 51飞 0 0 9 0 0Yin, 10 0 一 .i 一 15 0 3 K135 0 厂咖 2 以 t 5 0 义 l m 氧浓度分 布 建划锐屏 温度 场分布 ﹃一衬 脚 O0 才 卜十少 阳印和加。 夔侧明 0 . 2 0- 1 5 f 】 00 5 I . 蘸 字侧岌0切 斗f H 3 5 0 飞 n 〔 洛一 30 1、 2 110 二一 图4 由C 3输出的采空区流场瓦斯、 氧, C O浓度和温度的分布状态结果 推件度 5 .4 raid F ig .4 T h e d i s tri b u tin g s t a te re s u lt o f th e m n ce n tr a lio n a n d l e m p e r s t u r e. o f g a s , o x y g e n a n d e a r b o n m o n o x i d e i n g o a t fl o w fi e ld e x p o rt e d -b y G 3 p ro g r a m l 8 C o 浓 度分布 图温度 场分 布图 0 . 1 5 厂 、 哩 朋动41 窦倒园一 窦超程0甲 2011 ._400 蠢 /广。 一. f l 310 z1m 2 t10 t0 0 } ./ 产 0 0 y / m 不二I 5 。 图5 工作面停顿时采空区流场 C O浓度和温度分布的3 1 状态结果 推进度0 m l d F i g . 5 T h e 3 D s ta t e r e s u lt o f th e c o n c e n t r a t io n a n d temperature, o f c a r b o n m o n o x i d e i n g o o f fl o w fi e l d d u r in g th e p a u s e o f w o r k in g fa c e s 07l6俏04盯02 工作面停顿 工作 面停顿 三追日︸扁王艇OU 推进 度5 .4 n 洲 908070翻 推进 度5 沸m 1d 们八曰 一力月斗 舒、划明 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 时间/ d 图 6 采空区自燃点升温过程 0 1 / J.。1 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 时问/I d 图7 沿上漏风巷道C O涌出过程 F i g .7 T h e c a r b o n mo n o x i d e e m i s s i o n p r o c e s s a l o n g a s c e n d i n g a ir l e a k a g e ro a d w a y s 圳|刚钊 F i g .6 T h e te m p e r a t u re r i s i n g p r o c e s s o f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n t e m p e r a tu re i n g o a f 明， 可操作性好， 能对各种复杂情况及其变化进行任 意性的模拟试验 计算求 解的全过程由计 算机自 动处 理， 避免人为 对解的干预和修正， 提高了数值解的客 观性 . 3 可控制的网 格剖分精度和迎风格式的有限 元方法使解收敛稳定， 提高了数值计算的精度.实践证 明lA ， 大尺度低剖分网格计算的数值解是振荡的， 误差 很大， 甚至无法使用. 目前 ， 高精度的剖分网格计算越 来越受到数值计算者的重视. [5 ] 参考文献 [ 1 ]章梦涛 工景淡， 梁栋， 等采场大气中沼气运移规律的数值模拟[J ] 煤炭学报1 9 8 7 3 2 3 - 3 0 Z A A N G M e n g - to o , WA N G l i n g - y o n , HA N G D o n g ,e t d . N u m e r ic a l s l m u ta t io n o f m e t h a n e m ig ra ti o n in a ir in u n d e r g r o u n d w o r k in g s a t m n - s p h e r e [J ] . J o u r n a l o f c h i n a c o a l s o ci e t y , 1 9 8 7 3 2 3 - 3 0 . [ 2 ]丁广39.三维采空区瓦斯、 氮气的扩散运动及有限元解法[ J ] 煤炭 学报1 9 9 6 ,2 1 4 4 1 1 - 4 1 4 D I N G G u a n g - x i a n g , D i ff u s io n o f m e th a n e a n d n i tr o g e n in 3 D g o of a n d t h e fi n i te e l e m e n t s o l u t io n [1 ] . J o u r n a l o f c h i n a c o a l s o ci e ty V o 1 .2 1 4 4 1 1 - 4 1 4 [ 3 ]张瑞林， 杨运良， 马哲伦 自 燃采空区风琉场、 温度场及热力风压场 [ 6 1 [ 7 1 的 计算机模拟[[1 1焦作工学院学报，, 1 9 9 8 , 1 7 4 2 5 3 - 2 5 7 Z H A N G It u i- l i n , Y A N G Y u n - H a n g , N A Z h e - lu u . C o m p u te r s im u l a - lio n in s p o n ta n e o u s - c o m b u s ti o n g o b s a i r fl o w i n g f ie l d , t e m p e ra tu re f ie l d a n d h e a t- p r e s s u re f ie ld [1 ]. J o u r n a l o f J i s o e u o in s t it u t e o f t e c h n o lo g y , 1 9 9 8 ,1 7 4 2 5 3 - 2 5 7 , 何启林， 工德明， 综放面采空区遗煤自 然发火过程动态数值模拟[1 l - 中国矿业大 学学报 . 2 0 0 4 , 3 3 1 1 1 - 1 4 H E Q i- l in , WA N G D e - m i n g . N u m e r ic a l s i m u la ti o n o f s p o n t a n e o u s c o m b u s ti o n p ro c e s s i n g o a t a r e a s b u f u ll y - m e c h a n iz e d a n d c a v in g ro o f c o a l [J ] . J o u r n a l o f C h in a u n iv e r s i t y o f 血 川n g 2 . F ;l e c lr o n te c h a n ic a l F a c t o ry , F u ou Mi n i n g C r o u p , F a x in 1 2 3 0 0 0 , C h in a A b s t r a c t ; A n u m e r i c a l m o d e l f o r s a f e t y a n a ly s i s , s u c h a s t h e a n a l y s i s o f g a s , s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n , in g o a f i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n a i r l e a k a g e f lo w e q u a t i o n f o r i n h o m o g e n e o u s p o r o u s m e d i u m , s e e p a g e a n d d i f f u s i o n e q u a t i o n f o r s p l it p h a s e g a s , s u c h a s g a s , o x y g e n a n d c a r b o n m o n o x i d e , a n d s e e p a g e i n t e g r a t i v e h e a t t r a n s f e r e q u a t i o n f o r p o ro u s m e d i u m , a t t h e s a m e t i m e , a c o m p u t e r p ro g r a m , G 3 , i s d e v e lo p e d o n t h e b a s i s o f t h e s im u l ta n e o u s n e s s a n d s o lv e b y u s in g w i n d w a r d fi n i t e e le m e n t m e t h o d . A c c o r d i n g t o t h e s o l v i n g e x a m p l e s o f t h e g o a f w i t h Y - ty p e v e n t i l a ti o n f a s h i o n , p r o g r a m G 3 c a n a d a p t a l l k i n k s o f c o m p l i c a t e d b o u n d a r y c o n d i t i o n s , a n d t h e g r a p h d i s t r i b u t i o n s o l v e o f t h e v a r i a t i o n s o f e v e ry p h a s e g a s a n d t e m p e r a t u r e in th e g o o f w h i l e t h e w o r k i n g f a c e is b e i n g m i n e d a r e a l s o c a n h e g i v e n . G o a f i s c o n s id e r e d a s h e t e r o g e n e o u s m e d i a i n G 3 , a n d t h e c o u p l i n g f u n c t i o n b e t w e e n g a s e f f u s i o n a n d s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n is a l s o b e e n t a k e n i n to a c c o u n t . G 3 c a n s h o w t h e i n fl u e n c e r e l a t i o n s h ip o f w o r k in g f a c e a d v a n c e a n d a i r q u a n t i t y a n d s o o n f a c t o r s . G 3 h a s m a n y a d v a n t a g e s , s u c h a s g o o d o p e r a b i l i ty , s im u l a t in g t e s t s c a n h e d o n e a c c o r d i n g t o a l l k i n d s o c o n d it i o n s , d e s c r i b i n g t h e f l o w s t a t e o f g o a f a i r l e a k a g e i n t h e o ry e a s i l y , d y n a m i c d e s c r i b in g th e d i s t r i b u t i o n s ta t e a n d v a r i a t i o n p r o c e s s o f t h e c o n c e n t r a t i o n a n d t e m p e r a tu r e o f g a s , o x y g e n a n d c a r b i n e m o n o x i d e . 7 f ig s ., 1 6 re f s . K e y w o r d s c a v i n g g o o f ; m u l t ip h a s e g a s c o n c e n t r a ti o n ; t e m p e r a t u r e fi e ld ; f i n i t e e l e m e n t ; G 3 p r o g r a m ; c o m p u ti n g a n d a n a l y s i s o f v i s u a l i z a ti o n B i o g r a p h y L l Z o n g - x i a n g , m a le , h o r n i n 1 9 6 2 ,a s s o c ia te p r o f e s s o r , M . E . , v e n t i la ti o n a n d s a f e t y e n g i n e e r i n g . 2 0