[发明专利]一种集成求解矿井风网与采空区流场耦合模型的有限流管法

说明书

本发明提供了一种集成求解矿井风网与采空区流场耦合模型的有限流管法，使用有限流管法将采空区流场转换成一维管流，与井巷风网形成新的耦合网络。通过在耦合风网(回路风量法)与采空区流场(有限元法)之间迭代解算，得到了矿井风网与采空区流场耦合模型的最终解。针对矿井通风条件下风流模拟形成的新方法，目的就是将以上风流体恢复成一个整体进行求解，将矿井巷道与采空区中的风流场作为一个整体进行求解。以使模拟结果反映井下风流的真实情况。

技术领域

本发明属于矿井通风领域，具体涉及一种集成求解矿井风网与采空区流场耦合模型的有限流管法。

背景技术

矿井通风不仅为矿工提供足够的新鲜空气，也是防控井下各种污染、爆炸和窒息性气体的基本措施。对于煤矿，供给采煤工作面的风流会连续的漏入采空区(煤炭开采后的充满塌落岩石的区域)，这种难以避免的漏风，极易引发采空区遗煤自燃及瓦斯爆炸。我国采煤工作面40-60％的瓦斯来自采空区漏风，超过60％的煤矿火灾来自于采空区遗煤自燃。因此，对矿井的安全而言，掌握采空区中因漏风形成的危险与设计一个良好的通风系统具有同等重要的作用。

由于矿井通风系统的复杂性，以及难以对采空区流场进行直接观测，数值模拟成为国内外学者研究这两部分井下风流的主要手段。如模拟井巷中风量的分配过程、模拟采空区流场来判定采空区中煤自燃危险区域，掌握采空区中煤自燃和瓦斯运移过程。矿井通风系统(包括风道、风机和控风设施等元素)常被描述成一个一维的网络模型，风流在其中的流动遵循基尔霍夫定律，通过此定律井巷的风量或节点的压力作为未知数构建了一个大型的(未知数常超过1000)非线性方程组，针对它的解算过程称为矿井通风网络解算。与巷道中风流的一维网络模型不同，采空区中的风流主要采用二维或三维场模型来描述，求解技术主要是商业CFD软件。因此现有模拟技术中，不得不将采空区与矿井通风网络分离求解，也就不能考虑漏风对采空区边界条件的影响。由于采空区流场将随着边界条件的改变而改变，通风系统的改变也将导致预先定义的边界条件失效。因此将煤矿井下的风流系统视作巷道和采空区冒落多孔介质场流构成的整体进行求解，不仅是一件十分有意义的事，而且也具有很强的技术挑战性。因为除了需要考虑计算性能外，更难的是如何协调一维风网与二维或三维采空区流场两种不同的模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种集成求解矿井风网与采空区流场耦合模型的有限流管法，其特征在于：使用有限流管法将采空区流场转换成一维管流，与井巷风网形成新的耦合网络。通过采用回路风量法的耦合风网与采用有限元法的采空区流场之间迭代解算，得到了矿井风网与采空区流场耦合模型的最终解。

进一步地，采空区中的风流在冒落煤岩体中的流动是各向同性非均匀介质渗流，符合达西定律(假定为线性渗流)：式中V表示渗流速度，P为采空区中的压力函数；K为渗透系数，由于采空区瓦斯涌出量或氧的消耗量远小于采空区漏风量，则采空区内的连续性方程为：在U形工作面采空区，得到采空区线性渗流的定解数学模型为(3)式微分方程。式中采空区与风网连接处的边界L1取为压力边界，对其它不漏风的边界L2取为流量边界，G为整个采空区区域；p₀代表L1上的已知压力值；，n_x n_y表示边界外法线上单位向量的分量。