基于网络解算的采空区流场节点压力解算方法研究

摘要

采空区是煤矿发生灾害的主要场所之一，一直都是相关学者关注的重点。采空区的漏风与采空区灾害的发生有着密切的关系，因此采空区漏风一直都是研究的重点。对于采空区漏风规律的研究，主要是将其看成“流场”，通过对其进行数值求解来寻找出漏风的规律，以此为依据提出防止采空区灾害发生的措施。 论文通过对现有采空区流场研究方法的调研，发现采空区流场的模拟大多是依托于商业版的CFD软件进行的，采用CFD对采空区流场模拟时需知道流场的边界条件。对于采空区漏风的边界限制条件，这些条件有些可以通过网络解算得到的，但是有些条件却无法准确获取，采用CFD软件对边界条件无法准确获取的采空区流场的模拟时还有些困难。本论文将井巷风网和采空区流场看成一个物理模型，建立井巷风网与采空区流场的网络化模型，采用网络解算的方法对其进行求解，建立协同求解模型。同时对采空区流场网络解算的方法进行研究，针对采空区网络划分后有大量的节点与网络分支的特点，选用节点压力法的网络解算方法对采空区流场进行求解。对节点压力法的解算方法进行深度的分析，针对在其求解过程中雅克比矩阵优势对称的特点，提出采用LDLT分解法将其进行分解计算，避免对其求逆的冗杂计算，改善网络解算的求解性能。采用ObjectARX技术完成相应软件的开发并对红柳林煤矿15207工作面的采空区进行漏风模拟，以此来验证模型与方法的正确性。通过对不同地表漏风量下的采空区流场及工作面进、回风巷的风量的模拟，得到了红柳林煤矿15207工作面有地表漏风时采空区自燃三带的分布状态和采空区最佳的地表漏风控制量，从而为保证工作面常规防灭火措施效果的发挥提供数据支持。

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1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1通风网络软件研究现状

1.2.2采空区流场的研究现状

1.2.3采空区自燃“三带”研究现状

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2通风网络理论基础

2.1矿井通风网络图与矩阵表示

2.1.1矿井通风网络图

2.1.2通风网络的矩阵表示

2.2通风网络中风流遵守的基本规律

2.2.1风量平衡定律

2.2.2风压平衡定律

2.2.3通风阻力定律

2.3通风网络解算

2.3.1常见的三种求解模型

2.3.2通风网络模型的求解方法

2.4解算的算法实现

2.4.1回路风量算法

2.4.2节点压力算法

2.5本章小结

3基于节点压力法的采空区流场数值求解模型

3.1采空区滤流分支网络模型

3.1.1采空区内部环境特点

3.1.2采空区模型基本假设

3.1.3采空区网络化模型

3.1.4采空区漏风场节点风速的计算

3.2采空区流场网络解算模型

3.2.1节点压力法解算采空区流场的数学模型

3.2.2节点压力法解算方法

3.2.3节点压力法雅克比矩阵的对称性

3.2.4基于LDLT分解法的风压修正量求解

3.3算例分析

3.4采空区流场模型的网络求解

3.5本章小结

4系统开发及主要模块功能设计

4.1应用需求

4.2开发工具的选择

4.2.1 VBA

4.2.2 LISP与ADS

4.2.3 Auto CAD.NET

4.2.4 Object ARX 开发工具

4.3系统主要模块的功能

4.3.1建立采空区的模块

4.3.2网络化模块

4.3.3连接井巷风网

4.3.4采空区流场计算模块

4.3.5结果输出模块

4.4本章小结

5红柳林煤矿采空区流场漏风模拟

5.1红柳林矿井概况

5.2浅埋采空区外部漏风网络模型

5.2.1浅埋煤层采空区外部漏风结构

5.2.2外部漏风下采空区网格化模型

5.2.3红柳林煤矿15207工作面采空区外部漏风网络模型

5.3模拟结果及应用

5.3.1外部漏风下采空区流场模拟

5.3.2模拟结果验证

5.3.3模拟结果分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录