采空区球-柱组装体压损预测模型及多孔介质流动特性
陈方兴1
郝小礼2
陈世强3
张建伟4
田峰5
吴雪1
1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 4112012.湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 4112013.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 4112014.青岛地铁集团有限公司第二建设分公司,山东青岛 2660005.中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300300
摘要：随着煤矿向深部开采热动力灾害发生风险增大,快速预测采空区内流动损失成为煤矿精准防灭火的关键.结合采空区流动特征,提出一种孔隙率可调整的球-柱组装体采空区多孔介质物理模型,通过控制角度θ大小改变模型总体孔隙率.进一步地,划分模型流动最小体元,并将流动过程分为10个阶段,基于平均水力半径模型以及简化后的突扩-突缩并联通道局部阻力理想模型,建立单位长度压力损失表达式.通过计算模型预测压损数值,对比了试验、数值模拟以及Er-gun方程计算结果,并验证了数值模拟结果可靠性.结果表明:试验数据与计算模型预测值相对误差最大不超过10％,证明计算模型方法可行;无量纲流动损失M在雷诺数Re∈[0,10]区间内以黏性损失项为主,与总损失的偏差小于7％.在Re∈[0,10]区间内,计算模型与Ergun方程的预测结果对比数值模拟计算结果相对误差均小于10％;在Re∈[10,1200]区间内,Ergun方程结果相对误差超20％,而计算模型结果在10＜Re＜300情况下相对误差超出许可范围,最大为22％,说明计算模型可用于单位长度压损预测.多孔介质流态对压损的影响十分显著,对无量纲流动损失F的分析表明,随着雷诺数增大多孔介质流态发生转变,具体可划分为4个流动区域,分别为完全层流区(0＜Re≤1)、层流主导区(1＜Re≤10)、转捩区(10＜Re≤700)以及完全湍流区(Re＞700),根据流动损失的组成划分流动形式界限,当1＜Re＜10为达西流,当Re＞10为非达西流.研究成果可为采空区精准防灭火的工程实践提供理论依据.
关键词：采空区多孔介质孔隙率流态转捩压力损失平均水力半径
分类号：TD752.2(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(U1361118)湖南省自然科学基金资助项目(2022JJ30251)湖南省自然科学基金资助项目(2023JJ30243)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 3953-3965 )
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