复杂边界巷道瓦斯运移的网格单交错快速SIMPLE算法研究

During the mining process, especially the back lash process of coals,the calculation of velocity field and the concentration field of gas in roadway have important engineering significance for studing the gas accumulation mechanism and preventing gas overrun.As the main calculation methods of roadway gas flow field, SIMPLE algorithm is usually unable to accommodate the calculation speed and precision of complex area gas flow field.When using the SIMPLE algorithm based on the collocated grid, the computational precision is low.When using the SIMPLE algorithm based on the staggered grid, the calculation amount is large and the grid adaptability is weak,because of the multiple sets of grid system.A high efficiency single staggered grid SIMPLE algorithm is going to be established, based on the collocated grid method and the staggered grid method.Staggered grid would be used in the mainstream direction, which requires high precision, and the momentum interpolation would be used to adjacent nodes pressure difference in other directions.Then the gas flow calculation program would be developed,which would be used to calculate the flow field of the gas in Y type structure roadway and W type structure roadway during the mining process and the back lash process.The grid adaptability, accuracy and convergence speed of single staggered grid SIMPLE algorithm would be analysised,compared with the collocated grid SIMPLE algorithm and the measured data.The influence on gas migration and accumulation by air velocity,roadway shape,and temperature would then be investigated for providing the theoretical basis to establish the gas accumulation and overrun evaluation system.

煤炭采掘过程中，特别是反风过程中，巷道瓦斯的速度场、浓度场计算，对研究瓦斯积聚机理、防止瓦斯超限具有重要工程意义。作为巷道瓦斯流场的主要计算方法，SIMPLE算法通常无法兼顾复杂区域内瓦斯运移的计算速度和精度。基于同位网格的SIMPLE算法，计算精度较低。而基于交错网格的SIMPLE算法，由于利用多套网格系统，存在计算量大、网格适应性弱等缺陷。本项目综合交错网格与同位网格的优点，建立一种高效率网格单交错SIMPLE算法，即在对精度有较高要求的主流方向采用交错网格，在其余方向用动量插值引入相邻节点压差。在此基础上，开发巷道瓦斯流场计算程序，并运用于采掘和反风过程Y型和W型结构巷道瓦斯流场的计算，对比同位网格SIMPLE算法及实测数据，分析单交错网格SIMPLE算法的网格适应性、求解精度与收敛速度。探讨风速、巷道形状、温度对瓦斯运移、积聚行为的影响。为建立瓦斯积聚和超限评价体系提供理论基础。

煤炭采掘过程中，从煤岩体内涌出大量瓦斯，在巷道风压、气流涡旋等因素影响下，易造成瓦斯积聚，为煤矿生产安全造成隐患。长距离复杂边界巷道瓦斯运移、积聚特征求解具有计算量巨大，边界复杂等困难，构建既能有效缩短计算时间、同时又能较好地保证网格适应性和求解精度的数值算法具有重要的科学意义。本项目综合同位网格法与交错网格法的优点，建立一种网格单方向交错的快速SIMPLE算法。.首先推导单交错网格下稳态流动的离散控制方程。构建组分气体在巷道中稳态流动的单交错网格SIMPLE算法。 在主流方向采用交错网格离散方法，采用初始的猜测压力场，动量方程的离散方程可借助该压力场得以求解，从而求出相应的速度分量。定义压力修正值为正确的压力场与猜测的压力场之差。并采用同样的方法定义速度修正值。从而保证主流方向求解具有较高的精度。而径向基于动量差值法，采用同一套网格系统求解速度值，并引入交错网格SIMPLE算法中略去邻点速度修正值的思想。继而得到网格单方向交错的控制方程离散格式。在此基础上，开发瓦斯运移求解程序。通过不同算例计算结果与交错网格、同位网格结果的对比，验证了项目提出的单交错网格离散方法的可行性。且由于单交错网格系统较交错网格有少的网格，有利于程序编写，同时由于仍保留一半的交错离散网格有比同位网格更高的求解精度。.此外，以金佳矿某回采工作面实测参数为例，采用同位网格离散方法研究了主抽采管瓦斯浓度、瓦斯流量的特征。结果表明：在瓦斯抽采过程中，随着抽采的进行，瓦斯浓度的逐渐衰减，主抽采管瓦斯浓度沿着工作面掘进方向不断减小，最终在出口处达到稳定值，约20%~25%。由于受煤层钻孔时的影响，在发生10%串孔的情况下，瓦斯主抽采管出口处瓦斯浓度将比无串、塌孔时减少2.9%。而在发生10%塌孔的情况下，瓦斯主抽采管出口处瓦斯浓度将比无串、塌孔时仅减少0.51%。相比较下，串孔的发生对瓦斯钻孔抽采浓度的影响更大。瓦斯积聚主要集中在回采工作面上隅角、顶板冒落空洞内、采掘机械切割部、停风盲巷及采空区边界等处。