煤炭科学技术

作者：陈方兴, 郝小礼, 陈世强, 李轶群, 李石林, 鲁义,

关键词：压力损失, 多孔介质模型, 时间比重, 边壁效应, 修正系数,

快速预测采空区内部流动损失，一直是煤矿精准防灭火的关键问题。围绕采空区多孔介质流动，提出球体组装的采空区多孔介质物理模型，结合模型几何特征，找到流动的最小体元，并划分出该流动的4个阶段。基于纳维−斯托克斯（N−S）方程，建立表观速度、球径、动力黏度、流体密度与压损的关系式，得到4个阶段的压损计算式，进一步，采用时间比重的加权方法，建立了单位长度压损模型JT/L，符合Forchheimer方程形式。应用该模型预测了压损数值，对比了数值模拟结果和Ergun方程的预测值，结果表明：对数值模拟结果的影响，相比出入口效应，发现边壁效应更大，经优化确定模型为16×7的多球组装体接枝组合；对于该接枝组合内的多孔介质流动，在层流和近层流时，Ergun预测值与数值模拟结果的相对误差小于8%；引入孔隙率为0.375的多孔介质试验数据，开展无量纲分析，验证了数值模拟结果的可靠性，但是，单位长度压损模型JT/L预测值的误差最大值达69.9%，实为将N−S方程简化成一维而引起的；定义修正系数K，表征三维流动的影响，雷诺数（Re）低于10，K=2.84，雷诺数为10～3 000时，K=6.56Re−0.334；最终，得到了拟三维的JT'/L计算模型，当雷诺数低于10，预测值的误差小于6%，在雷诺数10～3 000范围内，误差低于10%。结论表明，基于球体组装模型的采空区拟三维多孔介质流动压损计算模型，可快速预测出雷诺数不超过3 000的单位长度压损，有助于科学指导采空区精准防灭火的工程实践。

来源：2025年第5期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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