巷道中瓦斯涌出位置對瓦斯分布的影響規律模擬

高建良 王春霞

河南理工大學安全科學與工程學院

巷道中瓦斯涌出位置對瓦斯分布的影響規律模擬

高建良 王春霞

河南理工大學安全科學與工程學院

為了防止瓦斯積聚,確保礦井安全生產,必須準確掌握瓦斯涌出位置對巷道中瓦斯分布與瓦斯積聚位置的影響規律。基于計算流體動力學基本理論,利用Fluent軟件,在湍流充分發展區,使用標準雙方程湍流模型,對不同瓦斯涌出位置對巷道中的瓦斯分布與積聚進行數值模擬,分析研究了瓦斯涌出位置對巷道中瓦斯分布的影響規律,得出不同涌出位置巷道中瓦斯分布與瓦斯積聚的一般規律。模擬結果表明:瓦斯涌出位置對巷道中瓦斯分布影響很大,頂板涌出的瓦斯難以與空氣混合,頂板處容易發生瓦斯積聚;側壁涌出瓦斯時,斷面上側壁與頂板處瓦斯濃度比中心區域高;底板涌出的瓦斯在上浮力作用下容易與空氣混合,底板附近不易積聚高濃度瓦斯。

瓦斯源 貫通巷道 瓦斯分布 瓦斯積聚 Fluent軟件 數值模擬

0 引言

隨著煤層開采進入瓦斯含量較大的深部和采煤生產能力的提高,瓦斯涌出量大幅度增加,瓦斯積聚造成的瓦斯濃度超限成為當前礦井最大的安全隱患。礦井通風是防止瓦斯積聚,確保礦井安全生產的重要手段。研究和掌握礦井風流和巷道空間瓦斯分布與積聚規律,對于防止瓦斯積聚、預防瓦斯爆炸、保證礦井安全生產具有重要的現實意義。很多研究人員對采空區、回采工作面、掘進巷道、貫通巷道中的瓦斯分布與瓦斯積聚規律做了大量研究工作[1-9],對于巷道中瓦斯運移機理、瓦斯的上浮效應等有了清晰的認識。但是對于瓦斯涌出位置對巷道中瓦斯分布的影響研究還不夠全面。筆者曾采用相似模型實驗研究了回采工作面下行通風時瓦斯涌出和分布規律,但由于模型條件的限制,以離散孔隙涌出的瓦斯來近似代替實際工作面中均勻涌出的瓦斯,得出的瓦斯分布與實際工作面中的瓦斯分布會產生一定的誤差,數值模擬的方法可以有效地避免這一誤差。

由于瓦斯比空氣的密度低,瓦斯與空氣混合會引起巷道內部氣流密度的變化,瓦斯涌出點附近的瓦斯使該區域空氣—瓦斯混合氣體的密度降低,因此應考慮浮升力的影響。浮升力的作用使得當瓦斯從巷道頂板、側幫、底板等不同位置涌出時其分布規律差別很大。為了準確掌握瓦斯涌出位置對巷道中瓦斯分布與瓦斯積聚位置的影響,有必要對瓦斯涌出點不同時巷道中的瓦斯分布進行更深入的研究。筆者對梯形斷面貫通巷道中瓦斯分別從頂板、兩幫、底板均勻涌出時,巷道中瓦斯分布進行數值模擬,得出不同瓦斯涌出點時貫通巷道中瓦斯分布的一般規律。

1 數學及物理模型

1.1 數學模型

巷道中氣體可視為不可壓縮流體,可忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱,同時假定壁面絕熱,且假定流場恒溫,不考慮能量傳遞;流體的湍流粘性具有各向同性,湍流的動力粘滯系數(μt)可作為標量處理;流動近似為穩態流動,滿足Boussinesq假設。瓦斯紊流擴散的控制方程包括質量守恒方程(連續性方程)、動量守恒方程(Navier-Stokes方程)和組分傳輸方程。湍流模型采用標準k—ε兩方程模型,采用標準壁面函數法處理近壁面處的流動。

對于巷道中瓦斯紊流擴散的穩態流動,根據以上描述,控制方程可以表示為如下通用的微分方程形式:

式中:u、v、ω分別表示x、y、z 3個方向上的速度分量; <為模型通用因變量,可代表速度、紊流動能、紊流動能耗散率、組分質量分數;Γ<為與<對應的擴散系數; S<為與<對應的源項。

1.2 物理模型

本文以一梯形水平巷道為例,模擬貫通巷道中流動充分發展區域內的瓦斯分布,在笛卡爾坐標系下建立關于 x、y、z的三維巷道空間。其中 x表示巷道橫斷面的寬度,y表示巷道橫斷面的高度,z表示巷道的長度;梯形巷道上底寬2.4 m,下底寬3 m,高2.4 m,采用工字鋼支護(為研究方便,將巷道支護斷面簡化為邊長為0.1 m的正方形),支護間距為1 m。模型的一端作為風流入口,另外一端為風流出口,瓦斯分別從巷道頂板、兩幫壁面和巷道底板涌出。為了研究流動充分發展區域瓦斯分布,應避開巷道出口、入口風流的影響。通過大量數值模擬的預備實驗,發現模擬巷道總長度取140 m較合適,瓦斯源位于z為70～75 m的巷道頂板、兩幫壁面和巷道底板上,巷道的物理模型如圖1所示。

圖1 模擬巷道的物理模型圖

2 邊界條件

1)入口邊界:設為速度入口(velocity-inlet),風流垂直于模型巷道入口均勻進入巷道。

2)出口邊界:設為自由出流(outflow),即5 ui/ 5xi=0。

3)壁面邊界:所有壁面上施加無滑移邊界條件,即Ui=0,近壁面采用標準壁面函數法處理,壁面以絕熱對待[10]。

4)瓦斯源項:采用源項來處理瓦斯涌出,即認為瓦斯從靠近涌出地點近壁面第一層網格單元涌出,這些單元的源項SS等于單位時間、單位體積內瓦斯的生成量。根據瓦斯涌出量的大小設置瓦斯源項,假設涌出量為Q,則SS=ρQ/V(ρ為瓦斯密度,V為瓦斯涌出源的體積)。文中瓦斯涌出量Q以單位時間內一定量的瓦斯均勻涌出,涌出量為0.006 4 m3/s。

3 模擬實驗及結果分析

根據以上數學、物理模型以及邊界條件,利用計算流體動力學的軟件Fluent,對巷道中瓦斯分別從頂板、兩幫壁面和底板涌出時紊流風流中的瓦斯分布進行模擬解算。

3.1 瓦斯涌出位置對巷道縱剖面上瓦斯分布的影響

當瓦斯從貫通巷道頂板、兩幫煤壁、底板涌出時,過巷道中軸線縱剖面上的瓦斯濃度分布分別如圖2、3和圖4所示。

圖2 頂板處為瓦斯源時巷道縱剖面上瓦斯濃度分布圖(傾角0°,x=0 m)

圖3 側壁處為瓦斯源時巷道縱剖面上瓦斯濃度分布圖(傾角0°,x=0 m)

圖4 底板處為瓦斯源時巷道縱剖面上瓦斯濃度分布圖(傾角0°,x=0 m)

由圖可以看出,當瓦斯從巷道頂板涌出時,由于浮力的作用,瓦斯與空氣難以混合,頂板瓦斯濃度高,頂板處形成大約長8 m的瓦斯積聚層。當巷道兩幫壁面涌出瓦斯時,在瓦斯涌出點(z=70 m兩幫煤壁處)2 m后(z=72 m)頂板處有小范圍的高濃度瓦斯分布。這說明壁面涌出的瓦斯在浮力與風流的雙重作用下,沿煤壁向上和風流方向兩個方向運移。當瓦斯從巷道底板涌出后,在體積力作用下上浮的過程中與風流發生對流運移,且在上浮過程中與空氣混合,整個斷面上瓦斯濃度分布較均勻。

3.2 瓦斯涌出位置對巷道橫斷面上瓦斯分布的影響

取瓦斯分別從頂板、側壁、底板涌出3種情況下在瓦斯涌出源附近z=73.5 m處橫斷面以及離開瓦斯源一段距離z=90.5 m處橫斷面上的瓦斯濃度分布進行對比分析(如圖5、6所示)。

圖5 z=73.5 m橫斷面瓦斯濃度分布圖

圖6 z=90.5 m橫斷面瓦斯濃度分布圖

由圖5可知,頂板涌出的瓦斯與空氣最難混合,容易在頂板發生瓦斯積聚分層現象。側壁涌出的瓦斯在風流和上浮力的作用下沿煤壁向頂板方向運移,同時瓦斯在分子擴散作用下向斷面中心區域擴散。因此,斷面上側壁和頂板附近瓦斯濃度比斷面中心區域高。底板涌出的瓦斯比較容易與空氣混合,底板處瓦斯濃度大于2%的區域非常小,瓦斯難以在底板處積聚。比較圖5(a)與圖5(c)可以看出,瓦斯從底板涌出后在上浮力的作用下,有足夠的空間用來與空氣混合,而瓦斯從頂板涌出后沒有充足的空間與空氣混合。因此,頂板涌出瓦斯時頂板處的瓦斯濃度比底板涌出瓦斯時底板處的瓦斯濃度高很多,瓦斯積聚的區域也要大很多。

圖6顯示了巷道頂板、兩幫側壁和底板涌出的瓦斯與風流混合一段距離后巷道斷面上的瓦斯分布。由于瓦斯比空氣輕,在浮力的影響下頂板涌出的瓦斯很難與空氣混合。由圖6(a)可以看出,斷面上瓦斯分布不均勻,瓦斯大部分集中在斷面上部,斷面下部瓦斯分布很少;巷道兩幫側壁涌出的瓦斯在整個斷面上分布的比較均勻,這是因為瓦斯一部分處在巷道中心(即風流的核心區),瓦斯受核心風流的作用比較大;底板涌出的瓦斯在風流和浮力的作用下與空氣混合,由于底板附近的風流速度較小,瓦斯與空氣的混合能力比煤壁涌出的混合能力弱。

4 結論

1)當瓦斯從巷道頂板涌出時,由于瓦斯浮力的作用,瓦斯與空氣難以混合,斷面上瓦斯分布不均勻,易出現瓦斯在頂板積聚分層現象,上部瓦斯濃度高,下部瓦斯濃度低。

2)壁面涌出的瓦斯在浮力與風流的雙重作用下,沿煤壁向上和風流方向兩個方向運移,在瓦斯涌出點附近頂板處有小范圍的高濃度瓦斯分布,斷面上側壁和頂板附近瓦斯濃度比中心區域高。

3)當瓦斯從巷道底板涌出后,在體積力作用下上浮過程中與空氣混合,斷面上瓦斯濃度分布較均勻,不容易產生積聚現象。

[1]高建良,徐昆倫,吳研.掘進巷道瓦斯分布數值實驗研究[J].中國安全科學學報,2009,19(1):18-24.

[2]高建良,吳研,徐昆侖.瓦斯分布與風量及瓦斯涌出量關系的數值模擬[J].河南理工大學學報:自然科學版,2007,26 (6):609-612.

[3]高建良,羅娣.巷道風流中瓦斯逆流現象的數值模擬[J].重慶大學學報,2009,32(3):319-323.

[4]梁棟,吳強.低雷諾數風流中瓦斯上浮機理及其實驗研究[J].黑龍江科技學院學報,2001,11(3):10-12.

[5]梁棟.煤壁瓦斯自然上浮運動機理[J].山東科技大學學報:自然科學版,2000,19(1):48-50.

[6]梁棟,周西華.回采工作面瓦斯運移規律的數值模擬[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,1999,18(4):337-341.

[7]王恩元,王繼仁,梁棟.巷道瓦斯局部積聚機理的實驗研究[J].煤炭工程師,1996(1):5-10.

[8]王恩元,梁棟,柏發松.巷道瓦斯運移機理及運移過程的研究[J].山西礦業學院學報,1996,14(2):130-135.

[9]傅培舫,王國超,葉汝陵.巷道頂板瓦斯積聚現象的模擬研究[J].煤炭工程師,1994(4):12-15,21.

[10]王海橋,劉榮華,陳世強.獨頭巷道受限貼附射流流場特征模擬實驗研究[J].中國工程科學,2004,6(8):45-49.

A simulation model on the impact of the location of coal gas em ission on its distribution at them ine tunnel

Gao Jianliang,Wang Chunxia
(School of Safety Science and Engineering,Henan Poly technic University,Jiaozuo,Henan 454003,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.109-112,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In order to p revent the accumulation of methane gas and ensure safe p roduction of a coalmine,it is necessary to definitely know the effect of the location of methane gas emission on its distribution at themine tunnel.Based on the basic theory of Computational Fluid Dynamics,the distribution and accumulation of gas at the tunnelw ith gas emission from different locations are simulated by the Fluent software,Themethane distributions and built-up in the breakthrough roadway with different locationsof gas emission are simulated by using the standardκ-εtwo-equation turbulencemodel at the fully developed turbulent areas.The influence of different locations of gasemission on gas distribution at the tunnel isanalyzed,and a general law of gas distribution and accumulation isalso obtained at the tunnelw ith methane gas emission from different locations.The numerical simulation results show that the location of gas emission has a great influence on gas distribution at the tunnel.By the cross-section p rofile,it isobviously demonstrated that the gas released from the tunnel’s roof is difficult to mix with the airflow and easy to accumulate near the roof;the gas concentration near the tunnel’s roof and the sidewalls are higher than that in the central area w hen gas is released from the sidewalls;themethane gas emitted from the tunnel’s floor is easy to mix w ith the airflow because of buoyant effect and the tendency of gasmoving upward, so the high-concentration methane gas is difficult to accumulate near the floor.

coal gas source,breakthrough tunnel,coal gas distribution,coal gas accumulation,Fluent,numerical simulation

長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(編號:IRT0618);河南省高校杰出人才創新工程項目(編號:2004KYCX005)。

高建良,1963年生,教授,博士生導師,日本九州大學工學博士,國家安全生產專家;現任河南理工大學安全科學與工程學院院長。地址:(454003)河南省焦作市河南理工大學安全科學與工程學院院長辦公室。電話:(0391)3987882,13903899150。E-mail:gao@hpu.edu.cn

高建良等.巷道中瓦斯涌出位置對瓦斯分布的影響規律模擬.天然氣工業,2010,30(6):109-112.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.030

2010-01-20 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.030

Gao Jianliang,p rofesso r,was bo rn in 1963.He obtained a Ph.D degree from Kyushu University of Japan.He is now head of the School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University.

Add:Jiaozuo,Henan 454003,P.R.China

Tel:+86-391-3987 882 Mobile:+86-13903899150E-mail:gao@hpu.edu.cn