掘進巷道油型氣擴散規律數值模擬*

張儉讓，張荃，董丁穩，陳偉

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西西安710054)

掘進巷道油型氣擴散規律數值模擬*

張儉讓1，2，張荃1，2，董丁穩1，2，陳偉1，2

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安710054;2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西西安710054)

∶根據掘進巷道風流流場特點，應用計算流體力學(CFD)軟件ANSYS的Realizable k-ε雙方程模型模擬了掘進工作面的油型氣與風流質量混合過程。探討了掘進工作面風流流場和油型氣的主要成分CH4濃度分布規律，對比了油型氣在掘進巷道底板不同位置涌出的擴散規律。研究表明，涌出點在渦流內部區域時，油型氣與巷道風流混合得更充分;涌出點距掘進頭一定距離之后，油型氣涌出后隨風流方向運動，且巷道頂部濃度較高;涌出源為垂直于掘進方向的裂隙時，油型氣擴散后CH4濃度在高度上的濃度差較小，裂隙平行于掘進方向時，高度上的濃度差較大。

∶掘進巷道;數值模擬;風流流場;CH4濃度

0 引言

煤油氣共生礦井易發生圍巖瓦斯涌出現象，并具有突發性、隱蔽性和涌出量大等特點，底板涌出則更為嚴重，成為影響礦井安全高效開采新的致災因素。經檢測，異常涌出氣體的成因類型為油型氣。

天然氣中的有機成因氣根據其母質類型劃分為煤成氣和油型氣［1］。煤成氣是指煤系地層或亞煤系地層中的煤與分散腐殖型有機質在成煤作用中形成的天然氣，包括煤層氣(瓦斯)［2］;油型氣是指分散的腐泥型有機質和以腐泥型為主的混合型有機質，在其熱演化進入成熟階段后，在熱力作用下成油的高成熟至過成熟階段，液態烴和有機質裂解所形成的天然氣［3］。油型氣的主要成分CH4含量高達90%，此外還含有C2H6，C3H8，C4H10，C5H12，C6H14，H2，CO等多種可燃性氣體［4］。

黃陵礦區、焦坪礦區、鄂爾多斯礦區［5］、甘肅窯街礦區［6］等地均存在煤層瓦斯與圍巖油氣共生現象。目前尚未開展礦井監測監控油型氣及油型氣、煤層瓦斯混合氣體爆炸臨界值的影響等方面的研究，更未能形成有效地煤油氣共存礦井瓦斯綜合防治理論及技術體系。文中針對煤油氣共生礦井，通過油型氣涌出擴散過程的數值模擬，分析掘進工作面油型氣在底板涌出時的擴散規律及油型氣主要成分CH4分布規律，為煤油氣共生礦井瓦斯治理提供了依據。

1 物理模型及網格劃分

依照掘進巷道實際尺寸，利用ANSYS軟件建立三維模型。模型為矩形掘進巷道，巷道橫斷面寬5.4 m，高3.6 m.局部通風采用壓入式通風方式，風筒直徑為1 m，風筒軸線距巷道側壁1.5 m，風筒出口距掘進頭6 m.在模擬中將掘進機簡化為長方體來模擬其對風流流場的影響，其尺寸為長9.44 m，寬2.9 m，高1.65m.結合掘進工作面瓦斯賦存及涌出規律［7-10］，模擬中將掘進頭瓦斯涌出設置為源項。

圖1 模型幾何Fig.1 Geometricmodel

圖2 涌出源設定圖Fig.2 Location of CH4emission

根據模型的物理特征，選擇CutCell網格劃分方式。k-ε模型只針對充分發展的湍流有效，而近壁面區域流體粘性的影響較大，雷諾數較低，湍流發展不充分，應采用壁面函數法。本文采用Realizable k-ε雙方程模型和壁面函數法相結合對掘進工作面壓入式通風過程進行數值模擬研究，應該保證近壁面第一層節點位于對數律層中，以保證模擬的精確度［11-12］。網格接近壁面需要滿足

式中yp為近壁面第一層單元中心到壁面的距離; u∞為自由流速度;v為流體的動力學粘性系數;x為從邊界層起始點開始至壁面的距離。

2 數學模型

2.1 數學模型

掘進工作面的風流流動狀態為湍流流動，包括射流區和回流區［13］。巷道內空氣湍流流動與濃度擴散控制方程包括連續性方程、動量守恒方程和組分質量守恒方程［14］。

2.1.1 連續性方程

左側第一項是質量對時間的變化率;ui是軸向速度分量;源項Sm是稀疏相增加到連續相中的質量或者質量源項。

2.1.2 動量守恒方程

式中p為靜壓;Fi為重力體積力和其它體積力，體積源項。

2.1.3 組分輸運方程

式中cs為組分的體積濃度;ρcs為該組分的質量濃度;Ds為該組分的擴散系數;Ss為系統內部單位體積的化學反應在單位時間內產生的該組分的質量，也稱生產率。

2.1.4 Realizable k-ε湍流模型

式中Gk為k-ε計算模型中湍流動能的平均速度梯度;Gb在k-ε計算模型中描述浮升力對湍流的影響;YM為在可壓縮湍流脈動擴張到整體的耗散率，描述可壓縮性對湍流的影響。C2和C1ε是常數;σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特數。

結合主控方程，模型中風流視為不可壓縮氣體流動，考慮重力及密度差產生的浮升力影響，求解計算選擇隱式分離三維穩定流求解器，速度采用絕對速度;用SIMPLEC算法求解流速和壓力耦合;壓力場采用標準離散方式。

2.2 邊界條件

掘進頭瓦斯涌出源區域類型為流體、源項、多孔介質，孔隙率為0.2.風筒出口速度通過工作面有效風量計算得到。通過模擬，瓦斯涌出質量流量設定為0.005 65 kg/(m3·s)時，巷道CH4濃度為0.6%，與現場數據相符，且符合規程要求。邊界條件設定見表1，表2.

表1 主要邊界條件設定Tab.1 Main boundary conditions

3 數值模擬結果及分析

以下所有分析皆以巷道中軸切面x=2.7平面風流流場矢量圖及CH4濃度分布云圖為依據。CH4濃度皆為CH4的質量分數。無油型氣涌出及涌出點a，b，c，d，e的風流流場矢量圖及CH4濃度分布云圖，如圖4，圖5所示。涌出源u，v，w的CH4濃度分布云圖，如圖7所示。為探究油型氣擴散穩定后在巷道的濃度分布情況，建立了如圖3的觀測線，圖6和圖8為觀測線上的CH4濃度曲線圖。

表2 油型氣涌出源邊界條件設定Tab.2 Oil type gas em ission source boundary conditions

圖3 巷道的CH4濃度分布情況觀測線Fig.3 Observation line of CH4concentration distribution in coal roadway

3.1 無油型氣涌出時掘進工作面情況

無油型氣涌出時，巷道中CH4來源為掘進頭瓦斯涌出，在遠離風筒一側，除掘進頭上方有渦流外，風流比較穩定;在巷道中部，掘進頭位置渦流較多，掘進機后方有小渦流;近風筒一側，風流在巷道上部流動復雜，渦流眾多，而巷道下部流動穩定。對應無油型氣涌出時的CH4濃度分布云圖，在掘進頭瓦斯涌出源中，風筒出口正對的部位CH4濃度最低，遠離風筒一側下部角落CH4濃度最高，約為1%;CH4進入巷道之后，隨風流流動向整個巷道擴散，并從圖5中可以明顯看出CH4向巷道上方擴散。擴散穩定后，巷道平均CH4濃度約為0.6%，與實測數據相符，滿足規程要求。

3.2 有油型氣涌出時掘進工作面情況

3.2.1 油型氣在底板不同位置涌出的擴散規律

油型氣涌出時，巷道中CH4來源為掘進頭瓦斯涌出以及涌出點涌出的油型氣中的CH4。

涌出點a處于掘進機前端，油型氣涌出之后在風流的帶動及渦流的影響下，很快擴散并充滿整個巷道，因此，油型氣與風流混合的相對比較均勻，巷道下部濃度比較高。圖6中曲線a比較平緩，說明涌出點油型氣涌出平穩后高度上的濃度差比較小。

涌出點b處于掘進機后的渦流處，油型氣涌出后受橫向的力較小，幾乎是垂直涌向頂板，沿頂板貼附流動，一部分與渦流風流混合，因此巷道下部的CH4濃度也并不小。

涌出點c距掘進頭20 m，此處巷道風流已接近穩定，從圖5可以看出，巷道斷面CH4呈明顯分層，巷道上部2.6m以上濃度較高，往下遞減，濃度范圍在0.5%～2%之間。油型氣涌出后，一部分被巷道上部的渦流帶往工作面，一部分順巷道風流流動，在涌出氣體到達巷道頂部之后，流動方向發生改變，這也解釋了CH4濃度分布呈波浪形的原因。從完整的截面圖可以看出，在涌出點后約20 m，濃度分布達到平穩。

涌出點d，e處于基本穩定的風流流場，其風流流場矢量圖與CH4濃度分布云圖都極為相似，巷道上部CH4濃度較高，涌出點e巷道上部CH4濃度要更高。分析其原因，一是油型氣涌出有初始向上的動能，且油型氣的主要成分CH4的密度較空氣小;二是此時巷道風流流向趨于穩定。

圖4 風流流場矢量圖模擬結果總匯Fig.4 Flow field vector diagram

圖5 CH4濃度分布模擬結果總匯Fig.5 CH4concentration distribution

圖6 不同涌出點在觀測線上的CH4濃度曲線圖Fig.6 CH4concentration on the observation line

3.2.2 油型氣以不同形狀涌出的擴散規律

涌出源c，u，v，w的x=2.7截面CH4濃度分布圖及油型氣擴散穩定后CH4在巷道高度上的濃度分布曲線圖，如圖7，圖8所示。結合兩圖可以看出，涌出源c的CH4濃度在高度上的變化最明顯。涌出源u的濃度變化差異最小，濃度范圍為0.55%～1.7%，v與u極為相似;涌出源w的上下分層情況較為明顯，涌出源w在巷道高度約1.6 m時，濃度開始急劇增加，直到2.6 m上方CH4濃度達2.3%，1.5 m下方為0.5%.從圖7可以看出，c曲線幾乎是在u，v曲線與w曲線之間。由此可知，根據涌出量和涌出位置，油型氣以不同涌出形狀涌出擴散穩定后截面的CH4濃度分布范圍是可以推斷的，這對研究爆炸范圍的確定有重要意義。

圖7 不同形狀涌出源CH4濃度分布云圖Fig.7 CH4concentration in different shapes

圖8 不同形狀涌出源在觀測線上CH4濃度曲線圖Fig.8 CH4concentration on the observation line

4 結論

1)無油型氣涌出時，風筒出口直對的區域CH4濃度較小，遠離風筒的區域CH4濃度較大;CH4進入巷道后隨風流擴散，且巷道上部CH4濃度略高于巷道下部;

2)油型氣在底板不同位置涌出的擴散規律不同。在本文的數據背景中，涌出點在掘進機前方時，能與巷道風流混合均勻;涌出點在掘進機后方渦流區時，涌出點上方漏斗形區域CH4濃度在爆炸極限內;涌出點在距掘進頭約20m后的范圍時，油型氣順著風流延軸向方向運動且不與巷道內的風流均勻混合，巷道上部CH4濃度較高，往下遞減;

3)文中設置了矩形涌出源模擬油型氣從裂隙中涌出后的擴散，模擬發現，裂隙平行于掘進方向時，油型氣擴散后CH4濃度在巷道中出現上下分層;裂隙垂直于掘進方向時，油型氣擴散后CH4濃度在高度上的濃度差比較小;圓形涌出及裂隙與掘進方向成45°涌出時，CH4濃度在高度上的濃度曲線在二者之間。這說明，涌出量、涌出位置及其他條件不變時，涌出源的形狀變化對應的CH4濃度變化規律是有跡可循的。

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Numerical simulation of oil-type gas diffusion regularities in roadway excavation

ZHANG Jian-rang1，2，ZHANG Quan1，2，DONG Ding-wen1，2，CHENWei1，2

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China)

∶According to the characteristics of flow field in roadway excavation，a simulation was carried out on mixing procession of airflow and CH4in heading face with CFD fluent，using Realizable k-ε double equationmodel.The heading face airflow field and CH4concentration distribution was discussed. And emission law of oil-type gas at different floor position was compared.The study found thatwhen the point in eddy current region，oil-type gas and airflow mixed more fully.After a certain distance from point to face，oil-type gasmoveswith the airflow and the concentration decreases from top to bottom.E-mission point for the cracks perpendicular to the driving direction，CH4concentration in the height of the gas diffusion after oil type difference is tiny discrepancy;cracks parallel to the driving direction，the concentration of the height is large differences.

∶heading face;numerical simulation;airflow;CH4concentration

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0306

∶1672-9315(2015)03-0307-06

∶2015-04-10責任編輯∶高佳

∶張儉讓(1963-)，男，陜西岐山人，教授，E-mail∶zhaangjr@sohu.com