回風(fēng)大巷示蹤氣體測試礦井外部漏風(fēng)率的最短采樣檢測距離研究

蘭錦江，劉彥青，王俊峰，張 浪，雷殿志，王 飛

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017305；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.中煤西北能源有限公司技術(shù)管理部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307)

《煤礦安全規(guī)程》第158條規(guī)定：“主要通風(fēng)機(jī)必須安裝在地面，裝有通風(fēng)機(jī)的井口必須封閉嚴(yán)密，其外部漏風(fēng)率在無提升設(shè)備時(shí)不得超過5%，有提升設(shè)備時(shí)不得超過15%”。礦井外部漏風(fēng)率直接反映地面主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的有效利用率，礦井外部漏風(fēng)率增大會導(dǎo)致主通風(fēng)機(jī)能耗增大，減小外部漏風(fēng)率對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)具有重要意義。礦井外部漏風(fēng)率測試方法主要包括風(fēng)量直接測定法、示蹤氣體法、瓦斯等值法、精密測風(fēng)儀表法、漏風(fēng)路線風(fēng)阻法、風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)法等[1]，部分學(xué)者[2-4]采用風(fēng)量直接測定法實(shí)測了礦井外部漏風(fēng)率及漏風(fēng)源分布情況，但該方法受當(dāng)前巷道風(fēng)量測試方法及技術(shù)裝備制約，測試精度偏低；孟璋等[5]采用瓦斯等值法實(shí)測了礦井外部漏風(fēng)率，該方法受瓦斯?jié)舛葯z測技術(shù)制約，瓦斯?jié)舛葯z測精度僅為0.02%，測試精度偏低；還有學(xué)者[6-8]采用示蹤氣體法實(shí)測了工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，SF6示蹤氣體濃度檢測精度能夠達(dá)到10-9m3/m3級別。綜上所述，采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風(fēng)率是現(xiàn)階段準(zhǔn)確性最高的方法，示蹤氣體采樣檢測位置處巷道風(fēng)流中示蹤氣體是否分布均勻會直接決定礦井外部漏風(fēng)率測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，從示蹤氣體釋放位置到風(fēng)流中示蹤氣體達(dá)到均勻分布狀態(tài)所在巷道位置之間的巷道長度稱為示蹤氣體最短采樣檢測距離。對于回風(fēng)立井系統(tǒng)而言，只能選擇與回風(fēng)立井相連的回風(fēng)大巷內(nèi)進(jìn)行示蹤氣體采樣檢測，回風(fēng)大巷通常會布置一些風(fēng)門風(fēng)窗等通風(fēng)設(shè)施或者風(fēng)流匯入巷道岔口，不含示蹤氣體的風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)大巷會影響回風(fēng)大巷風(fēng)流中示蹤氣體的彌散過程，不利于回風(fēng)大巷風(fēng)流中示蹤氣體達(dá)到均勻分布狀態(tài)，示蹤氣體采樣檢測過程中應(yīng)該避開風(fēng)門風(fēng)窗這類漏風(fēng)點(diǎn)和風(fēng)流匯入巷道岔口，這樣會導(dǎo)致能夠進(jìn)行示蹤氣體采樣檢測的巷道長度縮短，與“示蹤氣體法中采樣檢測距離越遠(yuǎn)，測試結(jié)果準(zhǔn)確性越高”的測試特點(diǎn)相矛盾，準(zhǔn)確計(jì)算示蹤氣體采樣檢測有效長度有限的回風(fēng)大巷內(nèi)示蹤氣體最短采樣檢測距離對于準(zhǔn)確測試礦井外部漏風(fēng)率具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

1 納林河二號礦井工程概況

納林河二號礦井位于鄂爾多斯高原東南部，為低瓦斯礦井，礦井采用抽出式通風(fēng)方法，礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式，一號回風(fēng)井總回風(fēng)量為中央一號回風(fēng)大巷和中央二號回風(fēng)大巷風(fēng)量之和，二號回風(fēng)井總回風(fēng)量為3-1上回風(fēng)大巷東西兩段風(fēng)量之和。

2 礦井外部漏風(fēng)率測試方案制定及研究問題提出

2.1 漏風(fēng)率測試方案制定及測試誤差分析

礦井地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)位置包括回風(fēng)井防爆門、風(fēng)硐與風(fēng)機(jī)風(fēng)道接口、回風(fēng)井風(fēng)硐等，在地面主通風(fēng)機(jī)葉片之前的回風(fēng)立井、風(fēng)硐、風(fēng)機(jī)風(fēng)道處于負(fù)壓狀態(tài)，在地面主通風(fēng)機(jī)葉片之后的風(fēng)機(jī)風(fēng)道、風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔處于正壓狀態(tài)，礦井地面主通風(fēng)機(jī)主要外部漏風(fēng)量為回風(fēng)井防爆門漏風(fēng)量和回風(fēng)井風(fēng)硐漏風(fēng)量，漏風(fēng)方向?yàn)橥饨缦蚧仫L(fēng)井內(nèi)和風(fēng)硐內(nèi)漏風(fēng)，如圖1所示。

圖1 回風(fēng)立井、風(fēng)硐、風(fēng)機(jī)風(fēng)道漏風(fēng)機(jī)制示意圖Fig.1 Air leakage mechanism of return-air vertical shaft,air roadway and fan air duct

按式(1)計(jì)算多回風(fēng)巷型回風(fēng)立井地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率，測試方法包括風(fēng)量測試法和示蹤氣體測試法。對于多回風(fēng)巷型回風(fēng)立井，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知回風(fēng)巷內(nèi)示蹤氣體流量等于風(fēng)機(jī)風(fēng)流示蹤氣體流量，分別在與回風(fēng)井相連的每條回風(fēng)巷內(nèi)釋放示蹤氣體，實(shí)測該回風(fēng)巷示蹤氣體濃度和風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔出口示蹤氣體濃度，按式(2)計(jì)算得到主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率。

(1)

(2)

示蹤氣體法測試誤差主要原因是回風(fēng)立井各回風(fēng)大巷風(fēng)量與風(fēng)機(jī)風(fēng)量比值的測試時(shí)間不同步，測試時(shí)間間隔可能達(dá)到數(shù)小時(shí)，在數(shù)小時(shí)之內(nèi)除通風(fēng)系統(tǒng)巷道貫通、通風(fēng)設(shè)施故障之外，通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不會發(fā)生大幅度變化。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量由通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻和地面主通風(fēng)機(jī)決定，數(shù)小時(shí)之內(nèi)地面大氣壓波動會使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中所有巷道分支風(fēng)量以相同的比例增加或減小，地面大氣壓波動理論上對回風(fēng)立井的各回風(fēng)巷風(fēng)量與風(fēng)機(jī)風(fēng)量比值影響可以忽略；井下車輛行駛、人員活動會引起通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域風(fēng)阻發(fā)生改變，會導(dǎo)致通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域巷道分支風(fēng)量發(fā)生改變，可能會導(dǎo)致回風(fēng)井各條回風(fēng)巷風(fēng)量與風(fēng)機(jī)風(fēng)量比值發(fā)生改變，會產(chǎn)生一定的測試誤差。

2.2 研究問題提出

礦井外部漏風(fēng)率測試中，地面示蹤氣體濃度采樣檢測位置選擇在主通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散塔出口是合理的，擴(kuò)散塔出口位置示蹤氣體分布是均勻的，含示蹤氣體風(fēng)流在流經(jīng)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉區(qū)域過程中，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)風(fēng)葉會使示蹤氣體與風(fēng)流均勻混合，風(fēng)機(jī)葉片之后風(fēng)道由負(fù)壓變?yōu)檎龎海聚櫄怏w風(fēng)流由風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)會向外界漏風(fēng)，不會影響示蹤氣體在風(fēng)機(jī)風(fēng)流中的均勻分布情況。

納林河二號礦井一號回風(fēng)井和二號回風(fēng)井風(fēng)流均是由兩條回風(fēng)大巷風(fēng)流在井底匯合然后直接進(jìn)入回風(fēng)立井井筒，由于回風(fēng)立井井筒內(nèi)無法進(jìn)行示蹤氣體采樣測試，井下示蹤氣體采樣檢測位置只能布置在與回風(fēng)立井緊連的回風(fēng)大巷內(nèi)，回風(fēng)大巷與進(jìn)風(fēng)巷之間大量的風(fēng)門或風(fēng)窗設(shè)施會導(dǎo)致與回風(fēng)立井緊連的回風(fēng)大巷無風(fēng)流交匯區(qū)段的巷道長度范圍僅為450～580 m。為了采用示蹤氣體測試法準(zhǔn)確測得納林河二號礦井回風(fēng)立井地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率，必須科學(xué)研究確定納林河二號礦井回風(fēng)大巷實(shí)際條件下示蹤氣體的最短采樣檢測距離。基于此，筆者采用理論公式計(jì)算、CFD數(shù)值模擬計(jì)算兩種方法計(jì)算納林河二號礦井回風(fēng)大巷內(nèi)示蹤氣體的最短采樣檢測距離，并通過現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果評判兩種回風(fēng)大巷內(nèi)示蹤氣體最短采樣檢測距離計(jì)算方法的現(xiàn)場應(yīng)用可靠性。

3 回風(fēng)大巷內(nèi)SF6氣體最短采樣檢測距離計(jì)算研究

3.1 回風(fēng)大巷內(nèi)SF6氣體最短采樣檢測距離理論計(jì)算法

井下回風(fēng)大巷內(nèi)示蹤氣體采樣檢測位置處巷道斷面內(nèi)示蹤氣體的均勻分布程度與示蹤氣體釋放位置到采樣檢測位置之間巷道距離、風(fēng)速、巷道斷面尺寸等眾多因素密切相關(guān)密切。當(dāng)示蹤氣體采樣檢測位置處巷道壁面處示蹤氣體濃度與巷道斷面中心處示蹤氣體濃度之比達(dá)到0.95時(shí)，認(rèn)為示蹤氣體在巷道斷面內(nèi)已經(jīng)達(dá)到均勻分布。距釋放位置xm處巷道斷面中心處示蹤氣體濃度按式(3)計(jì)算，距釋放位置xm處距巷道壁面處示蹤氣體濃度按式(4)計(jì)算，式(5)為忽略邊界條件影響條件下距離釋放位置xm處距離巷道壁面處示蹤氣體濃度計(jì)算公式。為了保證理論公式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算中所使用的參數(shù)通過現(xiàn)場測試進(jìn)行取值。實(shí)測各回風(fēng)大巷的風(fēng)速、斷面積、周長，測試結(jié)果見表1，以巷道斷面積、巷道周長計(jì)算巷道當(dāng)量半徑，根據(jù)風(fēng)流中SF6氣體最佳檢測濃度(2×10-8m3/m3)、實(shí)際巷道風(fēng)速、實(shí)際巷道斷面積計(jì)算SF6氣體釋放量，計(jì)算結(jié)果見表1。聯(lián)立式(3)～式(6)，求解得到各回風(fēng)大巷的SF6氣體最短采樣檢測距離，計(jì)算結(jié)果見表1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知中央二號回風(fēng)大巷和3-1上煤層回風(fēng)大巷東段的SF6氣體有效采樣檢測巷道長度小于SF6氣體最短采樣檢測距離計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明，采用示蹤氣體法無法準(zhǔn)確測試礦井外部漏風(fēng)率。

表1 SF6氣體最短采樣距離計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of the shortest sampling distance of SF6 gas

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：c(x,0)為距離釋放點(diǎn)xm處巷道中心處SF6濃度，%；c(x,r)為距離釋放點(diǎn)xm處巷道壁面處示蹤氣體濃度，%；c0(x,r)為忽略邊界條件影響條件下距離釋放點(diǎn)xm處巷道壁面處SF6濃度，%；x為距離SF6釋放位置的距離，m；r為實(shí)際巷道當(dāng)量半徑，m；u為實(shí)際巷道風(fēng)速，m/s；q為SF6氣體釋放量，mL/min；Dr為徑向紊流系數(shù)，取0.52[6]。

3.2 回風(fēng)大巷SF6氣體最短采樣距離CFD模擬法

1) 幾何模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分。以納林河二號礦井一號回風(fēng)井和二號回風(fēng)井的各回風(fēng)大巷為現(xiàn)場原型建立CFD數(shù)值計(jì)算模型，利用GAMBIT建模軟件分別建立回風(fēng)大巷的巷道模型，幾何建模中考慮了回風(fēng)大巷內(nèi)的排水管道，巷道幾何模型局部區(qū)域及網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，一號回風(fēng)井和二號回風(fēng)井各回風(fēng)大巷具體的幾何模型尺寸數(shù)據(jù)見表2。

圖2 模型局部區(qū)域及網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Local area and mesh generation of geometric model

表2 回風(fēng)大巷幾何模型尺寸參數(shù)Table 2 Dimension parameters of geometric modelof return air main roadway

2) 物理數(shù)學(xué)建模。聯(lián)立連續(xù)性方程、動量守恒N-S方程、能量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程、湍流模型方程，建立巷道內(nèi)SF6氣體彌散過程控制方程組，巷道內(nèi)風(fēng)流為紊流狀態(tài)，由于巷道為受限空間且排水管道存在使得巷道風(fēng)流場邊界條件十分復(fù)雜，湍流模型采用REGk-ε模型，該模型適用于計(jì)算高應(yīng)變率及流線彎曲程度大的流體流動過程。計(jì)算模型邊界條件設(shè)置見表3，邊界條件和控制方程組構(gòu)成了能夠計(jì)算回風(fēng)大巷SF6氣體彌散運(yùn)移過程的CFD計(jì)算模型，SF6氣體釋放位置布置在距巷道底板1 m處巷道中心位置。

表3 計(jì)算模型邊界條件Table 3 Boundary conditions of calculation model

3) 數(shù)值模擬結(jié)果分析。以各回風(fēng)大巷實(shí)測風(fēng)速作為數(shù)值模擬中回風(fēng)大巷風(fēng)速條件。根據(jù)巷道風(fēng)速、巷道斷面積、風(fēng)流中SF6氣體最佳檢測濃度(取2×10-8m3/m3)計(jì)算SF6氣體釋放源量，保證各回風(fēng)巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度平均值為2×10-8m3/m3(即nave)。圖3為SF6氣體釋放條件下距釋放源位置不同距離處巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度在[0.95nave，1.05nave]的分布區(qū)域，巷道斷面為同一顏色時(shí)說明巷道斷面內(nèi)SF6氣體達(dá)到均勻分布狀態(tài)，距釋放源越遠(yuǎn)，巷道斷面內(nèi)顏色分布越均勻，必須在顏色分布完全均勻的巷道斷面處進(jìn)行SF6氣體采樣檢測，才能保證準(zhǔn)確測得回風(fēng)大巷內(nèi)風(fēng)流中SF6氣體平均濃度值。

圖3 距釋放位置不同距離處巷道斷面SF6氣體平均分布濃度分布區(qū)域Fig.3 Average concentration distribution area of SF6 gas in roadway sectionat different distance from release location

巷道斷面風(fēng)速場分布情況如圖4所示。由圖4可知，各回風(fēng)大巷斷面內(nèi)風(fēng)速是非均勻分布的，這會影響SF6氣體在巷道斷面內(nèi)的彌散過程。各回風(fēng)大巷的最短采樣檢測距離數(shù)值模擬結(jié)果見表1，根據(jù)公式計(jì)算法得到的各回風(fēng)大巷最短采樣檢測距離均小于各回風(fēng)大巷的SF6氣體有效采樣檢測段巷道長度，計(jì)算結(jié)果表明，采用SF6示蹤氣體法能夠測試礦井外部漏風(fēng)率。

圖4 巷道斷面風(fēng)速場分布情況Fig.4 Distribution of wind speed field in roadway section

4 SF6氣體最短采樣距離計(jì)算方法的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了對比分析兩種示蹤氣體最短采樣檢測距離計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，在地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率現(xiàn)場實(shí)測過程中分別對兩種方法計(jì)算所得的最短采樣檢測距離處以及最短采樣距離向前20 m的巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度進(jìn)行實(shí)測，巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度檢測采樣位置布置如圖5所示，SF6氣體濃度檢測結(jié)果見表4和表5。實(shí)測結(jié)果顯示，采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算確定的四條回風(fēng)大巷最短采樣檢測距離處巷道斷面內(nèi)SF6氣體達(dá)到均勻分布狀態(tài)，而最短采樣距離向前20 m處巷道斷面內(nèi)SF6氣體尚未達(dá)到均勻分布狀態(tài)；采用理論公式計(jì)算確定的3-1上煤層回風(fēng)大巷西段最短采樣距離處巷道斷面內(nèi)示蹤氣體未達(dá)到均勻分布狀態(tài)，中央一號回風(fēng)大巷最短采樣距離處巷道斷面內(nèi)示蹤氣體達(dá)到均勻分布狀態(tài)，其余兩條回風(fēng)大巷的最短采樣檢測距離均超過各條回風(fēng)大巷的示蹤氣體采樣檢測的有效長度，無法進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。實(shí)測結(jié)果表明能夠采用SF6示蹤氣體法進(jìn)行礦井外部漏風(fēng)率測試。

表4 最短采樣檢測距離對應(yīng)的巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度實(shí)際檢測值Table 4 Actual detection value of SF6 gas concentration in the roadway section correspondingto the shortest sampling distance calculated

表5 最短采樣檢測距離向前20 m處巷道斷面內(nèi)SF6氣體濃度實(shí)際檢測值Table 5 Actual detection value of SF6 gas concentrationin roadway section 20 m ahead of the shortest samplingdistance calculated

圖5 SF6氣體檢測位置圖Fig.5 Layout of SF6 gas detection position

研究表明，示蹤氣體最短采樣檢測距離CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性明顯高于理論公式計(jì)算法，對于示蹤氣體有效采樣檢測長度有限的巷道可采用CFD數(shù)值模擬方法計(jì)算考察示蹤氣體最短采樣檢測距離，以確定能否采用示蹤氣體測試法進(jìn)行礦井外部漏風(fēng)率測試。以CFD數(shù)值模擬方法確定的SF6氣體最短采樣檢測距離進(jìn)行礦井外部漏風(fēng)率測試，一號回風(fēng)井地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率示蹤氣體法測試結(jié)果為2.62%，二號回風(fēng)井地面主通風(fēng)機(jī)外部漏風(fēng)率示蹤氣體法測試結(jié)果為2.75%。

5 結(jié) 論

1) 以現(xiàn)場風(fēng)速、巷道斷面尺寸等實(shí)測數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)，采用理論公式法直接計(jì)算得到各回風(fēng)大巷內(nèi)SF6氣體最短采樣檢測距離，計(jì)算結(jié)果顯示一號回風(fēng)立井和二號回風(fēng)立井均不宜采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風(fēng)率。以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為建模參數(shù)，構(gòu)建了回風(fēng)大巷SF6氣體彌散運(yùn)移過程CFD數(shù)值計(jì)算模型，通過模擬各回風(fēng)大巷內(nèi)SF6氣體濃度場分布情況，確定了各回風(fēng)大巷內(nèi)SF6氣體最短采樣檢測距離，計(jì)算結(jié)果顯示一號回風(fēng)立井和二號回風(fēng)立井均可以采用示蹤氣體法測試礦井外部漏風(fēng)率。

2) 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果顯示采用CFD數(shù)值模擬法計(jì)算確定的回風(fēng)大巷最短采樣檢測距離處巷道斷面內(nèi)SF6氣體均達(dá)到均勻分布狀態(tài)，理論公式法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際之間的偏差明顯大于CFD數(shù)值模擬法計(jì)算結(jié)果，研究表明采用CFD數(shù)值模擬法能夠準(zhǔn)確計(jì)算回風(fēng)大巷內(nèi)示蹤氣體的最短采樣檢測距離，采用CFD數(shù)值模擬法能夠?qū)ΦV井外部漏風(fēng)率示蹤氣體測試法的現(xiàn)場適用性進(jìn)行科學(xué)論證。