煤與瓦斯突出氣體逆流影響模式研究*

高布桐，韋善陽，曲日紅，張 林，張 勇，黃 聰

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025)

0 引言

煤炭工業是我國國民經濟的基礎產業，在今后較長的時期內，我國以煤為主的能源安全基本戰略不會發生改變。我國煤與瓦斯突出等災害嚴重，比如貴州90%以上的大中型煤礦為煤與瓦斯突出礦井，嚴重制約了煤炭工業可持續安全發展[1]。從大量的煤與瓦斯突出事故案例中得知，煤與瓦斯突出災害事故會破壞井下通風系統，造成突出的高濃度瓦斯逆流運移，并在主要通風機負壓的作用下沿井下巷道大面積運移擴散，從而釀成重大、特別重大事故[2]。

近百年來，許多學者致力于礦井瓦斯防治與利用的研究，尤其在瓦斯涌出預測和機理方面的系統研究已獲顯著成果，對于突出機理提出了幾十種假說，對煤層內瓦斯氣體的運移從不同角度在試驗室和井下工作面進行探索研究，對瓦斯抽放的研究日漸深入，采用理論模型、試驗研究、數值模擬等手段，在煤巖層內的瓦斯流動、運移、放散規律方面取得了許多成果[3-5]。隨著數值模擬等技術應用于煤礦領域，在實現數字化礦山目標的過程中，不少學者使用數值模擬方法研究礦井通風和瓦斯氣體運移，取得了一定的成果，但由于小范圍的突出瓦斯氣體逆流現象在監測上存在一定難度，且由于瓦斯逆流本身并不屬于礦井動力災害，多數煤礦對于此現象的監測重視性還不夠，對于其逆流運移過程的研究還不是很多。

鑒于前人對瓦斯逆流影響因素缺乏系統性研究，且研究結果尚未考慮到實際工程應用中。本文根據已有成果，用數值模擬探究風速對瓦斯逆流的影響[6]，在此基礎上，采用理論分析、相似試驗、數值模擬和案例驗證的方法，研究煤與瓦斯突出氣體逆流影響模式，研究結果可為預防瓦斯爆炸、窒息等二次災害事故的發生提供理論幫助。

1 理論分析

1.1 基礎理論方程

1.1.1 連續性方程

以文獻[7]為基礎，假設氣體為理想流體，整個氣體運移過程中視為連續流。將氣體運移過程中的巷道壓力視為無變化。忽略密度變化，得式(1)：

(1)

式中：vx，vy，vz為x，y，z方向上氣體流速，m/s。

1.1.2 能量方程

為方便計算，忽略氣體運移阻力，假設作用在氣體上的力只有重力，即X=0，Y=0，Z=-g，得式(2)：

(2)

式中：PA為氣體壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；ρ為氣體密度，g/m3。

1.1.3 組分質量守恒方程

本文研究的巷道中流體組分為甲烷—空氣，這里可單獨列出瓦斯的組分質量方程[7]。忽略密度的變化，令ρ=KM，則有式(3)：

(3)

式中：CM為組分M的體積濃度，%；DM為組分M的擴散系數；SM為組分M的生產率。

1.2 突出后瓦斯氣體擴散運移規律

巷道中發生瓦斯突出后氣體的流動形態屬于紊流，氣體在紊流作用下會發生擴散和彌散，本文分為只考慮擴散作用、考慮擴散和彌散作用2種情況進行研究。

1.2.1 忽略彌散作用僅考慮擴散作用的氣體濃度變化規律

對于不可壓縮流體，在擴散過程中瓦斯的總體積變化較小可忽略，瓦斯濃度隨時間變化。在一維流動的流場中取任意一微元，沿x軸方向流入流場內的瓦斯氣體流量如式(4)：

(4)

同理得沿x軸方向流出流場內的瓦斯氣體流量如式(5)：

(5)

則瓦斯氣體變化量如式(6)：

(6)

式中：δW為任意時間段內瓦斯氣體流量的變化量；C為瓦斯平均體積濃度，%；v為流場內平均風速，m/s；Dm為瓦斯運移過程中的分子擴散系數；Dt為紊流擴散系數。

忽略瓦斯氣體受物理化學作用引起的改變，由質量守恒定律推導得瓦斯氣體一維流動擴散規律如式(7)：

(7)

根據文獻[8]，通常情況下Dt>>Dm，因此，計算時忽略Dm，根據菲克第二定律對式(7)積分得瓦斯氣體在第n個小區域時的一維濃度分布規律如式(8)：

(8)

式中：Q為瓦斯氣體生成量，m3；x0為該點據瓦斯涌出點的距離，m；tm為瓦斯氣體首次到達該區域的時間，s。

1.2.2 考慮彌散作用的氣體濃度變化規律

根據式(8)，當考慮氣體在巷道中的彌散作用時，瓦斯一維流動的濃度分布規律如式(9)：

(9)

式中：D為混合系數，即紊流彌散系數、紊流擴散系數和分子擴散系數之和。根據文獻[9-10]，從數值方面考慮，在計算時可僅考慮紊流彌散系數。

根據李恩良[11]提出的作圖法得紊流彌散系數如式(10)：

(10)

式中：DL為紊流彌散系數；tA,tB為取任意濃度為平行于t軸的直線與文獻[11]所作曲線的交點對應的時刻，s。

則考慮彌散作用時瓦斯濃度分布規律如式(11)：

(11)

1.2.3 2種方法對比

引用文獻[12]對考慮彌散作用和僅考慮擴散作用2種情況下瓦斯濃度變化規律進行對比，如圖1所示。

圖1 有、無彌散作用影響2種情況下瓦斯濃度變化規律

由圖1可以看出，有、無彌散作用時瓦斯濃度隨時間的變化規律趨勢一致，迅速上升至峰值后緩慢下降趨于平穩。為方便計算本文僅考慮擴散作用。

2 相似試驗

2.1 試驗原理

根據相似理論建立模擬巷道模型，具體取值如下。

1)幾何相似參數：所選巷道原型為尺寸3 m×3 m×180 m的一段水平貫通巷道，取幾何相似比λL=30，θ0=0，建立試驗模型尺寸為0.1 m×0.1 m×6 m。

2)運動相似參數：根據規定煤礦井下巷道允許風速區間為0.15～4 m/s。取氣體速度比值λv=1，加速度比值λa=1，流量比值λq=λvλL2=900。

3)動力相似參數：巷道內的風流狀態均為湍流，根據尼古拉茲 “自?；癄顟B”，建立相似試驗的模型時不要求與原巷道模型雷諾數一致[13]。

2.2 試驗內容及方案

2.2.1 試驗內容

為避免危險，在試驗時以少量黑火藥爆炸瞬間產生的大量氮氧化物氣體模擬瓦斯突出瞬間大量涌出的高濃度瓦斯氣體。滿足相似原理時，氮氧化物氣體在巷道中運移規律與瓦斯相似[13]。模擬掘進工作面發生瓦斯突出，通過改變試驗樣品量和風速，研究瓦斯突出后氣體在通風狀態下的運移擴散規律以及不同因素對氣體運移過程和濃度變化的影響。試驗模型為亞克力板搭建的一段水平貫通巷道，主要試驗設備為130FLJ5型離心式風機、風速測試儀、濃度傳感器、壓力傳感器和ZDKT-1型煤巖動力災害試驗模擬系統，組成試驗系統如圖2所示。放入不同量的黑火藥，使用風機進行壓入式通風，在距離黑火藥爆炸0.35，1.55，2.75，3.95 m處布置監測點。

圖2 試驗系統示意

2.2.2 試驗方案

1)氣體運移擴散規律試驗

取0.1 g樣品，在風速1.0 m/s時研究氣體在通風狀態下的運移擴散規律。

2)相關因素影響效應的對照試驗

引用文獻[14]試驗數據與本文形成2組對照試驗。

①同一時刻，固定風速，氣體量不同，具體參數見表1。

表1 相同風速下不同試驗樣品量參數

②同一時刻，氣體量相同，風速不同，具體參數見表2。

表2 相同試驗樣品量下不同風速參數

2.3 結果分析

2.3.1 氣體擴散規律

利用Origin擬合工具，對選取0.1 g樣品爆炸后氣體在0.35，3.95 m處的濃度變化數據與前文公式(11)進行擬合，如圖3所示。

圖3 0.1 g黑火藥爆炸產生氣體濃度變化的擬合曲線

由圖3可知，各曲線擬合效果良好，說明擬合具有實際意義，達到了前文擴散模型和相似試驗的雙向驗證。從變化趨勢看，爆炸后氣體濃度先上升后下降，且上升速度大于下降速度。氣體在運移過程中氣體量逐漸減小，距離越遠，氣體初至時間越長，濃度越小。隨距離增加，氣體濃度峰值逐漸減小，且減小速率隨距離增加逐漸變緩。

2.3.2 相關因素影響效應的對照試驗

1)同時刻，風速1.0 m/s時，不同樣品量(0.02，0.08，0.2 g)在0.35，3.95 m處氣體濃度如圖4所示。

圖4 風速1 m/s時不同樣品量的氣體濃度對比

從圖4可看出，風速、時刻和測點位置相同時，氣體量越大，氣體濃度越高。隨時間推移，氣體濃度均下降且速度減緩。

2)同時刻，0.08 g樣品在不同風速下(0.8，1.0，1.2 m/s)的氣體運移情況如圖5所示。

圖5 0.08 g黑火藥不同風速氣體濃度對比

從圖5可看出，隨時間推移，氣體在通風狀態下運移時濃度逐漸降低，其他條件一致，風速越大，氣體濃度降低速率越快，降幅越大。當巷道模型中氣體流動穩定后，風速越大，氣體濃度越小。

由對照試驗可知：瓦斯涌出量和風速影響突出后氣體逆流運移過程。其他條件一定，瓦斯涌出量越大，巷道內瓦斯濃度越高，濃度下降速率越慢；風速越大濃度變化幅值越大，降低速率越快，在同一時刻的濃度越小。

3 數值模擬

利用Fluent軟件模擬不同風速、瓦斯涌出量下瓦斯突出后氣體逆流過程，觀察其影響模式。

3.1 模型建立及網格劃分

按前文相似試驗系統的巷道模型尺寸1∶1比例建立瓦斯突出后氣體逆流運移的幾何模型。利用Fluent Meshing軟件對該模型進行非結構化網格劃分，經檢驗網格質量良好，可進行后續計算。

以風筒代替試驗系統中的局部風機，采用壓入式通風，構建1個凸臺作為瓦斯突出口，瓦斯從左至右進入，空氣從右至左進入。在模型中z=50 mm處布置1條監測線，監測線上x=0.35，1.55，2.75，3.95 m處布置4個監測點，簡化后的幾何模型二維示意如圖6所示。

圖6 簡化后幾何模型示意

3.2 參數設置

選擇標準k-ε湍流模型，CH4-空氣組分運輸模型。進風口和瓦斯突出口均選擇Velocity-Inlet作為入口邊界，出口邊界選擇Outflow，巷道內初始流體為Air，初始溫度293.15 K，初始壓強93.25 kPa。

3.3 不同風速對逆流的影響

設置瓦斯噴出速度為10 m/s，噴出時間固定為0.1 s，模擬瓦斯在風速2，5，8 m/s時逆流過程及瓦斯濃度變化情況。

3.3.1 風速為2 m/s

如圖7所示，巷道發生瓦斯突出后迅速聚集形成瓦斯團，在通風狀態下向風流反方向運移，瓦斯影響范圍逐漸變大，濃度范圍也逐漸減小，說明瓦斯逆流運移時會發生擴散。

圖7 風速為2 m/s時不同時刻的瓦斯濃度分布

監測線和監測點上不同時刻的瓦斯濃度曲線如圖8～9所示。

圖8 監測線上不同時刻的瓦斯濃度

圖9 各監測點瓦斯濃度隨時間變化

從圖8～9可看出，隨瓦斯逆流距離增大，瓦斯的初至時間也增長，上升至峰值濃度的時間也越來越長，而氣體濃度的變化幅度逐漸減小。各時刻瓦斯濃度先上升后下降，且上升速度遠高于下降速度。隨時間增大，瓦斯濃度峰值也逐漸減小，符合試驗結果。

3.3.2 風速為5，8 m/s

風速為5，8 m/s時，不同時刻的瓦斯濃度分布云圖如圖10所示。

圖10 風速為5,8 m/s時不同時刻的瓦斯濃度分布

3.3.3 對比分析

根據前文模擬結果，風速對瓦斯逆流的運移過程、速度及濃度變化情況均會產生影響。由圖7，10可看出，風速越大，瓦斯逆流時的聚集效果越明顯，說明增大風速可以抑制瓦斯擴散，縮小致災范圍。對比同一時刻(t=5 s)3種風速下瓦斯運移情況如圖11，可看出，風速8 m/s時，瓦斯團主體部分已經運移至3.5 m處，而在風速2 m/s時瓦斯整體部分運移的最遠距離在1.5 m處，由此說明，風速越大，瓦斯逆流速度越快。

圖11 t=5 s時3種風速下的瓦斯濃度曲線

對比不同風速下同一測點和同一時間的瓦斯峰值濃度變化如圖12～13，可看出，其他條件一定，風速越大，同一位置或同一時間的瓦斯濃度峰值越小，瓦斯降至安全濃度的時間就越短。

圖12 不同風速同一測點瓦斯濃度峰值變化曲線

圖13 不同風速同一時間瓦斯濃度峰值變化曲線

3.4 不同瓦斯涌出量對瓦斯逆流的影響

設置風速2 m/s，瓦斯噴出速度10 m/s，利用瓦斯噴出時間的長短來控制瓦斯涌出量的大小，模擬瓦斯噴出時間在0.5，1.0 s時逆流運移的過程及瓦斯濃度的變化情況如圖14，并與上一節瓦斯噴出0.1 s時對比。

圖14 瓦斯噴出時間為0.5,1.0 s時不同時刻的瓦斯濃度分布

對比圖7和圖14可知，瓦斯噴出0.1 s時氣體在60 s時即將運移出巷道，而瓦斯噴出1 s時氣體運移到同一位置需140 s，由此說明，當風速不變時，瓦斯涌出量越大，瓦斯逆流速度越慢，持續時間越長。

對比不同瓦斯涌出量在0.35，3.95 m處氣體濃度如圖15所示。

圖15 不同瓦斯涌出量在不同測點的濃度變化

由圖15可知，從時間上看，瓦斯涌出量越大，其在巷道內逆流運移時在同一測點時的初至時間越短，濃度上升至峰值的時間越短；從濃度變化來看，瓦斯涌出量越大，氣體濃度峰值越大，變化幅度也越大，對比3種瓦斯涌出量的濃度曲線斜率可看出，瓦斯涌出量大時氣體濃度上升速度較快，而下降速度較慢。

4 案例驗證

查閱相關事故案例資料，對上述試驗和模擬結果進行驗證，增強其結論可靠性。

4.1 群力煤礦“11·8”特別重大煤與瓦斯突出事故

群力煤礦“11·8”特別重大煤與瓦斯突出事故[15]是瓦斯逆流引發爆炸的典型案例，瓦斯逆流波及到了整個礦井，礦井各處的瓦斯濃度變化具體情況見表3。

表3 礦井各處瓦斯濃度變化情況

結合表3和文獻[15]可以看出，瓦斯逆流距離隨瓦斯涌出量的增大而增大。隨著時間推移，瓦斯濃度先迅速上升后逐漸緩慢降至原濃度，這一變化符合瓦斯逆流運移規律的試驗和數值模擬結果。

4.2 新興煤礦“11·21”特別重大瓦斯爆炸事故

對新興煤礦“11·21”特別重大瓦斯爆炸事故[16]發生瓦斯逆流后的具體情況統計見表4。

表4 新興煤礦逆流具體參數統計

從表4可看出，發生逆流時巷道內的風量越大，瓦斯逆流速度越快，且隨時間推移發生擴散。瓦斯逆流可以在巷道中持續一段時間，瓦斯逆流距離隨瓦斯涌出量的增大而增大，距離越遠，波及范圍越廣。驗證了上述試驗與模擬的準確性。

4.3 案例總結

據統計，群力煤礦“11·8”特別重大煤與瓦斯突出事故中突出瓦斯37 283 m3，逆流距離近600 m；新興煤礦“11·21”特別重大瓦斯爆炸事故中突出瓦斯1.6×105m3，逆流距離2 000 m。由此可看出，瓦斯涌出量越大，瓦斯逆流距離越遠，波及范圍越廣。

5 結論

1)在前人研究基礎上，優化得出適用于本文研究前提的連續性方程、能量方程和組分質量方程。推導得出考慮彌散和擴散作用、僅紊流擴散作用時的瓦斯濃度分布規律。

2)通過相似試驗驗證前文推導的瓦斯濃度分布規律，并得出風速和氣體量對瓦斯逆流運移產生影響：氣體量越大，氣體濃度越高，濃度下降速率越慢；風速越大，濃度變化幅值越大，降低速率越快，同一時刻的濃度越小。

3)通過數值模擬得出風速越大，瓦斯逆流速度越快，同一位置或同一時間的瓦斯濃度峰值越??；瓦斯涌出量越大，同一位置上升至峰值時間越短，且瓦斯涌出量大時氣體濃度上升速度大于下降速度，符合試驗結果。

4)通過對群力煤礦“11·8”特別重大煤與瓦斯突出事故和新興煤礦“11·21”特別重大瓦斯爆炸事故的案例分析，驗證試驗和模擬結果的可靠性。