高建良 王春霞

河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

巷道中瓦斯涌出位置對(duì)瓦斯分布的影響規(guī)律模擬

高建良 王春霞

河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院

為了防止瓦斯積聚,確保礦井安全生產(chǎn),必須準(zhǔn)確掌握瓦斯涌出位置對(duì)巷道中瓦斯分布與瓦斯積聚位置的影響規(guī)律。基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基本理論,利用Fluent軟件,在湍流充分發(fā)展區(qū),使用標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型,對(duì)不同瓦斯涌出位置對(duì)巷道中的瓦斯分布與積聚進(jìn)行數(shù)值模擬,分析研究了瓦斯涌出位置對(duì)巷道中瓦斯分布的影響規(guī)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(guī)律。模擬結(jié)果表明:瓦斯涌出位置對(duì)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(fā)生瓦斯積聚;側(cè)壁涌出瓦斯時(shí),斷面上側(cè)壁與頂板處瓦斯?jié)舛缺戎行膮^(qū)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(shù)值模擬

0 引言

隨著煤層開(kāi)采進(jìn)入瓦斯含量較大的深部和采煤生產(chǎn)能力的提高,瓦斯涌出量大幅度增加,瓦斯積聚造成的瓦斯?jié)舛瘸蕹蔀楫?dāng)前礦井最大的安全隱患。礦井通風(fēng)是防止瓦斯積聚,確保礦井安全生產(chǎn)的重要手段。研究和掌握礦井風(fēng)流和巷道空間瓦斯分布與積聚規(guī)律,對(duì)于防止瓦斯積聚、預(yù)防瓦斯爆炸、保證礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。很多研究人員對(duì)采空區(qū)、回采工作面、掘進(jìn)巷道、貫通巷道中的瓦斯分布與瓦斯積聚規(guī)律做了大量研究工作[1-9],對(duì)于巷道中瓦斯運(yùn)移機(jī)理、瓦斯的上浮效應(yīng)等有了清晰的認(rèn)識(shí)。但是對(duì)于瓦斯涌出位置對(duì)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(shí)驗(yàn)研究了回采工作面下行通風(fēng)時(shí)瓦斯涌出和分布規(guī)律,但由于模型條件的限制,以離散孔隙涌出的瓦斯來(lái)近似代替實(shí)際工作面中均勻涌出的瓦斯,得出的瓦斯分布與實(shí)際工作面中的瓦斯分布會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,數(shù)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(huì)引起巷道內(nèi)部氣流密度的變化,瓦斯涌出點(diǎn)附近的瓦斯使該區(qū)域空氣—瓦斯混合氣體的密度降低,因此應(yīng)考慮浮升力的影響。浮升力的作用使得當(dāng)瓦斯從巷道頂板、側(cè)幫、底板等不同位置涌出時(shí)其分布規(guī)律差別很大。為了準(zhǔn)確掌握瓦斯涌出位置對(duì)巷道中瓦斯分布與瓦斯積聚位置的影響,有必要對(duì)瓦斯涌出點(diǎn)不同時(shí)巷道中的瓦斯分布進(jìn)行更深入的研究。筆者對(duì)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(shí),巷道中瓦斯分布進(jìn)行數(shù)值模擬,得出不同瓦斯涌出點(diǎn)時(shí)貫通巷道中瓦斯分布的一般規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)及物理模型

1.1 數(shù)學(xué)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(shí)假定壁面絕熱,且假定流場(chǎng)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(dòng)力粘滯系數(shù)(μt)可作為標(biāo)量處理;流動(dòng)近似為穩(wěn)態(tài)流動(dòng),滿足Boussinesq假設(shè)。瓦斯紊流擴(kuò)散的控制方程包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)、動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)和組分傳輸方程。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε兩方程模型,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁面處的流動(dòng)。

對(duì)于巷道中瓦斯紊流擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)流動(dòng),根據(jù)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(gè)方向上的速度分量; <為模型通用因變量,可代表速度、紊流動(dòng)能、紊流動(dòng)能耗散率、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù);Γ<為與<對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù); S<為與<對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)。

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(dòng)充分發(fā)展區(qū)域內(nèi)的瓦斯分布,在笛卡爾坐標(biāo)系下建立關(guān)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(zhǎng)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(hù)(為研究方便,將巷道支護(hù)斷面簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為0.1 m的正方形),支護(hù)間距為1 m。模型的一端作為風(fēng)流入口,另外一端為風(fēng)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(dòng)充分發(fā)展區(qū)域瓦斯分布,應(yīng)避開(kāi)巷道出口、入口風(fēng)流的影響。通過(guò)大量數(shù)值模擬的預(yù)備實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)模擬巷道總長(zhǎng)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(shè)為速度入口(velocity-inlet),風(fēng)流垂直于模型巷道入口均勻進(jìn)入巷道。

2)出口邊界:設(shè)為自由出流(outflow),即5 ui/ 5xi=0。

3)壁面邊界:所有壁面上施加無(wú)滑移邊界條件,即Ui=0,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理,壁面以絕熱對(duì)待[10]。

4)瓦斯源項(xiàng):采用源項(xiàng)來(lái)處理瓦斯涌出,即認(rèn)為瓦斯從靠近涌出地點(diǎn)近壁面第一層網(wǎng)格單元涌出,這些單元的源項(xiàng)SS等于單位時(shí)間、單位體積內(nèi)瓦斯的生成量。根據(jù)瓦斯涌出量的大小設(shè)置瓦斯源項(xiàng),假設(shè)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(shí)間內(nèi)一定量的瓦斯均勻涌出,涌出量為0.006 4 m3/s。

3 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)以上數(shù)學(xué)、物理模型以及邊界條件,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的軟件Fluent,對(duì)巷道中瓦斯分別從頂板、兩幫壁面和底板涌出時(shí)紊流風(fēng)流中的瓦斯分布進(jìn)行模擬解算。

3.1 瓦斯涌出位置對(duì)巷道縱剖面上瓦斯分布的影響

當(dāng)瓦斯從貫通巷道頂板、兩幫煤壁、底板涌出時(shí),過(guò)巷道中軸線縱剖面上的瓦斯?jié)舛确植挤謩e如圖2、3和圖4所示。

圖2 頂板處為瓦斯源時(shí)巷道縱剖面上瓦斯?jié)舛确植紙D(傾角0°,x=0 m)

圖3 側(cè)壁處為瓦斯源時(shí)巷道縱剖面上瓦斯?jié)舛确植紙D(傾角0°,x=0 m)

圖4 底板處為瓦斯源時(shí)巷道縱剖面上瓦斯?jié)舛确植紙D(傾角0°,x=0 m)

由圖可以看出,當(dāng)瓦斯從巷道頂板涌出時(shí),由于浮力的作用,瓦斯與空氣難以混合,頂板瓦斯?jié)舛雀?頂板處形成大約長(zhǎng)8 m的瓦斯積聚層。當(dāng)巷道兩幫壁面涌出瓦斯時(shí),在瓦斯涌出點(diǎn)(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(shuō)明壁面涌出的瓦斯在浮力與風(fēng)流的雙重作用下,沿煤壁向上和風(fēng)流方向兩個(gè)方向運(yùn)移。當(dāng)瓦斯從巷道底板涌出后,在體積力作用下上浮的過(guò)程中與風(fēng)流發(fā)生對(duì)流運(yùn)移,且在上浮過(guò)程中與空氣混合,整個(gè)斷面上瓦斯?jié)舛确植驾^均勻。

3.2 瓦斯涌出位置對(duì)巷道橫斷面上瓦斯分布的影響

取瓦斯分別從頂板、側(cè)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(kāi)瓦斯源一段距離z=90.5 m處橫斷面上的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行對(duì)比分析(如圖5、6所示)。

圖5 z=73.5 m橫斷面瓦斯?jié)舛确植紙D

圖6 z=90.5 m橫斷面瓦斯?jié)舛确植紙D

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(fā)生瓦斯積聚分層現(xiàn)象。側(cè)壁涌出的瓦斯在風(fēng)流和上浮力的作用下沿煤壁向頂板方向運(yùn)移,同時(shí)瓦斯在分子擴(kuò)散作用下向斷面中心區(qū)域擴(kuò)散。因此,斷面上側(cè)壁和頂板附近瓦斯?jié)舛缺葦嗝嬷行膮^(qū)域高。底板涌出的瓦斯比較容易與空氣混合,底板處瓦斯?jié)舛却笥?%的區(qū)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(lái)與空氣混合,而瓦斯從頂板涌出后沒(méi)有充足的空間與空氣混合。因此,頂板涌出瓦斯時(shí)頂板處的瓦斯?jié)舛缺鹊装逵砍鐾咚箷r(shí)底板處的瓦斯?jié)舛雀吆芏?瓦斯積聚的區(qū)域也要大很多。

圖6顯示了巷道頂板、兩幫側(cè)壁和底板涌出的瓦斯與風(fēng)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(cè)壁涌出的瓦斯在整個(gè)斷面上分布的比較均勻,這是因?yàn)橥咚挂徊糠痔幵谙锏乐行?即風(fēng)流的核心區(qū)),瓦斯受核心風(fēng)流的作用比較大;底板涌出的瓦斯在風(fēng)流和浮力的作用下與空氣混合,由于底板附近的風(fēng)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(jié)論

1)當(dāng)瓦斯從巷道頂板涌出時(shí),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(xiàn)瓦斯在頂板積聚分層現(xiàn)象,上部瓦斯?jié)舛雀?下部瓦斯?jié)舛鹊汀?/p>

2)壁面涌出的瓦斯在浮力與風(fēng)流的雙重作用下,沿煤壁向上和風(fēng)流方向兩個(gè)方向運(yùn)移,在瓦斯涌出點(diǎn)附近頂板處有小范圍的高濃度瓦斯分布,斷面上側(cè)壁和頂板附近瓦斯?jié)舛缺戎行膮^(qū)域高。

3)當(dāng)瓦斯從巷道底板涌出后,在體積力作用下上浮過(guò)程中與空氣混合,斷面上瓦斯?jié)舛确植驾^均勻,不容易產(chǎn)生積聚現(xiàn)象。

[1]高建良,徐昆倫,吳研.掘進(jìn)巷道瓦斯分布數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(1):18-24.

[2]高建良,吳研,徐昆侖.瓦斯分布與風(fēng)量及瓦斯涌出量關(guān)系的數(shù)值模擬[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,26 (6):609-612.

[3]高建良,羅娣.巷道風(fēng)流中瓦斯逆流現(xiàn)象的數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(3):319-323.

[4]梁棟,吳強(qiáng).低雷諾數(shù)風(fēng)流中瓦斯上浮機(jī)理及其實(shí)驗(yàn)研究[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2001,11(3):10-12.

[5]梁棟.煤壁瓦斯自然上浮運(yùn)動(dòng)機(jī)理[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,19(1):48-50.

[6]梁棟,周西華.回采工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,18(4):337-341.

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

[8]王恩元,梁棟,柏發(fā)松.巷道瓦斯運(yùn)移機(jī)理及運(yùn)移過(guò)程的研究[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1996,14(2):130-135.

[9]傅培舫,王國(guó)超,葉汝陵.巷道頂板瓦斯積聚現(xiàn)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(qiáng).獨(dú)頭巷道受限貼附射流流場(chǎng)特征模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)工程科學(xué),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(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào):IRT0618);河南省高校杰出人才創(chuàng)新工程項(xiàng)目(編號(hào):2004KYCX005)。

高建良,1963年生,教授,博士生導(dǎo)師,日本九州大學(xué)工學(xué)博士,國(guó)家安全生產(chǎn)專(zhuān)家;現(xiàn)任河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)。地址:(454003)河南省焦作市河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)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(duì)瓦斯分布的影響規(guī)律模擬.天然氣工業(yè),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