王兵建，張亞偉，席國(guó)軍,2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)工程部，陜西 咸陽(yáng) 710065)

圓筒煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯分布規(guī)律研究

王兵建1，張亞偉1，席國(guó)軍1,2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)工程部，陜西 咸陽(yáng) 710065)

為掌握長(zhǎng)平煤礦選煤廠圓筒煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯分布規(guī)律，了解其主要影響因素，依據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量、組分守恒定律建立數(shù)學(xué)模型，采用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析。研究表明：由于內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，煤倉(cāng)倉(cāng)下通風(fēng)不暢，當(dāng)環(huán)境風(fēng)力等級(jí)較低或冬季通風(fēng)窗關(guān)閉后，倉(cāng)下部分處于微風(fēng)狀態(tài)，瓦斯?jié)舛绕毡槌^(guò)安全濃度范圍，嚴(yán)重影響選煤廠的安全生產(chǎn)。該研究有利于深入認(rèn)識(shí)圓筒煤倉(cāng)倉(cāng)下瓦斯積聚原因和分布規(guī)律，為選煤廠及時(shí)制訂安全防范措施提供理論依據(jù)。

圓筒煤倉(cāng)；瓦斯分布規(guī)律；Fluent模擬；內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)；風(fēng)力等級(jí)

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和運(yùn)輸能力大幅提升，井下煤炭運(yùn)輸周期大大縮短，煤體中更多的吸附瓦斯來(lái)不及釋放就進(jìn)入煤倉(cāng)，且倉(cāng)內(nèi)煤炭?jī)?chǔ)量大，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，下部壓力大，煤中的吸附瓦斯不易釋放。放煤時(shí)吸附的瓦斯隨煤在出煤口處釋放，往往使出口處瓦斯?jié)舛仍龈撸绻藭r(shí)通風(fēng)不暢，就會(huì)使倉(cāng)下部分瓦斯積聚，遇到火源時(shí)易引發(fā)燃燒或爆炸事故[1]。瓦斯作為廠礦的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源[2]越來(lái)越受人們的重視。美國(guó)礦業(yè)局組織專家研究了儲(chǔ)煤倉(cāng)瓦斯釋放特性[3]，并對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)釋放的絕大部分瓦斯滯留在煤倉(cāng)煤粒間的空隙中[4]。加拿大礦業(yè)與能源技術(shù)中心也開(kāi)展了煤倉(cāng)瓦斯積聚的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)原煤倉(cāng)煤堆中的瓦斯?jié)舛仍? h內(nèi)可達(dá)到4%，精煤倉(cāng)煤堆中的瓦斯?jié)舛葎t可達(dá)20%，甚至高達(dá)40%[5]。張盼福[6]通過(guò)利用自然通風(fēng)原理設(shè)計(jì)的焚風(fēng)塔對(duì)屯蘭礦選煤廠的瓦斯進(jìn)行治理。李樹(shù)軍[7]針對(duì)成莊礦選煤廠提出了利用直通管的負(fù)壓抽吸作用，實(shí)現(xiàn)依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)排放和控制塊煤倉(cāng)的瓦斯。郭雅迪等[8]利用Fluent開(kāi)展了煤倉(cāng)瓦斯超限治理效果的模擬研究。

山西省高平市長(zhǎng)平煤礦選煤廠為了減少煤塵污染，將塊精煤和末精煤產(chǎn)品均采用封閉式圓筒倉(cāng)儲(chǔ)存。近年來(lái)，由于煤礦開(kāi)采深度的增加，煤層瓦斯含量不斷增大，煤炭吸附的瓦斯量也在增加[9]。根據(jù)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，該廠煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響選煤廠的安全生產(chǎn)。因此，需要研究瓦斯分布規(guī)律和影響其濃度超限的主要因素，以提高企業(yè)的安全生產(chǎn)水平。

由于受放煤口處的放煤速度、倉(cāng)下結(jié)構(gòu)和設(shè)備、瓦斯源釋放流量、機(jī)械抽排瓦斯系統(tǒng)、當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)風(fēng)向和風(fēng)力等級(jí)、倉(cāng)下通風(fēng)窗和其他通風(fēng)口的數(shù)量及其位置和尺寸等的影響，煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯流場(chǎng)分布比較復(fù)雜。建立煤倉(cāng)倉(cāng)下部分空氣與瓦斯混合流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，借助Fluent軟件對(duì)其積聚原因和分布規(guī)律進(jìn)行研究，為確定瓦斯防治方案提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

長(zhǎng)平煤礦選煤廠圓筒倉(cāng)按其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)可分為倉(cāng)上、倉(cāng)中、倉(cāng)下三部分(圖1)，倉(cāng)上設(shè)有給煤刮板機(jī)，外接運(yùn)煤皮帶；倉(cāng)中部分是儲(chǔ)煤的主要場(chǎng)所，也是瓦斯和粉塵產(chǎn)生的主要場(chǎng)所；倉(cāng)下設(shè)有給煤機(jī)，直接連接產(chǎn)品外運(yùn)皮帶。

圖1 圓筒倉(cāng)外觀和結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 建模依據(jù)與條件

煤倉(cāng)倉(cāng)下部分氣體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，忽略對(duì)倉(cāng)下部分流場(chǎng)影響較小的次要因素，為此做如下假設(shè)：①倉(cāng)下部分的空氣和瓦斯為粘性不可壓縮流體；②太陽(yáng)輻射、煤流溫度、倉(cāng)下照明設(shè)備及機(jī)械設(shè)備等與倉(cāng)下氣流的熱交換對(duì)流場(chǎng)分布影響很小；③空氣和瓦斯在倉(cāng)下流動(dòng)過(guò)程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混合氣體的密度根據(jù)內(nèi)部氣體所占體積百分比進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

在此條件下，空氣和瓦斯在倉(cāng)下的流動(dòng)遵循連續(xù)性、動(dòng)量守恒、組分守恒定律，結(jié)合湍流k方程和ε方程，建立空氣和瓦斯流動(dòng)的控制方程組[10-11]。

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；ui為i方向上的速度分量，m/s；xi為三維空間中i方向上的長(zhǎng)度，m。

式中：xj為三維空間中j方向上的長(zhǎng)度，m；uj為j方向上的速度分量，m/s；p為氣流微元上的壓力，Pa；τij(i≠j)為因分子作用產(chǎn)生并作用于氣體微元的切向應(yīng)力，Pa；gi為i方向上的重力體積力，Pa；u為作用于流體單元的動(dòng)力粘度，Pa·s；δij為常量矩陣。

式中：CA為組分A的濃度；DAB為組分A與B之間的擴(kuò)散系數(shù)。

式中：k為湍流動(dòng)能，m2/s2；μt為湍流粘性系數(shù)，kg/(m·s)；cμ為常數(shù)，取0.09；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3。

式中:σk、σε為脈動(dòng)動(dòng)能和脈動(dòng)動(dòng)能耗散率的Prandtl數(shù)，分別取1.0、1.3；C1、C2為常量，分別取1.44、1.92。

1.2 煤倉(cāng)倉(cāng)下部分結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)

根據(jù)末精煤倉(cāng)的實(shí)際尺寸和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件，建立末精煤倉(cāng)倉(cāng)下部分的物理幾何模型，如圖2所示。煤倉(cāng)倉(cāng)下部分高度為17.5 m，直徑為22 m，共有四個(gè)通風(fēng)窗，均沿煤倉(cāng)倉(cāng)壁均勻分布；給煤機(jī)放煤口距地面高度為3 m，通風(fēng)窗距地面高度為1.2 m，通風(fēng)窗窗口幾何尺寸為1.5 m×2.1 m。根據(jù)幾何模型尺寸劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元約有900 000個(gè)。

1—廂式走廊；2—通風(fēng)窗；3—門(mén)；4—放煤設(shè)備；5—放煤漏斗；6—預(yù)留風(fēng)機(jī)口；7—倉(cāng)中儲(chǔ)煤部分；8—內(nèi)砼檐

1.3 邊界條件

(1)壁面條件。煤倉(cāng)倉(cāng)下各墻壁面均為等溫?zé)o滑移壁面，假設(shè)倉(cāng)下門(mén)關(guān)閉時(shí)密閉性很好，不存在漏風(fēng)情況。

(2)放煤口瓦斯流量與濃度。從放煤口處進(jìn)入煤倉(cāng)倉(cāng)下部分的瓦斯流量取決于倉(cāng)內(nèi)煤堆孔隙率、放煤口放煤有效截面積、煤流流量、瓦斯?jié)舛取０凑瘴墨I(xiàn)[5]計(jì)算方法，該末精煤倉(cāng)倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛纫堰_(dá)到12%，煤流平均流量約為1 000 t/h，瓦斯流量約為0.019 m3/s。

(3)通風(fēng)窗入口風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)力等級(jí)。根據(jù)2013年高平市風(fēng)力等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該地區(qū)風(fēng)力等級(jí)小于3級(jí)(<3.4 m/s)的百分比為90.68%。由于缺乏更詳細(xì)的平均風(fēng)速資料，重點(diǎn)分析冬季惡劣條件下，風(fēng)窗關(guān)閉后倉(cāng)下處于微風(fēng)狀態(tài)時(shí)的瓦斯流場(chǎng)分布情況。為此，假設(shè)通風(fēng)窗入口風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速一致，并按照等流量原則計(jì)算出等效風(fēng)速值，將其作為邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 倉(cāng)下部分風(fēng)流速度與瓦斯流場(chǎng)的影響

按照相關(guān)條件設(shè)置有關(guān)參數(shù)，采用Fluent軟件對(duì)倉(cāng)下部分風(fēng)流速度和瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 倉(cāng)下部分速度矢量和瓦斯分布圖(z=1.2 m)

由圖3可知：由于內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，倉(cāng)下進(jìn)風(fēng)窗的入風(fēng)沿著內(nèi)砼檐流動(dòng)，與皮帶走廊的進(jìn)風(fēng)相互影響，使風(fēng)流較快地流向出風(fēng)窗，導(dǎo)致內(nèi)砼檐內(nèi)風(fēng)流速度較小，難以有效稀釋倉(cāng)下瓦斯。內(nèi)砼檐內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍?%以上，內(nèi)砼檐外下風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛纫蚕鄬?duì)較高(在1.5%～4.5%)，說(shuō)明內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致倉(cāng)下部分通風(fēng)不暢和影響瓦斯分布的主要因素之一。

2.2 倉(cāng)下通風(fēng)量的影響

倉(cāng)下通風(fēng)量受通風(fēng)窗數(shù)量和單通風(fēng)窗風(fēng)量的影響，當(dāng)放煤口煤流量和瓦斯涌出濃度一定時(shí)，通風(fēng)窗風(fēng)量直接影響煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯?jié)舛鹊姆植迹L(fēng)窗風(fēng)量取決于通風(fēng)窗開(kāi)放面積和風(fēng)速大小。北方冬季溫度較低，為防止精煤凍結(jié)[12]，常常需要將精煤倉(cāng)通風(fēng)窗關(guān)閉，導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)空氣流通不暢。假設(shè)此時(shí)通風(fēng)窗仍存在部分漏風(fēng)，考察不同環(huán)境風(fēng)力等級(jí)(0～3級(jí))條件下的倉(cāng)下部分瓦斯分布。建立通風(fēng)窗風(fēng)量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按照等流量原則計(jì)算等效漏風(fēng)風(fēng)量值，0～3級(jí)環(huán)境風(fēng)力對(duì)應(yīng)的通風(fēng)窗漏風(fēng)風(fēng)量值為0.000 22、0.014 87、0.037 07、0.051 06 m3/s。

在中間兩個(gè)放煤口形成的上隅角內(nèi)建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，坐標(biāo)位置為(0,0,5)，略高于現(xiàn)場(chǎng)瓦斯檢測(cè)儀懸掛位置。風(fēng)窗密封嚴(yán)實(shí)時(shí)的通風(fēng)窗風(fēng)流速度接近于0，此時(shí)倉(cāng)下大部分區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍?.5%以上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的瓦斯?jié)舛仍?.5%以上(圖4)。只有在風(fēng)力等級(jí)大于3級(jí)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的瓦斯?jié)舛炔盘幱诎踩珴舛确秶鷥?nèi)，說(shuō)明冬季關(guān)閉風(fēng)窗會(huì)導(dǎo)致倉(cāng)下部分通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛壬?。這也是影響倉(cāng)下部分瓦斯分布的主要因素之一。

圖4 風(fēng)窗風(fēng)量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

3 結(jié)論

利用數(shù)值模擬手段研究長(zhǎng)平煤礦選煤廠圓筒煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯分布規(guī)律和影響因素發(fā)現(xiàn)：

(1)由于圓筒倉(cāng)內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，倉(cāng)下進(jìn)風(fēng)窗的入風(fēng)與皮帶走廊的進(jìn)風(fēng)相互影響，使風(fēng)流較快地流向出風(fēng)窗，難以有效稀釋倉(cāng)下瓦斯?jié)舛?，說(shuō)明內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)是影響瓦斯分布的主要因素之一。

(2)通風(fēng)窗風(fēng)量直接影響煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯?jié)舛确植?，?dāng)環(huán)境風(fēng)力等級(jí)較低或冬季通風(fēng)窗關(guān)閉后倉(cāng)下處于微風(fēng)狀態(tài)時(shí)，瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

(3)圓筒倉(cāng)的內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)和風(fēng)量是造成瓦斯?jié)舛容^高的兩個(gè)主要因素，防止煤倉(cāng)倉(cāng)下部分瓦斯災(zāi)害應(yīng)從這兩方面考慮。

[1] 趙世鐸,李霄尖,王聰利,等.淺談加強(qiáng)洗煤廠煤倉(cāng)的瓦斯治理[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2001,28(1):33-34.

[2] 謝 娟，康靜文. 煤礦環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別探析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2013,40(6):111-113.

[3] J E Matta, J C LaScola, Fred N Kissell. Methane emissions from gassy coals in storage silos[R]. USA: Bureau of Mines, 1978.

[4] John C LaScola, Joseph E Matta, Fred N Kissell. Assessing the methane hazard of gassy coals in storage silos[R]. USA:Bureau of Mines,1981

[5] Kolada R J. Investigations Into Methane Accumulation In Coal Storage Silos[R]. Canada Littleton, CO: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. 1985

[6] 張盼福,呂愛(ài)平. 屯蘭礦選煤廠瓦斯治理的實(shí)踐[J]. 選煤技術(shù)，2009(3):60-64.

[7] 李樹(shù)軍. 依靠自然通風(fēng)治理地面煤倉(cāng)瓦斯[J]. 山西焦煤科技，2011(11):21-25.

[8] 郭雅迪,張人偉,劉曰帥,等. 基于FLUENT模擬的選煤廠煤倉(cāng)瓦斯超限治理研究[J]. 安全與環(huán)境工程,2014(3):148-153.

[9] 尹傳理,李化敏. 我國(guó)煤礦深部開(kāi)采問(wèn)題探討[J]. 煤礦設(shè)計(jì),1998(8):7-11.

[10] 陶文銓. 計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1991.

[11] 溫 正，任毅如. FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[12] 馮 杰，劉杰修，陳 杰. 洗煤廠精煤倉(cāng)瓦斯燃燒淺析[J]. 煤礦安全，2006(3):52-53.

Research on the law of methane distribution in reclaiming area of silo in coal preparation plant

WANG Bing-jian1, ZHANG Ya-wei1, XI Guo-jun1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003, China;2.Production Engineering Department, Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Co Ltd,Xianyang, Shaanxi 710065, China )

To grasp methane distribution in reclaiming area of silo in Changping mine coal preparation plant and its influence factors, a mathematical model was built according to the laws of mass, momentum and component conservation, and Fluent was used to simulate and analyze methane distribution. The result indicates that methane concentration is more than safety limit due to interior concrete eaves, when air velocity is low, or windows are closed in winter, which affects seriously normal safe production. The research result is helpful for coal enterprises to know the reason and law of methane accumulation in reclaiming area coal silo in the preparation plant, and to support to draw up safety and protection system basically in time.

coal silo；law of methane distribution; Fluent simulation；interior concrete eaves; wind scale

1001-3571(2015)01-0001-04

TD948.8；TD724

A

2015-01-17

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.001

王兵建(1978—)，男，河南省周口市人，副教授，博士，從事煤礦“一通三防”及地面煤倉(cāng)瓦斯災(zāi)害機(jī)理與防治方面的研究與教學(xué)工作。

E-mail：wangbj@hpu.edu.cn Tel：18603914490