胡國慶, 王海暉, 方 祥, 吳超鵬

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室, 合肥, 230026)

0 引言

毒害氣體超限在礦井綜采作業(yè)面較常見，經(jīng)常引發(fā)重特大安全事故[1]。作業(yè)面附近毒害氣體主要來自煤層和采空回填區(qū)，主要成分為CH4和CO。通風是降低作業(yè)面附近毒害氣體濃度的常規(guī)手段，但會導致漏風和揚塵等問題，同時還會產(chǎn)生局部毒害氣體的積累[2]。對正常通風情形下作業(yè)面附近的毒害氣體積聚機制進行研究是開展礦井毒害氣體防控工作的基礎。

礦井氣體監(jiān)測系統(tǒng)可以用于開展綜采作業(yè)面附近毒害氣體濃度分布規(guī)律研究[3]。盡管該系統(tǒng)可對作業(yè)面附近毒害氣體濃度持續(xù)監(jiān)測，但存在易受多種因素干擾且覆蓋區(qū)域有限的問題。隨著計算流體力學的發(fā)展，運用數(shù)值模擬方法對綜采作業(yè)面流體行為進行預測的技術日臻成熟。Ren等[4]對長臂作業(yè)面采空回填區(qū)的氣體流動進行模擬，分析不同通風方案下采空回填區(qū)O2濃度的變化；李宗翔等[5]探索了采空回填區(qū)瓦斯上浮效應，討論瓦斯抽采流量與瓦斯?jié)舛鹊年P系。Torano等[6]模擬掘進巷瓦斯擴散情況，研究通風回流導致瓦斯?jié)舛壬叩脑?。高建良等[7]對不同瓦斯涌出強度下的掘進巷流體流動情況進行模擬，展示掘進巷風場渦流、瓦斯上浮和頂板逆流等現(xiàn)象?，F(xiàn)有工作多采用穩(wěn)態(tài)計算方法來研究采空回填區(qū)或掘進巷的氣體濃度分布狀態(tài)，對作業(yè)面附近氣體瞬態(tài)變化過程關注較少。綜采作業(yè)面是重要的采煤場所，因設備的存在局部區(qū)域毒害氣體積聚風險較高。對綜采作業(yè)面毒害氣體積聚過程的研究有現(xiàn)實意義。

本文以Fluent計算流體動力學軟件包為平臺，對“U”型通風綜采作業(yè)面流場進行數(shù)值模擬，跟蹤和還原作業(yè)面附近毒害氣體的積聚過程和最終濃度分布。結合以往文獻報道的現(xiàn)象，探討作業(yè)面附近風場特性以及渦流和氣體上浮效應等典型流體行為，在此基礎上分析作業(yè)面附近毒害氣體積聚機制，為制定合理井下作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控措施提供參考。

1 計算模型和算法

1.1 作業(yè)面物理模型

“U”型通風綜采作業(yè)面具有系統(tǒng)簡單、維護方便、漏風少等優(yōu)點，在我國使用廣泛。綜采作業(yè)面及其附近區(qū)域包括進風巷、回風巷、作業(yè)面和采空回填區(qū)，作業(yè)面還會放置采煤機等設備，采空回填區(qū)則由矸石堆積而成。風由進風巷流入作業(yè)面再從回風巷流出，整個流動線路呈“U”型。根據(jù)“U”型通風綜采作業(yè)面情況構建物理模型，其中巷道截面簡化為矩形，設備視為緊貼煤壁的長方體，采空回填區(qū)視作多孔介質(zhì)區(qū)，且進、回風巷隅角無防風墻。坐標原點位于進風巷隅角處，x軸指向進風巷入口，y軸指向回風巷，z軸指向頂板，見圖1。物理模型幾何尺寸的具體參數(shù)見表1。分別設置設備中心距進風巷壁面12 m、50 m、88 m和作業(yè)面無設備的四種工況。

圖1 作業(yè)面和采空回填區(qū)平面圖Fig. 1 Illustration of the physical model considered

1.2 數(shù)學模型及邊界條件設置

流體不可壓縮，并且不存在氣體間化學反應。作業(yè)面和采空回填區(qū)作為整體計算，其中采空回填區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)。在不考慮熱交換的情形下，控制方程由質(zhì)量守恒方程、動量方程和組分輸運方程構成[10]。氣體在巷道隅角和采空回填區(qū)的流動具有湍流流動特性，因此選用重整化群 (RNG)k-ε湍流模型。該模型考慮了流體旋轉(zhuǎn)效應，可以處理流線彎曲較大的流動現(xiàn)象[10,11]。

表1 物理模型幾何參數(shù)

作業(yè)面和采空回填區(qū)質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中Sm為廣義質(zhì)量源項，分別對應于煤壁和采空回填區(qū)引入的氣體質(zhì)量流量；ui為氣流在作業(yè)面區(qū)域和采空回填區(qū)的速度分量。γ為采空回填區(qū)空隙率，作業(yè)面區(qū)域取值為1.0。

動量控制方程[10]：

(2)

式中Si為動量守恒廣義源項，作業(yè)面區(qū)域取值為零。采空回填區(qū)作為均質(zhì)多孔介質(zhì)的動量源項為：

(3)

式中|u|為速度矢量值。

組分輸運控制方程：

(4)

其中Cs代表組分CH4、CO和Air的質(zhì)量分數(shù)，Ds為特定組分的擴散系數(shù)，Ss為煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體釋放速率源項。

湍流特性參數(shù)控制方程[10]：

(5)

(6)

湍動能產(chǎn)生項計算式為[10]：

(7)

式中Es為平均應變率張量模量，有

(8)

對于采空回填區(qū)，Rε可由下式計算[10]

(9)

其中η=Esk/ε為平均流時間尺度與湍流時間尺度之比[5,10,12]。

煤壁和進風巷為質(zhì)量流量入口，回風巷出口為自由流，巷道和設備壁面設定為無滑移壁面。采空回填區(qū)多孔介質(zhì)功能通過對粘性阻力系數(shù)、內(nèi)部阻力系數(shù)和空隙率的設置來實現(xiàn)。初始時刻計算區(qū)域的風場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 計算參數(shù)設定及算法

本文作業(yè)面附近的毒害氣體特指易燃易爆的CH4氣體和毒性較大的CO氣體，其中CH4主要來自煤層解吸附釋放，CO主要由采空回填區(qū)的遺煤低溫氧化產(chǎn)生，這里不考慮煤大量氧化甚至發(fā)生自燃的極端情形[13,14]。采空回填區(qū)為多孔介質(zhì)屬性，由于該區(qū)域不是本文重點研究對象，相應忽略毒害氣體在該區(qū)域的分布細節(jié)，并視作在該區(qū)域上均勻分布且生成速率固定[15]。作業(yè)面煤壁和采空回填區(qū)毒害氣體釋放速率以及進風巷入口空氣流量賦值見表2。這里給出的煤壁毒害氣體釋放速率較通常作業(yè)面稍高。

對各物理量離散時使用QUICK離散格式，壓力差值采用PRESTO格式，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。使用ICEM CFD軟件將計算區(qū)域劃分為六面體網(wǎng)格，作業(yè)面、進風巷、回風巷和設備的網(wǎng)格間距為0.2 m，采空回填區(qū)網(wǎng)格間距為 0.5 m。運用Fluent軟件(14.5版本)計算時，首先進行穩(wěn)態(tài)計算，在只考慮進風巷入口空氣的情況下計算作業(yè)面初始流場。然后切換至瞬態(tài)計算，并開啟煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體釋放源，開展氣體流動的瞬態(tài)計算[19]。兩種計算模式中均選用 (RNG)k-ε湍流模型和組分輸運模型，氣體種類設置為CH4、CO和Air，并考慮重力作用。瞬態(tài)計算時間步長設定為 1 s，總長為1200 s。其他控件保持默認狀態(tài)。計算數(shù)據(jù)導出后使用Tecplot軟件繪圖。

表2 毒害氣體和空氣涌入速率賦值

2 結果與討論

2.1 作業(yè)面毒害氣體積聚過程

按照相關規(guī)定，作業(yè)面附近風速需要控制在0.25 m s-1～4 m s-1，實際生產(chǎn)中為減少漏風和揚塵，風速通?？刂圃? m s-1～1.5 m s-1[18]。初步計算表明，進、回風巷因截面較小，風速較高，最高風速達到2.4 m s-1，而作業(yè)面較寬闊，風流平緩，風速在1 m s-1左右，基本符合實際應用要求[20]。圖2是流場穩(wěn)定時設備位于作業(yè)面中間時作業(yè)面和采空回填區(qū)流線分布 (z=1.5 m)。作業(yè)面出現(xiàn)了漏風現(xiàn)象，少量的風從進風巷隅角漏入采空回填區(qū)，最后從回風巷隅角回到作業(yè)面，實測結果證實作業(yè)面向采空回填區(qū)的漏風是加速遺煤氧化及毒害氣體進入作業(yè)面的重要原因[21]。風向和風速的改變主要發(fā)生在巷道隅角附近，此過程會形成渦流。設備的迎、背風面附近也會出現(xiàn)渦流，迎風面渦流緊貼設備壁面，強度較弱，背風面渦流則較強，渦流會一直延續(xù)到垂直高度2 m左右的區(qū)域。

圖2 設備位于作業(yè)面正中間時高度1.5 m處作業(yè)面和采空回填區(qū)流線分布。Fig. 2 Streamline distribution of the working face and goaf at the height of 1.5 m. The equipment is located in the middle of the working face.

圖3展示了不同時刻無設備作業(yè)面附近特定高度CH4和CO氣體濃度的變化情況(z=1.5 m)。10 s 時煤壁產(chǎn)生的氣體剛進入作業(yè)面，毒害氣體集中在煤壁附近，僅有進風巷隅角煤壁處的會擴散到稍遠的區(qū)域，這是該區(qū)域渦流形成的體現(xiàn)[22]；100 s時煤壁產(chǎn)生的毒害氣體擴散到作業(yè)面大部分區(qū)域并進入回風巷，主要沿著煤壁向下游散發(fā)；600 s時采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體進入作業(yè)面，原本氣體濃度較低的采空回填區(qū)壁面和煤壁附近的氣體濃度都顯著上升；1200 s時作業(yè)面附近毒害氣體分布基本不再變化。在毒害氣體釋放和輸運過程中，進風巷始終未出現(xiàn)毒害氣體。

圖3 無設備作業(yè)面附近高度1.5 m處CH4 (a) 和CO (b) 濃度隨時間變化Fig. 3 Time-dependent concentrations of CH4 (a) and CO (b) near the working face at the height of 1.5 m under the circumstance of no placement of the equipment

在100 s時煤壁產(chǎn)生的毒害氣體已擴散到作業(yè)面附近大部分區(qū)域，而采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體則尚未進入作業(yè)。這種差異主要是氣體在煤壁和采空回填區(qū)的流動速度不同導致的。煤壁產(chǎn)生的毒害氣體脫離煤壁后隨風流快速擴散到作業(yè)面各區(qū)域；由矸石構成采空回填區(qū)的阻力很大，氣體在該區(qū)域流速較低，到達作業(yè)面時間也較長[23]。氣體在采空回填區(qū)的緩慢流動有利于毒害氣體在特定區(qū)域積聚，尤其在氣體集中涌出的回風巷隅角有較高的積聚潛力。

為直觀展示回風巷隅角毒害氣體積聚現(xiàn)象，圖4給出通過在該區(qū)域設置監(jiān)測點觀察到不同高度處CH4和CO氣體濃度隨時間變化的結果。監(jiān)測點高度依次為0.2 m、1.5 m、2.5 m和2.8 m。結果表明，不同監(jiān)測點的CH4和CO氣體濃度都經(jīng)歷了先升高而后逐漸穩(wěn)定的過程，位置越高最終濃度則越高，并且穩(wěn)定用時越長。高度為0.2 m時CH4最終濃度為0.5%，CO則為10 ppm，氣體濃度在250 s左右穩(wěn)定；高度為2.8 m時CH4最終濃度為1.4%，CO則為27 ppm，氣體濃度達到穩(wěn)定需時長達1000 s。

圖4 無設備作業(yè)面回風巷隅角不同高度處CH4 (a) 和CO (b) 濃度隨時間變化。其中監(jiān)測點與采空回填區(qū)壁面和回風巷壁面距離都是0.5 m。Fig. 4 Time-dependent concentrations of CH4 (a) and CO (b) near the return corner at different heights at the condition of no placement of the equipment. The distances between monitoring points and the wall of goaf and return airway are all 0.5 m.

回風巷隅角毒害氣體濃度的變化趨勢，一方面佐證了模型可以較準確地還原出氣體上浮效應，另一方面也反映一個事實：風流對回風巷隅角附近的毒害氣體抑制能力顯著下降，無法迅速帶走流入該區(qū)域的毒害氣體，導致毒害氣體在該區(qū)域的積聚。CH4和CO的上浮效應可以從監(jiān)測點位置越高氣體濃度越高的變化趨勢看出，因密度都小于空氣，毒害氣體勢必會向巷道頂部上浮。礦井實際監(jiān)測時要求將瓦斯和一氧化碳氣體傳感器盡可能靠近頂板布置正是基于氣體上浮效應的考慮[24]?；仫L巷隅角渦流的形成則是風對毒害氣體抑制能力下降的重要原因。相關文獻證實[25]，回風巷隅角獨特幾何構造使得風呈現(xiàn)出渦流狀態(tài)，此時風場已無法有效吹散毒害氣體甚至有利于氣體積聚。

設備位于作業(yè)面不同位置時，迎、背風面CH4和CO濃度隨時間的變化結果如圖5所示，其中監(jiān)測點與煤壁、設備壁面的距離分別為1 m、0.5 m，高度為1 m。與回風巷隅角毒害氣體濃度變化趨勢類似，設備附近毒害氣體濃度也經(jīng)歷了先升高而后逐漸穩(wěn)定的變化過程。當設備靠近進風巷時，迎風面的毒害氣體濃度經(jīng)過100 s的快速上升后仍會緩慢上升，直到300 s才完全穩(wěn)定，而背風面的氣體濃度在100 s就完全穩(wěn)定。設備位于作業(yè)面中間和靠近回風巷側(cè)時，迎風面的毒害氣體濃度基本在100 s以內(nèi)穩(wěn)定下來，而背風面氣體濃度穩(wěn)定用時稍長，但最終也會在200 s徹底穩(wěn)定。氣體濃度穩(wěn)定后，背風面的毒害氣體濃度總高于迎風面的。比較而言，設備越靠近回風巷，迎、背風面的氣體濃度則越高。

設備對風的流動有阻擋作用，迎、背風面所在區(qū)域和巷道隅角有相近的幾何特征，因此也會形成渦流并對氣體積聚過程產(chǎn)生顯著影響，這與文獻報道的結果相符[26]。設備位于作業(yè)面不同位置時，設備附近毒害氣體積聚過程存在差異：設備位于進風巷附近時，進風巷隅角形成的渦流會使流入迎風面的風量減少，毒害氣體濃度上升趨勢無法在短時間內(nèi)被抑制，因此在300 s左右濃度趨于穩(wěn)定。設備位于作業(yè)面中間和回風巷附近時，流入背風面的風量要少于迎風面的，背風面的毒害氣體濃度完全穩(wěn)定用時比迎風面稍長，最終的毒害氣體濃度也更高。由此可見，依賴于固定式傳感器的傳統(tǒng)氣體監(jiān)測手段在應對氣體積聚方式不斷變化的情形時，很有可能會出現(xiàn)漏報現(xiàn)象。

圖5 有設備時作業(yè)面設備迎、背風面CH4和CO濃度隨時間變化。工況 (a)、(b)、(c)分別對應設備中心坐標為y=12 m、50 m、88 m的情形，監(jiān)測點與煤壁、設備壁面的距離分別是1 m和0.5 m，高度則為1 m。Fig. 5 Time-dependent concentrations of CH4 and CO at specific positions. Situations correspond to the equipment center being located at y=12 (a), 50 (b) and 88 m (c), respectively. The distances between monitoring points and the coal seam wall and equipment are 1 m and 0.5 m. These monitoring points are all at the height of 1 m.

2.2 毒害氣體濃度分布和潛在危險性

圖6是無設備情形下作業(yè)面不同截面處CH4和CO濃度的最終分布，其中截面位置分別為y=0.5 m、20 m、50 m、60 m、80 m、99.5 m。y=0.5 m截面位于進風巷附近，沒有出現(xiàn)毒害氣體，而y=99.5 m截面位于回風巷附近，氣體濃度較高。其他截面則呈現(xiàn)出從煤壁到采空回填區(qū)壁面氣體濃度逐漸降低的分布。各截面頂部氣體濃度都較高，這在y=99.5 m截面表現(xiàn)最明顯：頂部CH4和CO最高濃度分別為1.4%和27 ppm。

圖6 無設備情形下巷道不同垂直截面CH4 (a) 和CO (b) 濃度分布。截面位置分別為y=0.5 m、20 m、50 m、60 m、80 m、99.5 m。Fig. 6 Concentration distribution of CH4 (a) and CO (b) near the working face on the vertical planes of y=0.5, 20, 50, 60, 80 and 99.5 m, respectively, under the circumstance of no placement of the equipment.

各截面氣體濃度最終分布反映出毒害氣體在三維空間輸運方式的差異。受風的強迫對流作用向下游(y軸方向)移動，其移動速度與風速接近。這意味著煤壁產(chǎn)生的毒害氣體會迅速污染作業(yè)面，尤其在發(fā)生氣體突出事故時，整個作業(yè)面很快會成為潛在危險區(qū)。毒害氣體還會受濃度梯度的驅(qū)動向采空回填區(qū)壁面擴散(沿x軸反方向)，但因擴散速度很慢，直到y(tǒng)=80 m處煤壁釋放出的毒害氣體才能擴散到采空回填區(qū)附近。CH4和CO因密度小于空氣還會向上(z軸方向)浮動，y=99.5 m截面上氣體濃度分布是氣體上浮效應的直觀展示。基于上述作用機制，毒害氣體在作業(yè)面附近最終會呈現(xiàn)出越靠近回風巷且越靠近巷道頂部氣體濃度越高的態(tài)勢，這也與現(xiàn)場實際觀察到回風巷隅角頂部毒害氣體濃度容易超限的現(xiàn)象一致[27]。

圖7給出了有設備情形下設備附近CH4和CO的最終濃度分布(z=1 m)?？梢钥闯?設備位于進風隅角側(cè)時，其附近濃度分布受煤壁釋放出的氣體影響較小。其迎風面附近的毒害氣體散發(fā)到離煤壁稍遠的區(qū)域，而背風面附近僅出現(xiàn)較低濃度分布，采空回填區(qū)壁面附近則幾乎觀察不到毒害氣體。設備位于作業(yè)面正中間時，迎、背風面毒害氣體濃度均顯著升高，背風面附近形成了高濃度區(qū)；與此同時，毒害氣體波及到采空回填區(qū)壁面附近。設備靠近進回風巷側(cè)時，采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體從回風巷隅角進入作業(yè)面，背風面出現(xiàn)了作業(yè)面附近最高的毒害氣體濃度分布，CH4和CO濃度最高值分別為1.6%和36 ppm。

圖7 設備位于近進風巷側(cè)、作業(yè)面中間以及近回風巷側(cè)時設備附近高度1 m處CH4 (a) 和CO (b) 濃度分布。設備位置與圖5工況相同。Fig. 7 Concentration distribution of CH4 (a) and CO (b) near the equipment at the height of 1 m, at the conditions of the equipment being located near the intake airway, the middle of the working face, and near the return airway, respectively. The positions of the equipment are the same as those shown in Fig. 5.

在風場作用下，迎風面雖然也會形成渦流，但迎風面直接受到風的沖擊作用，處于正壓狀態(tài)；即使毒害氣體向下游擴散受阻，仍可以從側(cè)面繞過設備，不容易出現(xiàn)高濃度。由于設備的阻擋作用，背風面處于風量較少的負壓狀態(tài)，通風不良，風流難以有效吹散流入該區(qū)域的毒害氣體，因而氣體濃度較高，這也在一定程度上解釋了實際生產(chǎn)中采煤機附近容易積聚毒害氣體且事故頻發(fā)的原因[28]。

圖8給出設備迎、背風面CH4和CO濃度隨高度的最終變化結果。監(jiān)測線與煤壁、設備壁面的距離分別是1 m和0.5 m。設備背風面的氣體濃度變化趨勢相似，都呈現(xiàn)出從底部開始濃度逐漸上升，在高度1 m左右達到最大而后逐漸下降并穩(wěn)定的變化趨勢。迎風面氣體濃度變化情況與設備位置有關：設備位于作業(yè)面中間和靠近回風巷側(cè)時，迎風面的氣體濃度會隨高度的增加而增加；設備靠近進風巷側(cè)時，迎風面氣體濃度變化規(guī)律和背風面類似。

源于兩種毒害氣體自開采煤壁以及采空區(qū)釋放量階的差別，在特定區(qū)域CH4和CO濃度值非常懸殊，但它們各自的分布規(guī)律存在高度的相似性，這從側(cè)面證實計算結果的可靠性。在目前設定的通風量及毒害氣體涌出量條件下，背風面CH4濃度達到1.6%，已大大超出作業(yè)面允許的1%最高濃度值，如不及時處置會誘發(fā)人員窒息、瓦斯燃燒甚至爆炸等事故[18]。與此同時，背風面CO濃度達到36 ppm，而作業(yè)面允許的CO最高濃度為24 ppm，此時局部空氣質(zhì)量已經(jīng)惡化，人員在這種氣體氛圍中長時間作業(yè)，則容易出現(xiàn)頭暈、視線模糊等中毒反應[29]。設備背風面可以視為CH4和CO氣體積聚潛力較大和容易發(fā)生危險的區(qū)域[30]。

進一步計算表明，當煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體涌出量增大時作業(yè)面附近毒害氣體濃度會進一步升高，氣體積聚速度更快。增大通風量在一定程度上可以降低毒害氣體濃度，對回風巷隅角氣體積聚行為有一定抑制效果，但會導致作業(yè)面附近區(qū)域漏風和揚塵現(xiàn)象加劇，相應惡化作業(yè)環(huán)境[31]。通過提高通風量降低作業(yè)面附近毒害氣體濃度是不可取的。應考慮開發(fā)流動環(huán)境中毒害氣體的監(jiān)測技術以增強對毒害氣體局部積聚現(xiàn)象的監(jiān)測，同時結合局部通風、設置風障、氣體抽放等多種措施以有效控制作業(yè)面附近毒害氣體濃度，從而為不同作業(yè)氛圍中的環(huán)境安全提供保障。

圖8 設備迎、背風面CH4和CO濃度隨高度變化。工況 (a)、(b)、(c) 分別和設備中心坐標為y=12 m、50 m、88 m的情況對應，監(jiān)測線與煤壁、設備壁面的距離分別是1 m、0.5 m。設備位置與圖5工況相同。Fig. 8 Height-dependent concentrations of CH4 and CO at specific locations. Situations correspond to the equipment centered at y=12 (a), 50 (b) and 88 m (c), respectively. The distances between monitoring lines and the coal seam wall and equipment are 1 m and 0.5 m. The positions of the equipment are the same as those shown in Fig. 5.

3 結論

運用數(shù)值模擬方法對礦井“U”型通風綜采作業(yè)面流場進行計算，跟蹤特定工況條件下作業(yè)面及設備附近有毒有害氣體的積聚過程和最終分布狀況。計算結果較準確展示出隅角渦流、采空回填區(qū)漏風以及氣體上浮效應等典型氣體流動行為，與現(xiàn)場實際觀察到的氣體變化趨勢相符，證明了模型和算法的可靠性。

在常規(guī)通風條件下，作業(yè)面煤層和采空回填區(qū)釋放出的CH4和CO氣體在回風巷隅角經(jīng)歷濃度逐漸升高而后穩(wěn)定的漫長積聚過程；設備附近則具有較大毒害氣體積聚潛力，積聚速度相對較快。迎風面附近CH4和CO氣體濃度不易超限。因受上浮效應的影響，背風面的毒害氣體濃度積聚主要發(fā)生在背風面中上部：不但局部CH4濃度超出作業(yè)面安全生產(chǎn)規(guī)定的最高濃度，CO濃度也已達到危害人體健康的程度。建立起來的認識對作業(yè)面附近毒害氣體超限事故預防和控制有一定指導意義。

符號說明：

B—多孔介質(zhì)粘性阻力損失系數(shù)，3002 m-2；

C2—多孔介質(zhì)內(nèi)部阻力因子，18.1 m-1；

Cs—組分CH4、CO和Air質(zhì)量分數(shù)；

Cμ—湍流黏度經(jīng)驗系數(shù)，0.0845;

Cε1、Cε2—耗散率ε相關系數(shù)，分別為1.42和1.68；

Ds—組分CH4、CO和Air擴散系數(shù),m2s-1；

eij—平均應變率張量，s-1；

Es—平均應變率張量模量；

Gk—平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項；

k—湍動能，J kg-1；

p—流體壓力，Pa；

R—平均應變率對耗散率ε影響的附加項；

Si—廣義動量源項；

Sm—廣義質(zhì)量源項；

Ss—CH4和CO釋放源項；

t—時間，s；

ui—氣流速度分量，m s-1；

希臘字母

αk—湍動能k對應逆有效普朗特數(shù)，1.39；

αε—耗散率ε對應逆有效普朗特數(shù)，1.39；

β—湍動能k的關聯(lián)常數(shù)，0.015；

γ—多孔介質(zhì)空隙率，0.3；

ε—湍流耗散率，m2s-3；

η—平均流時間尺度與湍流時間尺度之比；

η0—η參比值，4.38；

ρ—流體密度，kg m-3；

μ—流體動力粘度，Pa·s；

μeff—流體有效粘度，Pa·s；

μt—湍流粘度，Pa·s。

[1] 陳曉坤等. 2005-2014年我國煤礦瓦斯事故統(tǒng)計分析[J]. 煤礦安全, 2016, 47(2): 224-226.

[2] 經(jīng)建生等. 特別重大瓦斯爆炸的產(chǎn)生原因[J]. 消防科學與技術, 2006, 25(1): 15-20.

[3] 孫繼平. 煤礦監(jiān)控新技術與新裝備[J]. 工礦自動化, 2015, 41(1): 1-5.

[4] Ren T, Balusu R. Modelling of goaf gas migration for control of spontaneous combustion[J]. AusIMM Bulletin, 2005, 6(123): 55-58.

[5] 李宗翔等. 基于RNG k-ε湍流模型的3D采空區(qū)瓦斯上浮貯移[J]. 煤炭學報, 2014, 39(5): 880-885.

[6] Torano J et al. Models of methane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining[J]. International Journal of Coal Geology, 2009, 80(1): 35-43.

[7] 高建良等. 掘進巷道瓦斯分布數(shù)值實驗研究[J]. 中國安全科學學報, 2009, 19(1): 14-21.

[8] 劉謙等. 采空區(qū)CO分布規(guī)律的數(shù)值分析及其應用[J]. 煤礦安全, 2013, 44(2): 168-171.

[9] 牛偉等. 綜放工作面粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 中國礦業(yè), 2008, 17(12): 77-80.

[10] Fluent Inc. Fluent 6.3 User’s Guide[R]. Lebanon, NH: Fluent Inc., 2006.

[11] Yakhot V, Orszag SA. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory[J]. Journal of Scientific Computing, 1986, 1(1): 3-51.

[12] 金龍哲等. 采空區(qū)瓦斯?jié)B流規(guī)律的CFD模擬[J]. 煤炭學報, 2010, 35(9): 1476-1480.

[13] 張平等. 基于CO濃度的煤低溫氧化反應機制實驗研究[J]. 煤炭工程, 2014, 46(11): 119-121.

[14] 聶百勝等. 煤體吸附解吸瓦斯變形特征實驗研究[J]. 煤炭學報, 2015, 40(4): 754-759.

[15] 顧潤紅. 綜放采空區(qū)3D空間非線性滲流及瓦斯運移規(guī)律數(shù)值模擬研究[D]. 阜新:遼寧工程技術大學, 2012.

[16] 陳輝. 淺埋厚煤層易燃綜放工作面CO主要來源判定[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2016, 43(1): 85-88.

[17] 葉青等. 回采工作面瓦斯涌出規(guī)律研究[J]. 中國礦業(yè), 2006, 15(5): 38-41.

[18] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 煤礦安全規(guī)程[M]. 煤炭工業(yè)出版社,2016.

[19] 張微等. 升功率工況下波動管熱分層數(shù)值分析[J]. 原子能科學技術, 2011, 45(11): 1324-1328.

[20] 高仁禮, 王振江. 高產(chǎn)高效綜采工作面合理通風參數(shù)的研究[J]. 煤炭工程師, 1997(4): 1-5.

[21] 陶遠, 秦汝祥. U型綜采工作面采空區(qū)流場數(shù)值模擬[J]. 煤礦安全, 2014, 45(1): 186-188.

[22] 張丹丹. 上隅角插管抽采時采空區(qū)漏風及瓦斯分布數(shù)值模擬研究[D]. 焦作: 河南理工大學, 2012.

[23] 張辛亥等. 基于流場模擬的綜放面自燃危險區(qū)域劃分及預測[J]. 工程科學學報, 2005, 27(6): 641-644.

[24] AQ 1029-2007. 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范[S]. 2007.

[25] 馬中飛, 戴洪海. 旋流與直流送風改善回風隅角風流狀態(tài)的3CFD數(shù)值模擬[J]. 煤炭學報, 2008, 33(11): 1279-1282.

[26] 梁棟, 周西華. 回采工作面瓦斯運移規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 遼寧工程技術大學學報: 自然科學版, 1999, 18(4): 337-341.

[27] 張倩等. U型綜放工作面風流流動及瓦斯運移規(guī)律研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2010, 37(6): 47-50.

[28] 周春山等. 惰氣滅火技術在高瓦斯礦綜放工作面火災治理中的應用[J]. 煤炭工程, 2013(1): 66-68.

[29] 余秉良, 張恒太. 低濃度一氧化碳對人體生理功能的影響[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程, 1997, 10(5): 328-332.

[30] 董海波. 煤礦采場瓦斯分布與分布場重構技術研究[D]. 中國礦業(yè)大學， 2012.

[31] 趙生山, 趙洪寶. 風速對工作面瓦斯稀釋影響規(guī)律的數(shù)值模擬[J]. 金屬礦山, 2011, 41(2): 25-27.