宋彪彪,于占軍,樊鵬偉,韓 毅

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 陽(yáng)泉 045000)

傳統(tǒng)的儲(chǔ)煤場(chǎng)封閉方式采用鋼結(jié)構(gòu)建筑,存在成本高、施工周期長(zhǎng)、材料腐蝕引起壽命短、維護(hù)成本高等問(wèn)題。近年來(lái),氣膜結(jié)構(gòu)建筑在儲(chǔ)煤場(chǎng)的成功應(yīng)用解決了上述問(wèn)題。氣膜結(jié)構(gòu)也叫氣承式膜結(jié)構(gòu),是在高分子復(fù)合膜材形成的密閉空間中注入空氣并保持一定的室內(nèi)外壓差,使膜面受拉以保證剛度,同時(shí)維持形態(tài)并抵抗外部荷載的結(jié)構(gòu)形式。氣膜煤棚要求內(nèi)部正壓環(huán)境,具有封閉式特點(diǎn),但是氣膜煤棚內(nèi)存儲(chǔ)煤炭的瓦斯釋放引起的安全問(wèn)題突顯,封閉式氣膜煤棚的瓦斯運(yùn)移規(guī)律分析和監(jiān)測(cè)成為關(guān)鍵技術(shù)。

礦井瓦斯是礦井中煤體、巖層等多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的煤層氣,主要成分是由甲烷構(gòu)成的有害氣體,一般在煤礦工作面開(kāi)采時(shí)從煤巖裂縫中涌出釋放。煤是一種復(fù)雜的多孔隙物質(zhì),其各種小于 1 nm 到大于100 nm 的不同直徑的孔隙和裂隙十分發(fā)達(dá),在煤層內(nèi)部形成很大的表面積[1]。當(dāng)原煤從井下經(jīng)由輸送帶運(yùn)送至煤倉(cāng)時(shí),由于煤中的瓦斯在輸送過(guò)程中未完全釋放,所以在相對(duì)封閉的煤倉(cāng)中,瓦斯開(kāi)始逐漸釋放并形成瓦斯集聚現(xiàn)象,當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定值時(shí),極易引起瓦斯爆炸事故[2]。針對(duì)煤倉(cāng)瓦斯問(wèn)題,喬紅兵[3]利用Fluent軟件仿真煤倉(cāng)瓦斯的運(yùn)移規(guī)律,揭示煤倉(cāng)內(nèi)瓦斯可能的聚集狀態(tài)。李丹天[4]、段福山[5]等設(shè)計(jì)了煤倉(cāng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤倉(cāng)瓦斯聚集狀態(tài)。上述研究主要針對(duì)煤倉(cāng)內(nèi)小空間的瓦斯仿真和監(jiān)測(cè)技術(shù),而現(xiàn)有研究對(duì)于封閉式氣膜煤棚這種新的儲(chǔ)煤方式的瓦斯仿真與監(jiān)測(cè)技術(shù)尚未涉及。

鑒于上述,本文針對(duì)陽(yáng)煤一礦的封閉式氣膜煤棚的結(jié)構(gòu),運(yùn)用Fluent軟件對(duì)氣膜內(nèi)瓦斯運(yùn)移進(jìn)行仿真,進(jìn)一步在氣膜內(nèi)布置瓦斯傳感器,實(shí)現(xiàn)瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚概況

根據(jù)陽(yáng)煤一礦現(xiàn)場(chǎng)存煤場(chǎng)地的實(shí)際情況,封閉式氣膜煤棚設(shè)計(jì)方案外形、煤棚內(nèi)儲(chǔ)煤區(qū)分布以及整個(gè)煤棚的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of coal shed with enclosed air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

封閉式氣膜煤棚設(shè)計(jì)方案中,煤棚占據(jù)內(nèi)部的底面區(qū)域約為65.5 m×59.5 m, 煤棚高度約為25 m,氣膜煤棚總體空間體積約為75 000 m3。煤棚內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)儲(chǔ)煤堆,位置如圖1所示,可堆煤體積分別為8 588 m3和3 158 m3,整體煤棚堆煤總體積為11 746 m3,最大存煤量可達(dá)10 000 t。

由圖1所示,陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚共布置7臺(tái)防爆型離心式管道風(fēng)機(jī),每臺(tái)功率為11 kW,均采用變頻控制;3個(gè)可調(diào)節(jié)開(kāi)度的出氣風(fēng)閥,其最大開(kāi)口尺寸為0.9 m×0.9 m,均采用電動(dòng)連續(xù)控制開(kāi)度。為保證氣膜承載力,氣膜內(nèi)氣壓需時(shí)刻維持在250 Pa～500 Pa正壓,通過(guò)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)同時(shí)配合改變變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

可見(jiàn),氣膜煤棚是一種封閉式結(jié)構(gòu),其內(nèi)部環(huán)境沒(méi)有自然通風(fēng),需要通風(fēng)機(jī)壓入新鮮空氣,由出口風(fēng)閥出風(fēng),不僅要實(shí)現(xiàn)氣膜內(nèi)空氣流動(dòng),而且還應(yīng)保證內(nèi)部正壓環(huán)境。因此,氣膜煤棚儲(chǔ)煤空間對(duì)于瓦斯積聚問(wèn)題應(yīng)當(dāng)更加重視。

2 封閉式氣膜煤棚瓦斯運(yùn)移的Fluent仿真研究

2.1 煤樣解吸瓦斯實(shí)驗(yàn)研究

陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司一礦屬于高瓦斯礦井,原煤瓦斯的含量較高。封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)由于內(nèi)部存放的是開(kāi)采出來(lái)的原煤,存放一定時(shí)間后,位于煤炭?jī)?nèi)部的吸附瓦斯會(huì)隨著時(shí)間的推移逐步發(fā)散出來(lái)。煤種、實(shí)際儲(chǔ)煤條件、配煤比例均對(duì)煤中瓦斯的解吸特性有很大影響,為了探究?jī)?chǔ)煤場(chǎng)中煤樣的瓦斯釋放規(guī)律,以陽(yáng)煤一礦配煤中心煤樣為研究對(duì)象,進(jìn)行了相關(guān)條件下解吸實(shí)驗(yàn),用以說(shuō)明該煤樣在特定儲(chǔ)煤條件下,煤中瓦斯隨時(shí)間的解吸釋放規(guī)律,為氣膜煤棚內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律Fluent仿真提供關(guān)鍵參數(shù)。

陽(yáng)煤一礦配煤中心采集的煤樣按原煤、中煤為1:1.5的比例進(jìn)行配比,由于瓦斯解吸速率與溫度為正相關(guān)關(guān)系,考慮夏天煤棚內(nèi)溫度可能達(dá)到35 ℃左右,因此在35 ℃恒溫條件下進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn),將150 g煤樣放置于吸附缶并密封,采用排水集氣法收集解吸氣體,外部加熱至35 ℃并恒溫。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間120 min(2 h),共收集氣體23 mL,單位質(zhì)量解吸量隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖2所示。

圖2 35 ℃單位質(zhì)量解吸量隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation curves of unit mass desorption with time at 35 ℃

由圖2可知,35 ℃時(shí)煤樣前1 h的解吸速率較快,最大解吸速率是0.12 mL/(g·h)。

2.2 氣膜煤棚內(nèi)部流場(chǎng)建模

Fluent 軟件是世界領(lǐng)先的CFD軟件,在流場(chǎng)模擬過(guò)程中被廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,以揭示封閉式煤棚中堆放一定煤量后氣流在煤棚中的流動(dòng)狀態(tài)以及煤中瓦斯解吸后在煤棚中的分布規(guī)律。

1)模型建立和網(wǎng)格劃分。對(duì)陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚的物理模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分均利用Gambit軟件進(jìn)行,網(wǎng)格劃分時(shí),運(yùn)用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的混合網(wǎng)格方法進(jìn)行。應(yīng)用Gambit軟件建立的流場(chǎng)分析模型見(jiàn)圖3所示。

圖3 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚Gambit模型Fig.3 Gambit model of the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

2)計(jì)算模型選取和邊界條件的確定。封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬采用有限體積法作為離散化方法,流場(chǎng)模擬邊界條件根據(jù)風(fēng)機(jī)、出氣閥的位置和數(shù)量進(jìn)行氣流進(jìn)口和出口的條件設(shè)置,煤堆瓦斯涌出量按照瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)中35℃時(shí)瓦斯解吸速率作為瓦斯涌出條件。在封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中,由于重力對(duì)煤棚內(nèi)瓦斯在空氣中的擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生一定的影響,因而加入了重力條件。

2.3 Fluent仿真結(jié)果與分析

利用上述建立的氣膜煤棚內(nèi)部流場(chǎng)模型,對(duì)煤棚內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬,可得煤堆表面、煤棚棚頂瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布結(jié)果,見(jiàn)圖4所示。

圖4 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Gas volume fraction distribution in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

由圖4瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖可以看出,瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域并未出現(xiàn)在煤棚棚頂位置,而是出現(xiàn)在煤堆表面且背風(fēng)的區(qū)域。2個(gè)儲(chǔ)煤堆表面瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.8%的區(qū)域較少,且最大值不超過(guò)1.1%。進(jìn)一步,可得煤堆表面、煤棚棚頂氣流速度場(chǎng)分布結(jié)果,見(jiàn)圖5所示。

圖5 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚氣流速度場(chǎng)分布Fig.5 Air flow velocity field distribution in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

由圖5氣流速度場(chǎng)分布云圖可以看出,風(fēng)流沿煤棚棚頂向金字塔形煤堆的左上角交匯后,向下沿儲(chǔ)煤堆表面形成一定速度的風(fēng)流,有助于煤中瓦斯的擴(kuò)散。由于該仿真參數(shù)設(shè)置是在極端情況下,因此可以得出結(jié)論:在該通風(fēng)條件下,氣膜煤棚內(nèi)整體氣流分布較為均勻,瓦斯積聚情況可接受。

3 封閉式氣膜煤棚瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于煤礦地面設(shè)備,仍然要求防爆類型,故采用煤礦地面礦用安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有監(jiān)控主機(jī)、KJ307-J一般兼礦用本安型傳輸接口、通信線路避雷器、型電源防雷器、計(jì)算機(jī)軟件(包括操作系統(tǒng)、中心站軟件、應(yīng)用程序及其存貯介質(zhì))以及打印機(jī)等,其架構(gòu)見(jiàn)圖6所示。

圖6 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚礦用瓦斯粉塵監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Gas and dust monitoring system architecture in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

安全監(jiān)控主機(jī)能不斷的輪流與各個(gè)分站進(jìn)行通信,每個(gè)分站接收到主機(jī)的詢問(wèn)后,立即將該分站接收的各測(cè)點(diǎn)信號(hào)傳給主機(jī),各分站又不停的接收各傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)變換和處理,時(shí)刻等待主機(jī)的詢問(wèn),以便將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)將接到的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行處理和存盤(pán),并通過(guò)本機(jī)顯示器顯示出來(lái),還能將各測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)制作成各種圖形或報(bào)表輸出。

3.2 瓦斯粉塵傳感器布置

根據(jù)Fluent仿真結(jié)果與分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯與粉塵傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖7所示。

圖7 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚瓦斯粉塵傳感器布置Fig.7 Gas and dust sensors layout in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

如圖7所示,氣膜煤棚內(nèi)瓦斯傳感器共布置6個(gè),采用GJ4/100高低濃度甲烷傳感器,分別掛裝在氣膜煤棚圍墻上部,其位置主要根據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布仿真結(jié)果中可能出現(xiàn)的瓦斯聚集點(diǎn)設(shè)置,用于檢測(cè)瓦斯聚集區(qū)域的瓦斯體積含量。粉塵傳感器共布置2個(gè),采用GCD1000礦用粉塵濃度傳感器,一個(gè)懸掛于儲(chǔ)煤堆1上氣膜煤棚頂部,用于監(jiān)測(cè)氣膜煤棚內(nèi)粉塵情況,另一個(gè)安裝在氣膜煤棚外其中一個(gè)出氣閥的排風(fēng)口附近,主要用于監(jiān)測(cè)粉塵排入大氣環(huán)境的總量。

4 封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

陽(yáng)泉一礦封閉式氣膜煤棚投入使用以來(lái),日平均進(jìn)出煤量約3 000 t,瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常,瓦斯數(shù)據(jù)采集間隔為3 min,粉塵傳感器采集間隔為5 min。監(jiān)測(cè)所得的陽(yáng)泉一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵數(shù)據(jù),整體數(shù)據(jù)平穩(wěn),取其中典型的20 d數(shù)據(jù),求得瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值和粉塵日平均濃度,見(jiàn)圖8、圖9所示。

圖8 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值Fig.8 Daily mean of gas volume fracture in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

圖9 陽(yáng)煤一礦氣膜煤棚粉塵日平均濃度Fig.9 Daily mean dust concentration in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

如圖8所示,整個(gè)氣膜煤棚內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值最大不超過(guò)0.15%,整體瓦斯?jié)舛鹊陀趫?bào)警上限0.8%;瓦斯傳感器C1和C4相對(duì)瓦斯?jié)舛雀哂谄渌麄鞲衅?屬于相對(duì)局部的聚集現(xiàn)象,與氣膜煤棚內(nèi)部流程仿真結(jié)果基本一致。

如圖9所示,氣膜煤棚內(nèi)部粉塵傳感器D1所測(cè)的粉塵濃度整體平穩(wěn),低于4 mg/m3上限,滿足《煤礦安全規(guī)程2016版》第六百四十條規(guī)定的煤礦作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵濃度要求;氣膜煤棚外部排風(fēng)口附近安裝的粉塵傳感器D2所測(cè)的粉塵濃度整體相對(duì)較高,可能原因?yàn)榭拷棚L(fēng)口,且受到外部大氣環(huán)境的粉塵濃度影響。

5 結(jié)論

針對(duì)封閉式氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯粉塵安全問(wèn)題,通過(guò)瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)揭示了瓦斯在煤炭開(kāi)采出后存儲(chǔ)過(guò)程的釋放量,基于此建立陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚的內(nèi)部流場(chǎng)仿真模型,通過(guò)仿真結(jié)果揭示瓦斯和氣流在氣膜煤棚內(nèi)的分布和運(yùn)移情況。通過(guò)建立瓦斯粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)陽(yáng)煤一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯、粉塵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:正常生產(chǎn)條件下,封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯與粉塵濃度均處于安全限內(nèi),且濃度分布基本與仿真模型相似。