掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)參數(shù)對(duì)瓦斯分布影響研究

賈 靜，顧 亮，劉宇軒(.華北理工大學(xué)，河北 唐山 060；.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司東歡坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 06000；.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 05608)

煤礦瓦斯事故發(fā)生極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，其中掘進(jìn)工作面尤為嚴(yán)重，需要對(duì)掘進(jìn)工作面的瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律以及通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化做深入研究，以便采取有效措施減少瓦斯事故的發(fā)生[1-5]。目前掘進(jìn)工作面廣泛采用壓入式局部通風(fēng)方式，風(fēng)流從風(fēng)筒出口射出后，受獨(dú)頭巷道局限空間的限制和風(fēng)流的連續(xù)性影響，會(huì)出現(xiàn)與射流方向相反的流動(dòng)[6-11]。研究瓦斯氣體運(yùn)移分布規(guī)律，對(duì)于瓦斯災(zāi)害防治、降低事故損失具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害進(jìn)行了大量研究，高建良等[12]研究不同瓦斯涌出量工作面風(fēng)流和瓦斯?jié)舛确植?，結(jié)果表明，隨著瓦斯涌出量的增大和風(fēng)速的降低，瓦斯對(duì)流場(chǎng)的影響越明顯。周愛桃等[13]通過實(shí)驗(yàn)手段研究了突出后沖擊波及高瓦斯氣體運(yùn)移規(guī)律。楊濤等[14]基于有限體積法的C-N格式離散方法，編制程序并對(duì)移動(dòng)掘進(jìn)工作面巷道周圍瓦斯壓力分布、煤體透氣性變化及瓦斯涌出速率變化情況等進(jìn)行了數(shù)值模擬。孫曉元等[15]、高建良等[16]、代江嬌等[17]分別對(duì)掘進(jìn)巷道風(fēng)筒參數(shù)對(duì)于瓦斯運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化模擬實(shí)驗(yàn)。美國學(xué)者KONDURI[18]模擬了采用輔助通風(fēng)設(shè)備的獨(dú)頭巷道風(fēng)流流動(dòng)情況，與利用實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)論進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本相同。日本學(xué)者TOMITA[19]對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出做相似模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)得瓦斯的濃度分布，同時(shí)得到風(fēng)筒出口的位置對(duì)風(fēng)流流場(chǎng)的影響比較大。

掘進(jìn)工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯涌出不均勻，局部通風(fēng)要求更為嚴(yán)格。本文針對(duì)唐山某礦掘進(jìn)工作面生產(chǎn)現(xiàn)狀：瓦斯涌出量為0～1.5 m3/min、2臺(tái)局扇供風(fēng)量分別為5.9 m3/s、11.2 m3/s，利用Fluent軟件模擬研究不同條件下瓦斯分布情況，得出不同風(fēng)筒布置情況下瓦斯?jié)舛确植家约巴L(fēng)參數(shù)最優(yōu)方案，為掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出時(shí)期局部通風(fēng)提供技術(shù)支撐。

1 模型建立

1.1 巷道風(fēng)流控制微分方程

礦井巷道風(fēng)流遵循流體流動(dòng)基本守恒定律，同時(shí)巷道內(nèi)氣體的流動(dòng)遵循組分守恒定律，各守恒定律建立控制方程如下所述[20]。

質(zhì)量守恒方程見式(1)。

(1)

動(dòng)量守恒方程見式(2)～式(4)。

(2)

(3)

(4)

組分質(zhì)量守恒方程見式(5)。

(5)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；u、v、w為u在x方向、y方向、z方向上的分量，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；p為流體微元體上的壓力，Pa；Su、Sv、Sw為廣義源項(xiàng)，kg/(m3·s)；cs為組分s的體積濃度，ppm；ρcs為組分的質(zhì)量濃度，mg/m3；Ds為組分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；Ss為組分生產(chǎn)率，kg/(m3·s)。

1.2 物理模型及邊界條件

掘進(jìn)工作面巷道斷面尺寸為4 m×4 m，巷道長度選取50 m，通風(fēng)方式選用壓入式局部通風(fēng)，分析風(fēng)筒參數(shù)影響條件下巷道瓦斯分布情況，三維模型如圖1所示。根據(jù)瓦斯涌出量大小設(shè)置瓦斯源項(xiàng)，兩者關(guān)系公式見式(6)。

S=ρQ/Vt

(6)

式中：S為瓦斯質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)；ρ為瓦斯密度，kg/m3；V為瓦斯涌出單元的體積，m3；t為時(shí)間，s。瓦斯源項(xiàng)設(shè)置在掘進(jìn)頭斷面第一層網(wǎng)格處，用來替代掘進(jìn)巷道瓦斯涌出量；風(fēng)筒為速度入口，左側(cè)為壓力出口，壁面設(shè)為絕熱無滑移壁面。

死刑是否真的可以滿足民眾的報(bào)應(yīng)訴求？人死已經(jīng)不能復(fù)生，即使一命抵一命，但這樣真正的價(jià)值在哪兒？對(duì)于被害人及其家屬而言，所受到的傷害不可能得到真正的補(bǔ)償；對(duì)于罪犯而言，死亡反而是一了百了，其生前所負(fù)的債務(wù)也都一筆勾銷，這就是我們執(zhí)行死刑所希望得到的法律效果與社會(huì)效果嗎？答案自然是否定的。既然死刑不能夠達(dá)到理性的狀態(tài)，我們也不必一味地要求殺人者償命，更好的方式在于尋找死刑的可替代性措施。這種可替代性措施不僅要滿足民眾的報(bào)應(yīng)訴求，也需要能夠滿足民眾的安全需求。有鑒于此，我們可以對(duì)各國的可替代性措施進(jìn)行考察，并從中尋找可以為我國所借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用Fluent軟件模擬不同瓦斯涌出量、風(fēng)筒懸掛高度和距迎頭不同距離等參數(shù)條件下礦井瓦斯分布情況。

2.1 瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律

通過模擬分析風(fēng)筒風(fēng)量為11.2 m3/s、瓦斯涌出量為0.7 m3/min時(shí)巷道中心垂直斷面瓦斯運(yùn)移情況和風(fēng)流穩(wěn)定時(shí)(1 200 s時(shí))巷道不同斷面瓦斯分布情況，如圖2所示。

由圖2可以看出，初期瓦斯在巷道下方，由于風(fēng)流作用，瓦斯向出口方向運(yùn)移，瓦斯密度小于空氣，在浮力作用向上方運(yùn)移；時(shí)間為1 200 s時(shí)，巷道風(fēng)流趨于穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛纫糙呌诜€(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)由于風(fēng)筒射流作用，風(fēng)筒出口瓦斯?jié)舛茸畹?，巷道底部靠近掘進(jìn)迎頭位置有瓦斯的積聚，瓦斯?jié)舛容^高；可以看出風(fēng)流穩(wěn)定后巷道前方瓦斯分布不均勻，后方瓦斯?jié)舛融呌诰鶆颉?/p>

圖1 巷道三維模型Fig.1 3D model of roadway

圖2 巷道斷面瓦斯?jié)舛确植糉ig.2 Gas concentration distribution in roadway section

不同因素對(duì)于巷道瓦斯分布的影響不同，通過模擬研究單一風(fēng)筒作用下瓦斯不同涌出量、風(fēng)筒懸掛高度(風(fēng)筒最高位置距底板高度)和距迎頭不同距離等參數(shù)條件下1 200 s內(nèi)掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛群拖锏莱隹跍y(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛茸兓闆r(圖3)。利用掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛群统隹跍y(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛缺碚飨锏狼胺酵咚狗植己突仫L(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆r，得到風(fēng)流穩(wěn)定后不同條件下瓦斯分布情況，見表1～表3。

風(fēng)筒風(fēng)流未到達(dá)掘進(jìn)迎頭時(shí)，掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛仍龃?，風(fēng)流到達(dá)后，瓦斯?jié)舛润E減，隨著掘進(jìn)面瓦斯涌出，迎頭瓦斯?jié)舛乳_始增大，巷道風(fēng)流穩(wěn)定后，迎頭瓦斯?jié)舛融呌谝粋€(gè)穩(wěn)定值；巷道出口剛開始瓦斯?jié)舛葹?，之后瓦斯隨著風(fēng)流向出口方向運(yùn)移，出口瓦斯?jié)舛仍龃?，風(fēng)流穩(wěn)定后瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。

瓦斯涌出量越大，巷道瓦斯?jié)舛仍酱?；風(fēng)筒布置參數(shù)對(duì)于掘進(jìn)迎頭附近瓦斯分布影響較大，對(duì)于回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔绊戄^小，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁芟锏拦╋L(fēng)量影響較大；風(fēng)筒高度在巷道上部時(shí)，掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛容^低，整體瓦斯分布較為均勻；風(fēng)筒在距掘進(jìn)迎頭距離5 m時(shí)掘進(jìn)迎頭附近和出口瓦斯?jié)舛容^低。

圖3 不同條件下掘進(jìn)迎頭和出口測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植糉ig.3 Gas concentration distribution in heading face and outlet detection point under different conditions

表1 不同瓦斯涌出量條件下瓦斯?jié)舛确植糡able 1 Gas concentration distribution of differentgas emission amounts conditions

表2 不同風(fēng)筒懸掛高度條件下瓦斯?jié)舛确植糡able 2 Gas concentration distribution at differentair duct hanging heights conditions

表3 不同風(fēng)筒出口距離迎頭距離條件下瓦斯?jié)舛确植糡able 3 Gas concentration distribution at differentduct outlet distance from head conditions

2.2 唐山某礦風(fēng)筒實(shí)際布置參數(shù)研究

唐山某礦局部通風(fēng)風(fēng)筒直徑規(guī)格為600 mm和800 mm，根據(jù)2.1部分綜合比較，選取瓦斯涌出量為0.7 m3/min、風(fēng)筒懸掛高度為3.8 m、距掘進(jìn)迎頭距離為5 m時(shí)對(duì)2種風(fēng)筒直徑下礦井瓦斯分布進(jìn)行模擬，得到1 200 s內(nèi)掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛群拖锏莱隹跍y(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植记闆r(圖4)。

由于局部風(fēng)機(jī)供風(fēng)量有限，瓦斯涌出量較大時(shí)單臺(tái)局扇無法滿足礦井局部通風(fēng)要求，該礦工作面配備2種規(guī)格的風(fēng)機(jī)，一種風(fēng)機(jī)功率為2×45 kW，供風(fēng)量為11.2 m3/s，風(fēng)筒直徑為800 mm；另一種風(fēng)機(jī)功率為2×30 kW，供風(fēng)量為5.9 m3/s，風(fēng)筒直徑為600 mm。 選取10種工況條件下風(fēng)筒布置方式，模擬分析兩臺(tái)局扇布置最優(yōu)方案，如圖5所示(其中，工況一、工況二、工況三為兩種風(fēng)筒布置在中間和側(cè)壁；工況四、工況五、工況六為布置在側(cè)邊上部不同位置；工況七和工況八為風(fēng)筒出風(fēng)口距離迎頭距離不同；工況九和工況十為布置在側(cè)邊不同高度)。

圖4 風(fēng)筒直徑不同時(shí)瓦斯?jié)舛确植糉ig.4 Gas concentration distribution at different duct diameters

圖5 不同工況風(fēng)筒布置方式Fig.5 Air duct layout in different working conditions

通過模擬分析不同工況條件下，掘進(jìn)巷道迎頭1 200 s內(nèi)瓦斯?jié)舛确植记闆r，如圖6所示。

風(fēng)筒布置方式不同時(shí)，巷道迎頭瓦斯?jié)舛确植疾痪鶆?，可以看出，工況一條件下瓦斯?jié)舛容^高，巷道內(nèi)環(huán)境也較為危險(xiǎn)，通過分析巷道出口瓦斯?jié)舛茸兓闆r，得到風(fēng)流穩(wěn)定時(shí)10種不同工況條件下掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛确謩e為0.341%、0.256%、0.239%、0.261%、0.236%、0.259%、0.253%、0.243%、0.255%、0.249%，由圖6分析可以得出，2個(gè)風(fēng)筒都布置在側(cè)邊上部，風(fēng)量較大風(fēng)筒布置在上方，風(fēng)量較小風(fēng)筒布置在下方時(shí)巷道瓦斯?jié)舛容^低，即工況五效果最好。

2.3 礦井實(shí)際通風(fēng)方案

唐山某礦瓦斯涌出量不均勻，涌出量為0～1.5 m3/min，礦井使用不同規(guī)格風(fēng)機(jī)時(shí)瓦斯分布情況不同。通過模擬得到供風(fēng)量不同時(shí)，瓦斯涌出量與礦井出口瓦斯?jié)舛汝P(guān)系，如圖7所示。

風(fēng)筒布置對(duì)于出口瓦斯?jié)舛扔绊懶?，巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁茱L(fēng)機(jī)供風(fēng)量影響大，礦井瓦斯涌出量不同時(shí)所需供風(fēng)量也不同；瓦斯涌出量較小時(shí)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)就可保證礦井通風(fēng)安全，瓦斯涌出量較大時(shí)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)不能使回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档偷?.5%以下(該礦井局部通風(fēng)要求)，應(yīng)增加風(fēng)機(jī)對(duì)巷道供風(fēng)，若最大風(fēng)量仍不能保證巷道通風(fēng)安全，應(yīng)采取抽采等措施降低瓦斯涌出量。

圖6 不同工況掘進(jìn)迎頭瓦斯?jié)舛确植糉ig.6 Gas concentration distribution in heading face under different working conditions

圖7 不同供風(fēng)時(shí)瓦斯涌出量與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛汝P(guān)系Fig.7 Relationship between gas emission and gas concentration in return air flow under different air supply conditions

通過大量模擬分析確定風(fēng)機(jī)以2×30 kW額定功率供風(fēng)時(shí)，瓦斯涌出量為0.4 m3/min時(shí)巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.502%；2×45 kW功率風(fēng)機(jī)以額定功率供風(fēng)時(shí)，瓦斯涌出量為0.75 m3/min時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.496%；2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)供風(fēng)時(shí)，瓦斯涌出量為1.13 m3/min時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.497%。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)唐山某礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯涌出不均勻的生產(chǎn)現(xiàn)狀，利用Fluent軟件模擬研究了風(fēng)筒布置方案不同時(shí)瓦斯?jié)舛确植技熬植客L(fēng)最優(yōu)方案，為掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出時(shí)期局部通風(fēng)提供技術(shù)支撐,主要得到以下結(jié)論。

1) 瓦斯涌出后，初期聚集在巷道底部，由于浮力和風(fēng)流作用，瓦斯向巷道上方和出口方向運(yùn)移，風(fēng)流穩(wěn)定后迎頭附近下方有較高濃度瓦斯積聚，后方瓦斯分布均勻。

2) 2個(gè)風(fēng)筒同時(shí)布置在側(cè)邊上部且風(fēng)量較大的風(fēng)筒在風(fēng)量較小風(fēng)筒上方時(shí)巷道前方瓦斯分布濃度較低，稀釋瓦斯效果較好。

3) 根據(jù)唐山某礦掘進(jìn)巷道瓦斯和風(fēng)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，瓦斯涌出量在0.4 m3/min以下時(shí)，可使用2種任意規(guī)格局扇，瓦斯涌出量在0.75 m3/min以下時(shí)，可單獨(dú)使用2×45 kW功率局扇供風(fēng)，瓦斯涌出量在0.75～1.13 m3/min時(shí)可使用2臺(tái)局扇同時(shí)供風(fēng)。瓦斯涌出量大于1.13 m3/min時(shí)，2臺(tái)局扇無法滿足礦井通風(fēng)需求，應(yīng)更換較大風(fēng)量局扇或采取瓦斯抽采等手段，確保礦井通風(fēng)安全。