巷道中瓦斯涌出位置对瓦斯分布的影响规律模拟

高建良 王春霞

河南理工大学安全科学与工程学院

巷道中瓦斯涌出位置对瓦斯分布的影响规律模拟

高建良 王春霞

河南理工大学安全科学与工程学院

为了防止瓦斯积聚,确保矿井安全生产,必须准确掌握瓦斯涌出位置对巷道中瓦斯分布与瓦斯积聚位置的影响规律。基于计算流体动力学基本理论,利用Fluent软件,在湍流充分发展区,使用标准双方程湍流模型,对不同瓦斯涌出位置对巷道中的瓦斯分布与积聚进行数值模拟,分析研究了瓦斯涌出位置对巷道中瓦斯分布的影响规律,得出不同涌出位置巷道中瓦斯分布与瓦斯积聚的一般规律。模拟结果表明:瓦斯涌出位置对巷道中瓦斯分布影响很大,顶板涌出的瓦斯难以与空气混合,顶板处容易发生瓦斯积聚;侧壁涌出瓦斯时,断面上侧壁与顶板处瓦斯浓度比中心区域高;底板涌出的瓦斯在上浮力作用下容易与空气混合,底板附近不易积聚高浓度瓦斯。

瓦斯源 贯通巷道 瓦斯分布 瓦斯积聚 Fluent软件 数值模拟

0 引言

随着煤层开采进入瓦斯含量较大的深部和采煤生产能力的提高,瓦斯涌出量大幅度增加,瓦斯积聚造成的瓦斯浓度超限成为当前矿井最大的安全隐患。矿井通风是防止瓦斯积聚,确保矿井安全生产的重要手段。研究和掌握矿井风流和巷道空间瓦斯分布与积聚规律,对于防止瓦斯积聚、预防瓦斯爆炸、保证矿井安全生产具有重要的现实意义。很多研究人员对采空区、回采工作面、掘进巷道、贯通巷道中的瓦斯分布与瓦斯积聚规律做了大量研究工作[1-9],对于巷道中瓦斯运移机理、瓦斯的上浮效应等有了清晰的认识。但是对于瓦斯涌出位置对巷道中瓦斯分布的影响研究还不够全面。笔者曾采用相似模型实验研究了回采工作面下行通风时瓦斯涌出和分布规律,但由于模型条件的限制,以离散孔隙涌出的瓦斯来近似代替实际工作面中均匀涌出的瓦斯,得出的瓦斯分布与实际工作面中的瓦斯分布会产生一定的误差,数值模拟的方法可以有效地避免这一误差。

由于瓦斯比空气的密度低,瓦斯与空气混合会引起巷道内部气流密度的变化,瓦斯涌出点附近的瓦斯使该区域空气—瓦斯混合气体的密度降低,因此应考虑浮升力的影响。浮升力的作用使得当瓦斯从巷道顶板、侧帮、底板等不同位置涌出时其分布规律差别很大。为了准确掌握瓦斯涌出位置对巷道中瓦斯分布与瓦斯积聚位置的影响,有必要对瓦斯涌出点不同时巷道中的瓦斯分布进行更深入的研究。笔者对梯形断面贯通巷道中瓦斯分别从顶板、两帮、底板均匀涌出时,巷道中瓦斯分布进行数值模拟,得出不同瓦斯涌出点时贯通巷道中瓦斯分布的一般规律。

1 数学及物理模型

1.1 数学模型

巷道中气体可视为不可压缩流体,可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热,同时假定壁面绝热,且假定流场恒温,不考虑能量传递;流体的湍流粘性具有各向同性,湍流的动力粘滞系数(μt)可作为标量处理;流动近似为稳态流动,满足Boussinesq假设。瓦斯紊流扩散的控制方程包括质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程(Navier-Stokes方程)和组分传输方程。湍流模型采用标准k—ε两方程模型,采用标准壁面函数法处理近壁面处的流动。

对于巷道中瓦斯紊流扩散的稳态流动,根据以上描述,控制方程可以表示为如下通用的微分方程形式:

式中:u、v、ω分别表示x、y、z 3个方向上的速度分量; <为模型通用因变量,可代表速度、紊流动能、紊流动能耗散率、组分质量分数;Γ<为与<对应的扩散系数; S<为与<对应的源项。

1.2 物理模型

本文以一梯形水平巷道为例,模拟贯通巷道中流动充分发展区域内的瓦斯分布,在笛卡尔坐标系下建立关于 x、y、z的三维巷道空间。其中 x表示巷道横断面的宽度,y表示巷道横断面的高度,z表示巷道的长度;梯形巷道上底宽2.4 m,下底宽3 m,高2.4 m,采用工字钢支护(为研究方便,将巷道支护断面简化为边长为0.1 m的正方形),支护间距为1 m。模型的一端作为风流入口,另外一端为风流出口,瓦斯分别从巷道顶板、两帮壁面和巷道底板涌出。为了研究流动充分发展区域瓦斯分布,应避开巷道出口、入口风流的影响。通过大量数值模拟的预备实验,发现模拟巷道总长度取140 m较合适,瓦斯源位于z为70～75 m的巷道顶板、两帮壁面和巷道底板上,巷道的物理模型如图1所示。

图1 模拟巷道的物理模型图

2 边界条件

1)入口边界:设为速度入口(velocity-inlet),风流垂直于模型巷道入口均匀进入巷道。

2)出口边界:设为自由出流(outflow),即5 ui/ 5xi=0。

3)壁面边界:所有壁面上施加无滑移边界条件,即Ui=0,近壁面采用标准壁面函数法处理,壁面以绝热对待[10]。

4)瓦斯源项:采用源项来处理瓦斯涌出,即认为瓦斯从靠近涌出地点近壁面第一层网格单元涌出,这些单元的源项SS等于单位时间、单位体积内瓦斯的生成量。根据瓦斯涌出量的大小设置瓦斯源项,假设涌出量为Q,则SS=ρQ/V(ρ为瓦斯密度,V为瓦斯涌出源的体积)。文中瓦斯涌出量Q以单位时间内一定量的瓦斯均匀涌出,涌出量为0.006 4 m3/s。

3 模拟实验及结果分析

根据以上数学、物理模型以及边界条件,利用计算流体动力学的软件Fluent,对巷道中瓦斯分别从顶板、两帮壁面和底板涌出时紊流风流中的瓦斯分布进行模拟解算。

3.1 瓦斯涌出位置对巷道纵剖面上瓦斯分布的影响

当瓦斯从贯通巷道顶板、两帮煤壁、底板涌出时,过巷道中轴线纵剖面上的瓦斯浓度分布分别如图2、3和图4所示。

图2 顶板处为瓦斯源时巷道纵剖面上瓦斯浓度分布图(倾角0°,x=0 m)

图3 侧壁处为瓦斯源时巷道纵剖面上瓦斯浓度分布图(倾角0°,x=0 m)

图4 底板处为瓦斯源时巷道纵剖面上瓦斯浓度分布图(倾角0°,x=0 m)

由图可以看出,当瓦斯从巷道顶板涌出时,由于浮力的作用,瓦斯与空气难以混合,顶板瓦斯浓度高,顶板处形成大约长8 m的瓦斯积聚层。当巷道两帮壁面涌出瓦斯时,在瓦斯涌出点(z=70 m两帮煤壁处)2 m后(z=72 m)顶板处有小范围的高浓度瓦斯分布。这说明壁面涌出的瓦斯在浮力与风流的双重作用下,沿煤壁向上和风流方向两个方向运移。当瓦斯从巷道底板涌出后,在体积力作用下上浮的过程中与风流发生对流运移,且在上浮过程中与空气混合,整个断面上瓦斯浓度分布较均匀。

3.2 瓦斯涌出位置对巷道横断面上瓦斯分布的影响

取瓦斯分别从顶板、侧壁、底板涌出3种情况下在瓦斯涌出源附近z=73.5 m处横断面以及离开瓦斯源一段距离z=90.5 m处横断面上的瓦斯浓度分布进行对比分析(如图5、6所示)。

图5 z=73.5 m横断面瓦斯浓度分布图

图6 z=90.5 m横断面瓦斯浓度分布图

由图5可知,顶板涌出的瓦斯与空气最难混合,容易在顶板发生瓦斯积聚分层现象。侧壁涌出的瓦斯在风流和上浮力的作用下沿煤壁向顶板方向运移,同时瓦斯在分子扩散作用下向断面中心区域扩散。因此,断面上侧壁和顶板附近瓦斯浓度比断面中心区域高。底板涌出的瓦斯比较容易与空气混合,底板处瓦斯浓度大于2%的区域非常小,瓦斯难以在底板处积聚。比较图5(a)与图5(c)可以看出,瓦斯从底板涌出后在上浮力的作用下,有足够的空间用来与空气混合,而瓦斯从顶板涌出后没有充足的空间与空气混合。因此,顶板涌出瓦斯时顶板处的瓦斯浓度比底板涌出瓦斯时底板处的瓦斯浓度高很多,瓦斯积聚的区域也要大很多。

图6显示了巷道顶板、两帮侧壁和底板涌出的瓦斯与风流混合一段距离后巷道断面上的瓦斯分布。由于瓦斯比空气轻,在浮力的影响下顶板涌出的瓦斯很难与空气混合。由图6(a)可以看出,断面上瓦斯分布不均匀,瓦斯大部分集中在断面上部,断面下部瓦斯分布很少;巷道两帮侧壁涌出的瓦斯在整个断面上分布的比较均匀,这是因为瓦斯一部分处在巷道中心(即风流的核心区),瓦斯受核心风流的作用比较大;底板涌出的瓦斯在风流和浮力的作用下与空气混合,由于底板附近的风流速度较小,瓦斯与空气的混合能力比煤壁涌出的混合能力弱。

4 结论

1)当瓦斯从巷道顶板涌出时,由于瓦斯浮力的作用,瓦斯与空气难以混合,断面上瓦斯分布不均匀,易出现瓦斯在顶板积聚分层现象,上部瓦斯浓度高,下部瓦斯浓度低。

2)壁面涌出的瓦斯在浮力与风流的双重作用下,沿煤壁向上和风流方向两个方向运移,在瓦斯涌出点附近顶板处有小范围的高浓度瓦斯分布,断面上侧壁和顶板附近瓦斯浓度比中心区域高。

3)当瓦斯从巷道底板涌出后,在体积力作用下上浮过程中与空气混合,断面上瓦斯浓度分布较均匀,不容易产生积聚现象。

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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.

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长江学者和创新团队发展计划资助项目(编号:IRT0618);河南省高校杰出人才创新工程项目(编号:2004KYCX005)。

高建良,1963年生,教授,博士生导师,日本九州大学工学博士,国家安全生产专家;现任河南理工大学安全科学与工程学院院长。地址:(454003)河南省焦作市河南理工大学安全科学与工程学院院长办公室。电话:(0391)3987882,13903899150。E-mail:gao@hpu.edu.cn

高建良等.巷道中瓦斯涌出位置对瓦斯分布的影响规律模拟.天然气工业,2010,30(6):109-112.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.030

2010-01-20 编辑 赵 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