掘进巷道油型气扩散规律数值模拟*

张俭让，张荃，董丁稳，陈伟

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安710054)

掘进巷道油型气扩散规律数值模拟*

张俭让1，2，张荃1，2，董丁稳1，2，陈伟1，2

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054;2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安710054)

∶根据掘进巷道风流流场特点，应用计算流体力学(CFD)软件ANSYS的Realizable k-ε双方程模型模拟了掘进工作面的油型气与风流质量混合过程。探讨了掘进工作面风流流场和油型气的主要成分CH4浓度分布规律，对比了油型气在掘进巷道底板不同位置涌出的扩散规律。研究表明，涌出点在涡流内部区域时，油型气与巷道风流混合得更充分;涌出点距掘进头一定距离之后，油型气涌出后随风流方向运动，且巷道顶部浓度较高;涌出源为垂直于掘进方向的裂隙时，油型气扩散后CH4浓度在高度上的浓度差较小，裂隙平行于掘进方向时，高度上的浓度差较大。

∶掘进巷道;数值模拟;风流流场;CH4浓度

0 引言

煤油气共生矿井易发生围岩瓦斯涌出现象，并具有突发性、隐蔽性和涌出量大等特点，底板涌出则更为严重，成为影响矿井安全高效开采新的致灾因素。经检测，异常涌出气体的成因类型为油型气。

天然气中的有机成因气根据其母质类型划分为煤成气和油型气［1］。煤成气是指煤系地层或亚煤系地层中的煤与分散腐殖型有机质在成煤作用中形成的天然气，包括煤层气(瓦斯)［2］;油型气是指分散的腐泥型有机质和以腐泥型为主的混合型有机质，在其热演化进入成熟阶段后，在热力作用下成油的高成熟至过成熟阶段，液态烃和有机质裂解所形成的天然气［3］。油型气的主要成分CH4含量高达90%，此外还含有C2H6，C3H8，C4H10，C5H12，C6H14，H2，CO等多种可燃性气体［4］。

黄陵矿区、焦坪矿区、鄂尔多斯矿区［5］、甘肃窑街矿区［6］等地均存在煤层瓦斯与围岩油气共生现象。目前尚未开展矿井监测监控油型气及油型气、煤层瓦斯混合气体爆炸临界值的影响等方面的研究，更未能形成有效地煤油气共存矿井瓦斯综合防治理论及技术体系。文中针对煤油气共生矿井，通过油型气涌出扩散过程的数值模拟，分析掘进工作面油型气在底板涌出时的扩散规律及油型气主要成分CH4分布规律，为煤油气共生矿井瓦斯治理提供了依据。

1 物理模型及网格划分

依照掘进巷道实际尺寸，利用ANSYS软件建立三维模型。模型为矩形掘进巷道，巷道横断面宽5.4 m，高3.6 m.局部通风采用压入式通风方式，风筒直径为1 m，风筒轴线距巷道侧壁1.5 m，风筒出口距掘进头6 m.在模拟中将掘进机简化为长方体来模拟其对风流流场的影响，其尺寸为长9.44 m，宽2.9 m，高1.65m.结合掘进工作面瓦斯赋存及涌出规律［7-10］，模拟中将掘进头瓦斯涌出设置为源项。

图1 模型几何Fig.1 Geometricmodel

图2 涌出源设定图Fig.2 Location of CH4emission

根据模型的物理特征，选择CutCell网格划分方式。k-ε模型只针对充分发展的湍流有效，而近壁面区域流体粘性的影响较大，雷诺数较低，湍流发展不充分，应采用壁面函数法。本文采用Realizable k-ε双方程模型和壁面函数法相结合对掘进工作面压入式通风过程进行数值模拟研究，应该保证近壁面第一层节点位于对数律层中，以保证模拟的精确度［11-12］。网格接近壁面需要满足

式中yp为近壁面第一层单元中心到壁面的距离; u∞为自由流速度;v为流体的动力学粘性系数;x为从边界层起始点开始至壁面的距离。

2 数学模型

2.1 数学模型

掘进工作面的风流流动状态为湍流流动，包括射流区和回流区［13］。巷道内空气湍流流动与浓度扩散控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和组分质量守恒方程［14］。

2.1.1 连续性方程

左侧第一项是质量对时间的变化率;ui是轴向速度分量;源项Sm是稀疏相增加到连续相中的质量或者质量源项。

2.1.2 动量守恒方程

式中p为静压;Fi为重力体积力和其它体积力，体积源项。

2.1.3 组分输运方程

式中cs为组分的体积浓度;ρcs为该组分的质量浓度;Ds为该组分的扩散系数;Ss为系统内部单位体积的化学反应在单位时间内产生的该组分的质量，也称生产率。

2.1.4 Realizable k-ε湍流模型

式中Gk为k-ε计算模型中湍流动能的平均速度梯度;Gb在k-ε计算模型中描述浮升力对湍流的影响;YM为在可压缩湍流脉动扩张到整体的耗散率，描述可压缩性对湍流的影响。C2和C1ε是常数;σk和σε分别是k和ε的湍流普朗特数。

结合主控方程，模型中风流视为不可压缩气体流动，考虑重力及密度差产生的浮升力影响，求解计算选择隐式分离三维稳定流求解器，速度采用绝对速度;用SIMPLEC算法求解流速和压力耦合;压力场采用标准离散方式。

2.2 边界条件

掘进头瓦斯涌出源区域类型为流体、源项、多孔介质，孔隙率为0.2.风筒出口速度通过工作面有效风量计算得到。通过模拟，瓦斯涌出质量流量设定为0.005 65 kg/(m3·s)时，巷道CH4浓度为0.6%，与现场数据相符，且符合规程要求。边界条件设定见表1，表2.

表1 主要边界条件设定Tab.1 Main boundary conditions

3 数值模拟结果及分析

以下所有分析皆以巷道中轴切面x=2.7平面风流流场矢量图及CH4浓度分布云图为依据。CH4浓度皆为CH4的质量分数。无油型气涌出及涌出点a，b，c，d，e的风流流场矢量图及CH4浓度分布云图，如图4，图5所示。涌出源u，v，w的CH4浓度分布云图，如图7所示。为探究油型气扩散稳定后在巷道的浓度分布情况，建立了如图3的观测线，图6和图8为观测线上的CH4浓度曲线图。

表2 油型气涌出源边界条件设定Tab.2 Oil type gas em ission source boundary conditions

图3 巷道的CH4浓度分布情况观测线Fig.3 Observation line of CH4concentration distribution in coal roadway

3.1 无油型气涌出时掘进工作面情况

无油型气涌出时，巷道中CH4来源为掘进头瓦斯涌出，在远离风筒一侧，除掘进头上方有涡流外，风流比较稳定;在巷道中部，掘进头位置涡流较多，掘进机后方有小涡流;近风筒一侧，风流在巷道上部流动复杂，涡流众多，而巷道下部流动稳定。对应无油型气涌出时的CH4浓度分布云图，在掘进头瓦斯涌出源中，风筒出口正对的部位CH4浓度最低，远离风筒一侧下部角落CH4浓度最高，约为1%;CH4进入巷道之后，随风流流动向整个巷道扩散，并从图5中可以明显看出CH4向巷道上方扩散。扩散稳定后，巷道平均CH4浓度约为0.6%，与实测数据相符，满足规程要求。

3.2 有油型气涌出时掘进工作面情况

3.2.1 油型气在底板不同位置涌出的扩散规律

油型气涌出时，巷道中CH4来源为掘进头瓦斯涌出以及涌出点涌出的油型气中的CH4。

涌出点a处于掘进机前端，油型气涌出之后在风流的带动及涡流的影响下，很快扩散并充满整个巷道，因此，油型气与风流混合的相对比较均匀，巷道下部浓度比较高。图6中曲线a比较平缓，说明涌出点油型气涌出平稳后高度上的浓度差比较小。

涌出点b处于掘进机后的涡流处，油型气涌出后受横向的力较小，几乎是垂直涌向顶板，沿顶板贴附流动，一部分与涡流风流混合，因此巷道下部的CH4浓度也并不小。

涌出点c距掘进头20 m，此处巷道风流已接近稳定，从图5可以看出，巷道断面CH4呈明显分层，巷道上部2.6m以上浓度较高，往下递减，浓度范围在0.5%～2%之间。油型气涌出后，一部分被巷道上部的涡流带往工作面，一部分顺巷道风流流动，在涌出气体到达巷道顶部之后，流动方向发生改变，这也解释了CH4浓度分布呈波浪形的原因。从完整的截面图可以看出，在涌出点后约20 m，浓度分布达到平稳。

涌出点d，e处于基本稳定的风流流场，其风流流场矢量图与CH4浓度分布云图都极为相似，巷道上部CH4浓度较高，涌出点e巷道上部CH4浓度要更高。分析其原因，一是油型气涌出有初始向上的动能，且油型气的主要成分CH4的密度较空气小;二是此时巷道风流流向趋于稳定。

图4 风流流场矢量图模拟结果总汇Fig.4 Flow field vector diagram

图5 CH4浓度分布模拟结果总汇Fig.5 CH4concentration distribution

图6 不同涌出点在观测线上的CH4浓度曲线图Fig.6 CH4concentration on the observation line

3.2.2 油型气以不同形状涌出的扩散规律

涌出源c，u，v，w的x=2.7截面CH4浓度分布图及油型气扩散稳定后CH4在巷道高度上的浓度分布曲线图，如图7，图8所示。结合两图可以看出，涌出源c的CH4浓度在高度上的变化最明显。涌出源u的浓度变化差异最小，浓度范围为0.55%～1.7%，v与u极为相似;涌出源w的上下分层情况较为明显，涌出源w在巷道高度约1.6 m时，浓度开始急剧增加，直到2.6 m上方CH4浓度达2.3%，1.5 m下方为0.5%.从图7可以看出，c曲线几乎是在u，v曲线与w曲线之间。由此可知，根据涌出量和涌出位置，油型气以不同涌出形状涌出扩散稳定后截面的CH4浓度分布范围是可以推断的，这对研究爆炸范围的确定有重要意义。

图7 不同形状涌出源CH4浓度分布云图Fig.7 CH4concentration in different shapes

图8 不同形状涌出源在观测线上CH4浓度曲线图Fig.8 CH4concentration on the observation line

4 结论

1)无油型气涌出时，风筒出口直对的区域CH4浓度较小，远离风筒的区域CH4浓度较大;CH4进入巷道后随风流扩散，且巷道上部CH4浓度略高于巷道下部;

2)油型气在底板不同位置涌出的扩散规律不同。在本文的数据背景中，涌出点在掘进机前方时，能与巷道风流混合均匀;涌出点在掘进机后方涡流区时，涌出点上方漏斗形区域CH4浓度在爆炸极限内;涌出点在距掘进头约20m后的范围时，油型气顺着风流延轴向方向运动且不与巷道内的风流均匀混合，巷道上部CH4浓度较高，往下递减;

3)文中设置了矩形涌出源模拟油型气从裂隙中涌出后的扩散，模拟发现，裂隙平行于掘进方向时，油型气扩散后CH4浓度在巷道中出现上下分层;裂隙垂直于掘进方向时，油型气扩散后CH4浓度在高度上的浓度差比较小;圆形涌出及裂隙与掘进方向成45°涌出时，CH4浓度在高度上的浓度曲线在二者之间。这说明，涌出量、涌出位置及其他条件不变时，涌出源的形状变化对应的CH4浓度变化规律是有迹可循的。

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Numerical simulation of oil-type gas diffusion regularities in roadway excavation

ZHANG Jian-rang1，2，ZHANG Quan1，2，DONG Ding-wen1，2，CHENWei1，2

(1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory ofWestern Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China)

∶According to the characteristics of flow field in roadway excavation，a simulation was carried out on mixing procession of airflow and CH4in heading face with CFD fluent，using Realizable k-ε double equationmodel.The heading face airflow field and CH4concentration distribution was discussed. And emission law of oil-type gas at different floor position was compared.The study found thatwhen the point in eddy current region，oil-type gas and airflow mixed more fully.After a certain distance from point to face，oil-type gasmoveswith the airflow and the concentration decreases from top to bottom.E-mission point for the cracks perpendicular to the driving direction，CH4concentration in the height of the gas diffusion after oil type difference is tiny discrepancy;cracks parallel to the driving direction，the concentration of the height is large differences.

∶heading face;numerical simulation;airflow;CH4concentration

∶TD 712

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0306

∶1672-9315(2015)03-0307-06

∶2015-04-10责任编辑∶高佳

∶张俭让(1963-)，男，陕西岐山人，教授，E-mail∶zhaangjr@sohu.com