突出冲击气流形成及传播规律数值模拟研究

2023-08-03戴林超

能源与环保 2023年7期

戴林超

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

煤与瓦斯突出是一种井工煤矿在开展采掘作业时可能会遇到的动力现象。突出发生时所产生的高速含煤粉或岩粉瓦斯流具有很高的能量,能够在巷道内形成具有较大破坏性的冲击气流及冲击波,摧毁巷道设施,破坏通风系统,甚至会造成风流逆转。同时,突出的高浓度瓦斯能够充满巷道空间,造成人员窒息,有时还会伴生瓦斯燃烧或爆炸,严重威胁着煤矿的安全生产及煤矿工人的人身安全[1-2]。

从第1次有记录的煤与瓦斯突出开始,国内外学者就对突出产生的机理及其防治做了大量研究工作并取得了显著的成果[3-5],大型以及特大型煤与瓦斯突出已经很少出现,但由于煤与瓦斯突出发生机理的复杂性,至今也无法完全消除煤与瓦斯突出这一重大煤矿灾害,煤矿井下突出事故仍时有发生[6-7]。针对这一客观现实,近些年来部分学者开始对煤与瓦斯突出发生后的致灾特征进行探索,试图通过深入研究煤与瓦斯突出发生后高速瓦斯流的运移规律来降低或者消除煤与瓦斯突出灾害的影响[8-10]。

煤与瓦斯突出具有极大的破坏性,在井下人为诱发突出不具可行性,大部分学者在实验室利用实验装置模拟煤与瓦斯突出这一动力现象[11-13]。但由于突出过程中的不可控制因素太多,一次实验的成功率往往不高。而数值模拟作为理论分析和实验模拟的补充,在对一些无法进行实验或者实验成本过高的情况下,考虑问题更加复杂、全面,从而获取的信息也更加丰富[14]。因此,笔者拟运用ANSYS Fluent数值模拟软件,研究突出发生后巷道内冲击气流的时空演化规律及瓦斯浓度分布情况,为煤与瓦斯突出灾害的有效防治提供科学依据。

1 数学模型与数值方法

1.1 控制方程

煤与瓦斯突出发生时,高压瓦斯气体急剧膨胀压缩巷道内的空气,产生的冲击气流流动控制方程是建立在以下自然界普遍适用的基本守恒定律基础之上的。二维突出冲击气流流动控制方程如下:

1.2 物理模型

针对煤与瓦斯突出腔体大多呈现口小腔大的特征,构建的几何模型如图1所示。模型主要包括高压瓦斯区域和模拟巷道区域,高压瓦斯区域尺寸设定为0.3 m×0.7 m,模拟巷道长为8 m,高为0.1 m。为了实时监测模拟巷道内冲击气流的传播规律,本次模拟在巷道内创建1条监测线以及3个监测点,其中原点(0,0)设置在突出口处,3个监测点的坐标分别为监测点1(1,0),监测点2(3,0),监测点3(5,0),监测线的具体位置为(0

图1 几何物理模型Fig.1 Geometric physical model

1.3 网格划分

在确定了几何模型后,为了使几何模型变成有限元,将整个高压瓦斯区域和模拟巷道区域设为计算区域,利用网格划分工具ICEM对其进行网格划分,选择结构化网格划分方式,一共划分四边形网格9 300个,如图2所示。

图2 网格划分Fig.2 Meshing

1.4 基本假设

由于突出的发生过程极为复杂,在进行数值模拟研究时,需要对突出过程进行一些理想化的假设。假设:突出临界状态时,突出区域内为高压纯瓦斯气体,速度为0,巷道内为常压状态下的空气,速度也为0(相较突出时的高速运动的瓦斯气流,巷道中的风速可以忽略不计);突出发生后,突出区域内的高压瓦斯气体瞬间涌入巷道,形成冲击气流[15]。模型初始化参数设置见表1。

表1 模型初始化参数设置Tab.1 Model initialization parameter settings

2 数值模拟结果及分析

2.1 突出冲击气流沿巷道传播特征

0.5 MPa瓦斯压力条件下,发生突出后巷道内不同时刻各处冲击气流压力、速度以及瓦斯质量分数分布曲线如图3所示。

图3 0.5 MPa瓦斯压力条件下巷道内各处冲击气流模拟结果Fig.3 Simulation results of impact airflow in roadway under the condition of 0.5 MPa gas pressure

(1)由冲击气流压力曲线(图3(a))可知,当突出发生后,突出区域内的高压瓦斯气体急剧膨胀产生一道向右的激波(一种特殊的压缩波)和一系列向左的膨胀波,向右的激波相对波前气体以超音速传播,使右半部压力上升,与前方未扰动的空气区形成明显的压力界限;而向左的膨胀波则以音速传播,使左半部压力下降。

(2)由不同时刻巷道内冲击气流速度曲线(图3(b))可知,突出发生瞬间巷道内的气流流速是超音速流动;根据流体力学理论,超音速流动中,压力的传播速度还没有流体运动的速度快,就可能出现压力无法及时释放的情况,这时,流场中会出现明确的波,流体经过这些波时压力会产生跃升或突降,即压缩波和膨胀波。这也解释了图3(a)中冲击气流压力曲线形成的原因。同时,由于巷道壁面的摩擦和限制作用,冲击气流在传播过程中压力和速度都是在不断衰减的,至0.01 s时刻,激波波阵面的压力衰减至190.9 kPa,速度衰减至289 m/s。

(3)由瓦斯浓度分布曲线(图3(c))可知,突出发生后的一段时间内,突出瓦斯气体在巷道内的运移扩散方式主要为驱替运移。在驱替运移阶段,由于高压瓦斯初始喷出具有一定的初动量,在靠近突出口附近区域,瓦斯气体的驱替运移作用较强,在巷道内形成了高浓度瓦斯区域。同时,通过与冲击气流压力曲线以及冲击气流速度曲线对比可以看出,突出瓦斯的运移扩散速度要远小于冲击气流的传播速度。

2.2 各监测点冲击气流压力随时间变化规律

不同瓦斯压力条件下发生突出后,巷道内各监测点冲击气流压力随时间变化规律曲线如图4所示。突出发生后,靠近突出口的监测点1处气流压力瞬间升高,在到达峰值之后快速下降,前期下降速率快,后期下降速率慢,在同一测点处的压力衰减随时间呈现减缓趋势;最后随着时间的推移,巷道内的气流压力在经历反复震荡后,逐渐恢复为突出前的常压状态。

图4 各监测点冲击气流压力随时间变化规律Fig.4 Variation law of impact airflow pressure at each monitoring point with time

突出冲击气流冲量大小就是冲击气流压力对作用时间的积分,即压力曲线与时间坐标轴所围成的面积大小。比较同一测点处3种不同瓦斯压力的冲击气流压力变化曲线可知,瓦斯压力越大,冲击气流压力峰值越大,其与时间坐标轴围成的面积越大,冲击气流冲量也越大,当井下发生突出时,其对井下作业工人以及巷道设施造成的伤害也越大[16-17]。

利用Origin软件获取各监测点处冲击气流压力峰值见表2。由表2可知,在同一瓦斯压力条件下,不同测点的冲击气流压力曲线可知,越靠近突出口的冲击气流压力越大,且冲击气流在直巷道内的传播是一个不断衰减的过程。分析其原因是冲击气流在巷道内传播时不断与巷道壁面发生摩擦产生摩擦热,并同时持续压缩巷道前方的空气发生能量损耗,导致冲击气流压力不断衰减。

表2 不同瓦斯压力下监测点冲击气流峰值压力Tab.2 Peak pressure of impact airflow at monitoring points under different gas pressures

2.3 各监测点瓦斯浓度随时间变化规律

不同瓦斯压力条件下各监测点瓦斯浓度随时间变化规律曲线如图5所示。当突出发生后,在突出口附近的区域,突出瓦斯气体的运移方式以驱替运移为主。监测点1距离突出口1 m,突出瓦斯气体在此处的驱替运移最为明显,而0.5 MPa相较0.1 MPa和0.3 MPa而言,突出区域内积聚的瓦斯量更多,突出发生后,突出瓦斯气体的初动能也更大。所以,在0.5 MPa瓦斯压力条件下,监测点1处的瓦斯浓度较高,且持续时间较长。随着突出的不断进行,瓦斯压力更大的实验组由于突出区域瓦斯气体的持续膨胀,监测点1、监测点2处瓦斯浓度在最初一段时间内会处于较高值,但当突出区域内瓦斯气体全部膨胀做功后,突出瓦斯气体的运移速度开始下降,突出瓦斯气体在巷道内的驱替运移开始减弱,而突出瓦斯气体在巷道内的自由扩散开始占据主导地位。在0.1 MPa瓦斯压力条件下,由于瓦斯压力较低,突出区域内的瓦斯量不足,在突出发生后,监测点1处的瓦斯浓度首先急剧升高,然后迅速下降,最后稳定在0.4%附近继续自由扩散;当突出瓦斯气体运移至监测点2以及监测点3处时,突出瓦斯浓度以及速度已经很低,但此时却最危险,由于瓦斯的爆炸极限在5%～16%,监测点3处的瓦斯浓度刚好处于这个范围内,如果此时出现一个电火花等火源,那么极有可能发生瓦斯爆炸等事故,从而造成严重后果。