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煤與瓦斯突出過程模擬實(shí)驗(yàn)室瓦斯通風(fēng)安全數(shù)值模擬

文檔作者：吳鑫一許江文檔來源： 1．四川師范大學(xué) 2．重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月09日
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2010年12月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第6期
煤與瓦斯突出過程模擬實(shí)驗(yàn)室
瓦斯通風(fēng)安全數(shù)值模擬
吳 鑫 一，許 江
(1．四川師范大學(xué)_T-學(xué)院，四川成都610101；2．重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)
摘 要：煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)臺能模擬多種不同實(shí)驗(yàn)條件下的煤與瓦斯突出過程，但每次突出的
大量瓦斯氣體所帶來的安全隱患不容小視。為定量分析瓦斯氣體在煤與瓦斯突出發(fā)生后的運(yùn)移富集規(guī)
律及其潛在危險(xiǎn)程度，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬了煤與瓦斯突出后的瓦斯運(yùn)移富集狀態(tài)，并依
據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出了相應(yīng)的安全對策措施。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場測得的瓦斯?jié)舛鹊膶Ρ确治霭l(fā)
現(xiàn)，兩者具有較好的一致性，為實(shí)驗(yàn)室的安全建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：瓦斯；運(yùn)移富集；安全；實(shí)驗(yàn)室；數(shù)值模擬
中圖分類號：TD713 ．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008—4495(2010)06—0005—04
煤與瓦斯突出是發(fā)生在煤礦井下的一種及其復(fù)
雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象 ，突出作用的破壞性嚴(yán)重地
威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。為此，國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)，
如煤炭科學(xué)研究總院撫順分院、中國科學(xué)院力學(xué)研
究所、中國礦業(yè)大學(xué)等 ，都進(jìn)行了煤與瓦斯突出
的實(shí)驗(yàn)室模擬。重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害
控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了具有國內(nèi)先
進(jìn)水平的煤與瓦斯突出大型模擬實(shí)驗(yàn)臺，可模擬不
同地應(yīng)力、瓦斯壓力、不同煤粉粒徑等突出的條
件 ]。
圖1為粒度40～80目煤粉在1 MPa瓦斯壓力、
4 MPa垂直地應(yīng)力、2．4 MPa水平地應(yīng)力作用下煤與
瓦斯突出實(shí)驗(yàn)全過程氣壓一溫度演化曲線。該煤與
瓦斯突出實(shí)驗(yàn)過程主要包括以下3個(gè)步驟：① 首先
對煤樣抽取真空，使煤粉吸附的各種大氣分子解吸
出來，由于空氣的解吸吸熱，使煤層溫度大約降低
0．5℃ ；② 然后進(jìn)行瓦斯吸附，充分的瓦斯吸附才能
較好地模擬現(xiàn)場條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)打開CH 解壓閥至
1 MPa并保持吸附時(shí)壓力恒定，在此過程中由于瓦斯
吸附放熱，溫度上升了接近5 ；③ 最后迅速打開
收稿日期：2010—01—19；2010—07—28修訂
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50534080)；國家
重大專項(xiàng)(2008ZX05034—002)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目
(50974141)
作者簡介：吳 鑫(1983一)，男，四川遂寧人，碩士研究
生，2010年畢業(yè)于重慶大學(xué)安全工程專業(yè)，四川師范大學(xué)工
學(xué)院助教，主要從事煤與瓦斯突出機(jī)理及預(yù)測研究。
突出口，模擬煤與瓦斯突出過程。
出
舞
時(shí)間／s
圖1 煤與瓦斯突出實(shí)驗(yàn)全過程氣壓一溫度演化曲線
煤與瓦斯突出過程模擬實(shí)驗(yàn)可為研究煤與瓦斯
突出影響因素提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，但由于該模擬實(shí)驗(yàn)
用煤樣尺寸達(dá)到0．57 m x0．32 m×0．375 m，在1 MPa
壓力下儲存的游離瓦斯及吸附態(tài)瓦斯在突出過程中
釋放出的瓦斯量相對較多，在實(shí)驗(yàn)室局部區(qū)域的瓦斯
積聚有可能達(dá)到使人窒息或瓦斯爆炸的程度，存在嚴(yán)
重的安全隱患，為此有必要考慮實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境安全。
基于以上原因，筆者擬采用Gambit建立煤與瓦斯突出
實(shí)驗(yàn)室集合模型并劃分計(jì)算網(wǎng)格，用Fluent流體計(jì)算
軟件分析煤與瓦斯突出后瓦斯在實(shí)驗(yàn)室空間中的流
場分布，并提出相應(yīng)的安全對策措施。
1 突出實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)模型和幾何模型
1．1 數(shù)學(xué)模型
針對瓦斯氣體在實(shí)驗(yàn)室空間擴(kuò)散及分布的問
· 5 ·
2010年12月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第6期
題，利用Fluent解質(zhì)量、動量和能量守恒方程，以及
指定的組分輸運(yùn)方程，湍流模型選擇常用的標(biāo)準(zhǔn)
一 模型。由于突出過程僅涉及瓦斯大量突出，并
沒有發(fā)生燃燒或化學(xué)反應(yīng)，可利用Fluent定義數(shù)學(xué)
模型為“組分輸運(yùn)和反應(yīng)模型” ：
Fluent通過第 種物質(zhì)的對流擴(kuò)散方程預(yù)估每
種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ，守恒方程采用以下的通用
形式：
3
(pE)+V·(pvYi)=一V·J +R +．s (1)
o
式中： 為第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；尺 為第i種產(chǎn)品凈
產(chǎn)生速率； 為離散相及用戶定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額
外產(chǎn)生速率；p為氣體密度； 為物質(zhì)i的擴(kuò)散通量。
將N一1(N為系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)組分總數(shù)，此處除去空
氣中最大的組分N )種組分，分別代人該方程得到
(c)空間網(wǎng)格化
N一1個(gè)方程、N 一1個(gè)未知數(shù)。由于沒有發(fā)生燃燒和
其他化學(xué)反應(yīng)，所以R ，S 都為0，只考慮．，；。由于質(zhì)
量分?jǐn)?shù)的和必須為1，第，v種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過
1減去Ⅳ 一1個(gè)已解得的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到。為使數(shù)值誤
差最小，第Ⅳ種物質(zhì)必須選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的，如空
氣中的N2。
1．2 幾何模型
利用Fluent的前處理軟件Gambit建立實(shí)驗(yàn)室以
及突出實(shí)驗(yàn)臺的幾何模型，突出實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部尺寸長
9．20 m、寬5．40 m、高4．20 m，包括2扇2．05 m×
1．38 m的雙開門，2扇1．05 m X 1．57 m的窗戶。突出
實(shí)驗(yàn)臺長2．86 m、寬0．40 m、高2．50 m，突出模具尺
寸長0．57 m，寬0．32 m、高0．37 m。瓦斯氣體和煤粉
從突出口快速突出，為達(dá)到計(jì)算目的并簡化模型，僅
考慮單相的瓦斯氣體。Gambit幾何建模如圖2所示。
(b)突出模擬實(shí)驗(yàn)
圖2 Gambit幾何建模
1．3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定
網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系著計(jì)算速度和準(zhǔn)確
性，網(wǎng)格單元類型選取(TeVHybird)，在空間網(wǎng)格類
型選取四面體(Tgrid)，共產(chǎn)生網(wǎng)格體142 209個(gè)。
邊界條件設(shè)置：進(jìn)風(fēng)門采用速度進(jìn)口(Velocity—
inlet)，進(jìn)風(fēng)速度0．1 m／s，另一門和窗戶為壓力出口
(Pressure—outlet)，其余為墻條件(Wal1)。煤與瓦
斯突出口采用速度進(jìn)口，由于煤與瓦斯突出涉及瓦
斯解吸過程，其本身還需要進(jìn)一步研究，為簡化模
型，這里認(rèn)為突出瓦斯總量等于瓦斯的總消耗量。
一般每次實(shí)驗(yàn)后鋼瓶瓦斯壓力下降約5 MPa(40 L
標(biāo)準(zhǔn)瓦斯鋼瓶)，通過計(jì)算消耗瓦斯體積大約等于常
壓下的2 m ，近似認(rèn)為突出的瓦斯氣體為不可壓縮
氣體，結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測經(jīng)驗(yàn)設(shè)定：突出發(fā)生3 S內(nèi)瓦斯
· 6 ·
(d)瓦斯報(bào)警儀位置圖
突出模擬
實(shí)驗(yàn)臺
突出模具
速度200 m／s，4～27 S內(nèi)完全排除剩余瓦斯氣體，排
出速度約4 m／s。湍流指定方法采用湍流強(qiáng)度和水
力直徑，計(jì)算公式如下：
水力直徑d =4A／S (2)
湍流強(qiáng)度 ，=u'／瓦=0．16(如 )。。 (3)
式中：d 為水力直徑，m；A為過流斷面面積，m ；Js為濕
周，m；，為湍流強(qiáng)度；u 和瓦分別為湍流脈動速度和平均
速度，m／s；Re 為按水力直徑計(jì)算的Reynolds數(shù)¨卜”j。
2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果
2．1 室內(nèi)瓦斯?jié)舛饶M計(jì)算
實(shí)驗(yàn)采用Se~egated非耦合求解法瞬態(tài)求解，突
出開始后3，l0，30，600 S時(shí)的瓦斯?jié)舛确植家妶D3。
在t=3 S時(shí)突出的瓦斯在實(shí)驗(yàn)室中央位置形成了體
2010年12月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第6期
積濃度達(dá)到瓦斯爆炸極限的瓦斯氣團(tuán)，運(yùn)移方向向
左上角；t=10 S時(shí)，瓦斯氣團(tuán)擴(kuò)散到實(shí)驗(yàn)室左上角，
其濃度仍在爆炸下限左右，瓦斯氣體向右邊擴(kuò)散；
t=30 S時(shí)左上瓦斯氣團(tuán)擴(kuò)散至較低濃度，突出模具
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(a)t-=3 s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?
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FLUENT 6 2(3d，
(C)t=30 s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?
上方由于解吸余氣形成了較高濃度帶； =600 S時(shí)，
瓦斯?jié)舛妊杆偎p，瓦斯?jié)舛茸罡唿c(diǎn)一直保持在右
下方的實(shí)驗(yàn)室頂部。
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(b)t=lO s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?
(d1 t=600 s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?
圖3 突出后各時(shí)間點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植?
從上述分析可知，危險(xiǎn)性最大的時(shí)期是突出3 s
內(nèi)，接著是4～30 S內(nèi)，瓦斯?jié)舛染苓_(dá)到或接近爆
炸極限，因此在實(shí)驗(yàn)前必須完善警示標(biāo)志，清空實(shí)驗(yàn)
室內(nèi)無關(guān)或可能引發(fā)火星的設(shè)備和物品，有專人在
門外看守，杜絕一切人員在突出時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。
2．2 計(jì)算模擬值與數(shù)值結(jié)果對比
為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室突出口正
上方(h=3．2 ITI)設(shè)置了一個(gè)便攜式瓦斯報(bào)警儀，監(jiān)
測突出后的瓦斯?jié)舛戎?，瓦斯監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值與數(shù)
值模擬值對比見圖4。瓦斯?jié)舛葘?shí)測值要稍微高于
數(shù)值計(jì)算值，原因在于幾何模型(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存在雜
物)和邊界條件的理想化，但其規(guī)律與瓦斯在突出后
600 S內(nèi)的演化規(guī)律基本一致，誤差屬于可以接受
范圍
3 安全對策分析
3．1 安全對策及模型
經(jīng)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，突出約30 s后瓦斯?jié)舛?
享
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目寸-J j／s
圖4 瓦斯監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值與數(shù)值計(jì)算值對比
基本低于爆炸下限，發(fā)生瓦斯爆炸事故概率較小，但
為進(jìn)一步提高本質(zhì)性安全水平，降低事故風(fēng)險(xiǎn)水平，
實(shí)驗(yàn)室應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)可行的方案來加快室內(nèi)瓦斯稀釋
和擴(kuò)散。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，預(yù)定在窗戶上方安裝
2臺風(fēng)壓160 Pa排風(fēng)扇進(jìn)行抽出式通風(fēng)(見圖5)，為
預(yù)先分析安裝排氣扇后的效果是否能達(dá)到設(shè)想目標(biāo)，
對其進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬時(shí)增加2個(gè)直徑
0．5 in排風(fēng)扇，邊界條件設(shè)為排氣扇(exhaust—fan)，
· ，7 ．
2010年l2月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第6期
進(jìn)氣門條件不變，其余門窗設(shè)為相應(yīng)的壓力進(jìn)口。
舞
圖5 增加排氣扇位置
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7、9e．03
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| 3 24e．03
2 88e 03
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3．2 增加排氣扇后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果
t為10，600 s時(shí)的瓦斯?jié)舛确植家妶D6，與未安裝
排氣扇相比，在相同時(shí)間點(diǎn)瓦斯?jié)舛榷加休^明顯的、
整體的下降，但瓦斯?jié)舛仍趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)的形態(tài)分布基本
相似。
室內(nèi)流場線分布見圖7，未安裝排氣扇時(shí)從進(jìn)氣
門進(jìn)入的新鮮空氣大部分直接從另一個(gè)門流出，只有
少部分參與稀釋瓦斯氣體；安裝排氣扇后在排氣扇負(fù)
壓的帶動下，大部分氣體參與稀釋瓦斯氣體并攜帶其
從排氣扇排除，這也解釋了加快稀釋的原因。增加排
氣扇前后瓦斯監(jiān)測點(diǎn)的濃度演化數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示
(見圖8)，增加排氣扇后瓦斯?jié)舛认陆邓俣让黠@加快。
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蓁 |鬻6 8le～07
琶 5 68e-07
(a)t=lO s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?(a)t=600 s時(shí)瓦斯?jié)舛确植?
圖6 增加排氣扇后各時(shí)間點(diǎn)瓦斯?jié)舛确植?
Path LinesColored byMolefraction ofch4(Tilzqe=6 0000e+0I)
FLUENT 6 2(3d
(a)未安裝排氣扇
Path LinesColored byMolefraction ofch4(Time=6 0000e+0I1
Dcc 29 2O09
FLUENT 6 2(3d．segregated．spe．ske，unsteady)
fb)安裝排氣扇后
圖7 t：60 S時(shí)粒子流線對比
時(shí)間／s
網(wǎng)8 增加排氣扇前后監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛葦?shù)值結(jié)果對比
· 8 ·
4 結(jié)論
1)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，煤與瓦斯突出過程中瓦
斯?jié)舛茸罡叩臅r(shí)刻發(fā)生在突出瞬間，在突出孔前方大
約3 1TI的范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛葮O高，已經(jīng)遠(yuǎn)超過5％ 的瓦
斯爆炸下限，應(yīng)特別注意在突出實(shí)驗(yàn)前杜絕一切可能
引火的物品和人員進(jìn)入。
2)突出發(fā)生后，瓦斯快速向整個(gè)實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)散，
(下轉(zhuǎn)第12頁)
Ⅲ 眥 位艙 ∞ 眥 觀衄雌毗 ∞ ∞ ∞ 一
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2010年12月 礦業(yè)安全與環(huán)保 第37卷第6期
覆厚巖層隨工作面推進(jìn)的變化過程，結(jié)果表明：
1)厚層直接頂初次來壓步距長，破斷時(shí)動壓現(xiàn)
象非常明顯，厚頂已垮巖塊在切眼處和工作面端互
相咬合形成類似三鉸拱的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；周期破斷時(shí)，
在工作面后方整厚切落。
2)受回采工作面的采動影響，工作面前方的上
覆巖層應(yīng)力不斷按照增高一降低一穩(wěn)定一增高重新
分布；而工作面后方，由于鋪設(shè)模型時(shí)材料攪拌均勻
程度不同，巖層垮落時(shí)松散程度的隨機(jī)性，應(yīng)力變化
分布有增高有降低。
3)上覆所有巖層的破斷運(yùn)動受到厚頂及薄硬
巖層的控制作用，在厚頂破斷前其上覆巖層隨之同
步協(xié)調(diào)運(yùn)動，當(dāng)厚頂破斷后，上覆巖層同步破斷。
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(責(zé)任編輯：呂晉英)
(上接第8頁)
瓦斯?jié)舛妊杆偎p，突出約30 S后除突出口還有少
量瓦斯解吸外，其余地方瓦斯?jié)舛冉档椭帘ㄏ孪?
內(nèi)，危險(xiǎn)性迅速降低。
3)對瓦斯報(bào)警點(diǎn)采用數(shù)值模擬方法分析了在
突出發(fā)生600 S之內(nèi)該點(diǎn)的瓦斯?jié)舛妊莼厔?，?jīng)與
現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比，其規(guī)律有較好的一致性，說明建
立的模型準(zhǔn)確。
4)由于實(shí)驗(yàn)室自然通風(fēng)條件不良，為提高實(shí)驗(yàn)
室本質(zhì)化安全水平，選用2個(gè)風(fēng)壓160 Pa的排氣扇
進(jìn)行通風(fēng)改造，并用數(shù)值模擬的方法對安裝排氣扇
后瓦斯?jié)舛妊莼M(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示該措施能夠
達(dá)到大幅提高室內(nèi)瓦斯稀釋速度，為合理安裝通風(fēng)
設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。
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(責(zé)任編輯：李琴)

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