脉冲通风条件下上隅角瓦斯运移数值模拟与试验研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号0253 - 9993200004 - 0391 - 06 脉冲通风条件下上隅角瓦斯运移 数值模拟与试验研究 王 凯,俞启香,杨胜强,张仁贵 中国矿业大学 采矿工程系,江苏 徐州 221008 摘 要在脉冲通风条件下,分析了回采工作面上隅角积聚区内瓦斯运移的物理过程,建立了上 隅角积聚区瓦斯运移的动力学模型.通过数值模拟,得到了不同脉冲通风条件下上隅角积聚区内 瓦斯浓度场的分布及其变化规律,并由现场实验得以验证.研究结果表明,脉冲通风对治理上隅 角瓦斯积聚较为有效. 关键词回采工作面上隅角;瓦斯积聚;脉冲通风;瓦斯运移 中图分类号 TD712 151 文献标识码 A 收稿日期 1999-11-24 基金项目国家自然科学基金资助项目59874027 ;国家“九五”科技攻关项目96 - 223 - 01 - 05 - 04 ;煤炭科学基金资助项目 96 安10101 我国煤矿大部分回采工作面均采用“U”型通风系统,上隅角作为工作面的漏风汇,是采空区高浓度 瓦斯的集中涌出地点.在矿井常规通风条件下,上隅角处于低风速涡流状态,相对于工作面主风流而言可 将其看作“静止区” [1] ,其内瓦斯只能靠分子扩散方式运移,因此极易在此出现瓦斯积聚,并经常导致瓦 斯超限事故. 脉冲通风的本质是利用脉冲风流发生装置,使井巷中常规的定常风流在局部范围内变为非定常的脉冲 风流,也就是使井巷风流速度 v t 随时间t呈周期性变化,即 v t v t T ,其中,T为脉冲周 期, s.研究表明,脉冲通风能有效地提高局部积聚区静止区内瓦斯的扩散强度,并能加强瓦斯在巷 道主风流中的迁移效果[1].因此,研究和掌握脉冲通风条件下上隅角积聚区瓦斯的运移规律,对于合理 使用脉冲通风技术、有效治理上隅角瓦斯积聚具有重要意义. 1 脉冲通风条件下上隅角积聚区瓦斯运移动力学模型 111 工作面脉冲风流的形式 根据脉冲通风的思路,我们研制了一套以综采工作面高压乳化液为动力源的矿用脉冲风流发生装置 简称“脉冲风机” . 脉冲风机运行时,工作面脉冲风流速度 v t 的变化规律为 v t v0 v′ t v0 v1cosωt ,1 式中,v0为工作面风流长时平均速度,也称基底风速, m/ s;v′ t为脉冲风速, m/ s;v1为最大脉冲风 速, m/ s;ω 2πf ,f为脉冲频率, Hz. 为简化分析,并能反映所研究问题的基本规律,假设 1上隅角瓦斯积聚区对应于直角风路的涡流 区,区内风速很小,可近似认为是静止区;2瓦斯运移过程为等温过程;3工作面主风流风量较大, 在脉冲风机运转过程中,从上隅角积聚区排出的瓦斯可以立即被主风流驱散,主风流中瓦斯体积分数增幅 不大,近似认为保持定值. 第25卷第4期煤 炭 学 报 Vol. 25 No. 4 2000年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2000 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 112 脉冲通风条件下上隅角积聚区瓦斯运移动力学过程 在工作面上隅角处,由于风路基本上为直角型转弯,因此工作面风流方向将发生急剧改变,流线近似 图1 上隅角瓦斯局部积聚模型 Fig11 A model of local gas accumulation in the upper corner of mining face 呈圆弧状,并在隅角形成低速涡流区.根据现场观测,上隅角瓦斯 积聚区的边界基本上对应于该涡流区边界.为便于分析,现假定工 作面宽度与回风巷宽度相等,均为b,上隅角瓦斯积聚区边界为以b 为半径的一段圆弧如图1所示 , 工作面风流方向即为圆弧的切线 方向,另取垂直于工作面风流方向为坐标轴r即圆弧法线方向 . 从上隅角瓦斯积聚区内沿工作面风流方向取一微元段,设微元段沿 该方向的截面积为S,沿r方向的积聚厚度为rw,积聚区内的平均 瓦斯体积分数为φ10. 由基本假设1可近似认为,处于上隅角积聚区内的气体仅在 垂直于工作面风流速度方向受到巷道气体静压的作用.当工作面风 流速度呈周期脉冲变化时,由于速压的变化,将引起静压的改变, 从而导致上隅角积聚区的气体在垂直工作面风流速度方向上产生位 移.根据假设条件2及牛顿第二定律,可得脉冲通风条件下上隅角积聚区混合气体的运动微分方程为 d2r dt2 Sp0 m r -b b rw-r -ρv0v1cosω t S m ,2 式中,r为垂直于工作面主风流速度方向的坐标值, m;t为时间, s;p0为工作面风流的平均静压, Pa ; m为积聚区混合气体质量, kg;ρ为工作面主风流区混合气体平均密度, kg/ m3. 将式2中第二项线性化,得到 d2r dt2 k2 r - b -ρv0v1cosω t S m ,3 式中,k2≈ 1 r2w p0 ρa1 -φ10ρgφ10 ;ρa为空气密度, kg/ m3;ρg为瓦斯密度, kg/ m3. 求解式3可得,由于脉冲风流的作用,上隅角积聚区内的气体产生垂直于工作面主风流速度方向 的、随时间t呈周期性变化的位移为 r -b A1sin kt B1cos kt - rwρv0v1 p01-ω 2/ k2cosωt , 4 式中,A1,B1为积分常数,与初始条件有关. 既然积聚区内的气体在垂直于工作面主风流速度的方向产生位移,设其位移速度为u,于是式3 可改写为 du dt k2 r - b -ρv0v1cosω t S m .5 将式5对t再求导一次,并求解可得 u A2sin kt B2cos kt rw p0 ω ρv0v1 1-ω 2/ k2sinωt . 6 113 脉冲通风条件下上隅角积聚区瓦斯移流扩散方程 由以上分析可知,由于脉冲风流的作用,上隅角积聚区内的混合气体在垂直于工作面风流速度方向将 产生位移,使得其内瓦斯向工作面主风流区的扩散得以加强,除分子扩散外,还沿其位移方向随流输移. 如果不考虑瓦斯的浮升效应,则可将上隅角积聚区瓦斯向工作面主风流区的扩散简化为平面二维移流 扩散,其方程可写为 5φ 5t 5φ u 5r Dm 52φ 5r2 1 r 5φ 5r ,7 293 煤 炭 学 报 2000年第25卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 式中,φ为瓦斯体积分数, ;u为积聚区内气体因脉冲通风作用而产生的位移速度, m/ s;Dm为气体分 子扩散系数, m2/ s ,在空气中,Dm 212510 - 5 m2/ s. 由假设条件 3 , 可设工作面主风流瓦斯体积分数恒为φA,另设上隅角积聚区内原始瓦斯体积分数 为φ0;采空区瓦斯沿其与上隅角的边界向上隅角均匀涌出 ,边界瓦斯体积分数恒为φB,为上隅角的瓦斯 补给源;回风巷壁无瓦斯补给.则方程7的定解条件可写为 φ| t 0φ0 b ≤r≤b rw , φ| r b rwφB 0≤t ∞,采空区边界 , 5φ 5r r b rw 0 0≤t ∞,回风巷壁 , φ| r bφA 0≤1 ∞ . 8 方程7和定解条件式8即构成定解问题,需用数值方法求解.目前人们常用有限差分法对移流 扩散方程进行离散化求解.针对本文所研究问题的具体条件,通过分析各种差分方案的精度、收敛性和稳 定性,决定采用二层六点隐式差分格式Crank - Nicolson格式 , 该格式为二阶精度,无条件稳定[2].在 建立差分方程时,把由空间坐标r轴和时间坐标t轴构成的r-t平面用两组平行线进行正交网格划分. 于是,上隅角积聚区瓦斯移流扩散方程的差分格式可写为 φi , j1-φi , j τj - uj 2 φi1, j1-φi-1, j1 hi hi1 φi1, j-φi-1, j hi hi1 Dm hi hi1 φi1, j1-φi , j1 hi1 - φi , j1-φi-1, j1 hi φi1, j-φi , j hi1 - φi , j-φi-1, j hi Dm 2ri φi1, j1-φi-1, j1 hi hi1 φi1, j-φi-1, j hi hi1 ,9 式中,ri b ∑ i k 1 hk; hi,τj分别为空间步长和时间步长. 引入定解条件式8后,上隅角积聚区瓦斯移流扩散的有限差分方程为 Aiφi-1, j1 Biφi , j1 Ciφi1, j1 Di, φi ,0φ0;φ0, jφA, φm , jφm -1, jφB或φm , jφm -1, j, i 1,2,⋯, m - 1; j 1,2,⋯, n , 10 式中,Ai -εi , j uj 2 Dm hi - Dm 2ri ; Bi1εi , jDm 1 hi1 1 hi ; Ci -εi , j- uj 2 Dm hi1 Dm 2ri ; Di φi , j-εi , j uj 2 φi1, j-φi-1, j Dmεi , j φi1, j-φi , j hi1 - φi , j-φi-1, j hi φi1, j-φi-1, j 2ri ;εi , j τj hi hi1 ; m , n分别为总的空间步数和时间步数. 上式中n个时间层上的m -1维线性方程组都具有三对角特征,可用追赶法求解. 2 脉冲通风条件下上隅角积聚区瓦斯运移规律的数值分析 进行数值模拟时,取b 310 m ,φA 013 ,φBφ0 310 ;设上隅角瓦斯积聚区对应于瓦斯超限 区,其靠近工作面主风流的外侧边界的瓦斯体积分数为110 ,初始时刻上隅角积聚区内瓦斯体积分数沿 垂直于工作面主风流速度方向线性分布.计算结果均以上隅角积聚区超限区内的瓦斯体积分数分布状 况来表示,并以瓦斯体积分数为110 的等值线作为积聚区边界. 211 脉冲通风条件下上隅角瓦斯积聚区变形的时空特征 图2所示为v0 510 m/ s ,v1 015 m/ s ,f 110 Hz条件下不同时刻上隅角瓦斯积聚区边界的变化情 393第4期王 凯等脉冲通风条件下上隅角瓦斯运移数值模拟与试验研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 况.可以看出,由于脉冲通风的作用,上隅角瓦斯积聚区边界逐渐向采空区一侧移动,在前20 min内退 移较显著, 20 min以后积聚区边界基本稳定,与初始边界的距离平均为110 m.其它大量算例也表明,脉 冲通风开始作用后,经过20～30 min ,上隅角瓦斯积聚区边界都基本稳定下来,不再有明显变化. 以上结果表明,脉冲通风条件下上隅角积聚区内瓦斯的运移具有明显的时空特征,积聚区边界的退移 在时空上都有一定的限度.其原因在于在脉冲通风作用下,积聚区内混合气体沿垂直于巷道主风流速度 方向上的位移和速度在大小和方向上具有周期性,经过一定时间后,积聚区内瓦斯体积分数的变化易于达 到动态平衡.由此表明,脉冲通风对缩小上隅角瓦斯积聚区的范围有一定作用,但难以彻底消除瓦斯积聚 现象. 图3所示即为与图2条件相同时,上隅角积聚区边界稳定后的瓦斯体积分数分布状况. 图2 脉冲通风作用下不同时刻上隅角瓦斯积聚区边界 Fig12 Boundaries of gas accumulation area in the upper corner at different times under pulsed ventilation 曲线从右至左依次对应于t 0,1,5,10,15,20,25,30 min 图3 上隅角积聚区边界稳定后的瓦斯体积分数分布 Fig13 Distribution of gas volume fraction after the boundary of gas accumulation area is stable in the upper corner 虚线为上隅角瓦斯积聚区初始边界 图4 上隅角瓦斯积聚区边界 Fig14 Boundaries of gas accumulation area in the upper corner a不同脉冲频率曲线从右至左依次对应于f 410,210,110,013 Hz ; b不同基底风速曲线从右至左依次对应于 v0 210,310,410,510 m/ s ; c不同脉冲风速曲线从右至左依次对应于v1 012,014,016,110 m/ s 212 不同脉冲通风参数条件下的计算结果 图4为在不同脉冲通风参数 v 0, v1和 f 条件下的部分计算结果,各图中虚线表示上隅角瓦斯积聚 区的初始边界. 493 煤 炭 学 报 2000年第25卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1图4 a所示为v0 510 m/ s ,v1 015 m/ s ,仅改变f时的计算结果.脉冲频率改变,积聚区 边界形状和范围都有一定的变化.f较大时,积聚区范围反而有所增加,因为f的增大,会使积聚区内混 合气体的位移和速度的周期性变化加快,从而更易使积聚区内瓦斯体积分数的变化达到动态平衡. 2图4 b所示为v1 015 m/ s ,f 110 Hz ,仅改变v0时的计算结果.积聚区范围随v0的增大 有所缩小,但程度十分有限,这可能与v0的取值较小有关,而实际中对巷道允许风速的限制也使v0不可 能无限制地增加. 3图4 c所示为v0 510 m/ s ,f 110 Hz ,仅改变v1时的计算结果.最大脉冲风速的改变对上 隅角积聚区内瓦斯的运移过程影响较大,v1越大,积聚区范围就越小. 以上计算结果表明单纯增加工作面主风流的基底风量虽然可以降低回风流中的瓦斯体积分数,但对 治理上隅角瓦斯积聚的效果较为有限;只有在一定的基底风量的基础上增大脉冲风速值,才能有效缩小上 隅角瓦斯积聚的范围;应用脉冲通风技术治理上隅角瓦斯积聚时,脉冲频率不宜过大. 图5 不同试验条件下上隅角 瓦斯超限区域测定结果 Fig15 Measurement results of the area where gas volume fraction exceeds the safe limit in the upper corner under different experimental conditions .单体液压支柱,间距1 m;→工作面风流方向 3 脉冲通风治理上隅角瓦斯积聚的试验研究 311 试验工作面概况 试验工作面为平顶山十矿己15 - 16- 22190综采工作面,工作 面倾角6～8,采高218～310 m ,顶板支护采用支撑掩护式液压 支架;工作面断面积8～10 m2,风量1 500 m3/ min ,回风巷断面 积4 m2左右;上隅角后部悬顶空间未充填,采空区瓦斯向上隅角 涌出较通畅. 312 试验结果 图5为不同试验条件下上隅角瓦斯超限区域测定结果.曲线 1为脉冲风机安设前上隅角瓦斯超限区域边界,曲线2为脉冲风 机已安设但未启动时上隅角瓦斯超限区域边界.风机安设的平面 位置如图所示,其底座直接置于底板,叶轮轴心距底板高度为 016 m ,巷高1105 m.工作面脉冲风流的基底风速为3 m/ s ,最大 脉冲风速为017 m/ s ,脉冲频率为015 Hz.风机运行约25 min 后,上隅角瓦斯超限区边界在采空区一侧退移约110 m ,在回风 巷上帮一侧退移约012 m ,如图中曲线3所示.在距顶板0115～ 012 m的空间内,瓦斯超限区所受影响较小.为消除该顶部空间 内的积聚瓦斯,将风机底座抬高距底板011 m.风机再运行25 min后,上隅角瓦斯超限区边界在采空区 一侧退移约115 m ,在回风巷上帮一侧退移约012 m ,同时顶部空间也同样受到了影响,如图中曲线4所 示. 表1 工作面主风流中瓦斯体积分数变化 Table 1 G as volume fraction change in main air flowat mining face 测 点 脉冲风机运行时间/ min 102030 ①01901840177 ②019701940191 ③018501880185 在风机运行过程中,通过上隅角瓦斯积聚区内 ①,②,③ 三 个测点如图 5 对工作面主风流中的瓦斯体积分数进行了测 定,结果见表1. 313 试验结果分析 1由图5可以看出,工作面进行脉冲通风后,上隅角积聚 瓦斯向主风流的扩散效应增强,瓦斯超限区范围明显缩小,符合 通过数值模拟得到的规律. 2上隅角安设脉冲风机后,虽然尚未运转,但上隅角瓦斯 超限范围已有所缩小.这是由于风机的安设相当于在该处增加了 导风设施,使工作面部分风量绕其通过,带走了积聚区的部分瓦斯. 593第4期王 凯等脉冲通风条件下上隅角瓦斯运移数值模拟与试验研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3工作面主风流风量较大1 500 m3/ min ,在脉冲通风作用下从上隅角排出的瓦斯可立即被主风 流驱散,因此主风流内无局部瓦斯剧增现象,但由于脉冲风速较小,其出射风流受工作面主风流的影响, 有效作用距离不够,因而巷壁瓦斯超限边界变化不大. 4 结 语 1脉冲通风是一种较为有效的治理上隅角瓦斯积聚的方法.工作面进行脉冲通风后,上隅角瓦斯积 聚区边界普遍退移,超限范围缩小. 2在脉冲通风条件下上隅角瓦斯积聚区边界的退移在时空上都有一定的限度,难以彻底消除瓦斯积 聚现象.对此,可以利用脉冲风机所产生风流的射流特性,在工作面主风流形成脉冲风流的同时,直接对 上隅角进行射流脉冲通风. 参考文献 [1] 廖贵发.脉冲风流法防治和处理局部瓦斯积聚[J ].世界煤炭技术, 1994 10 40～43. [2] 张涤明,蔡崇喜,章克本,等.计算流体力学[M].广州中山大学出版社, 1991. 118～131. 作者简介 王 凯1972 - ,男,河南遂平人,副教授. 1997年毕业于中国矿业大学,获博士学位. 1999年从中国矿业大学测绘 科学与技术博士后流动站出站.现从事安全技术及工程方面的科研与教学工作,发表“钻孔法测定煤体强度的研究” 、 “钻 孔瓦斯动态涌出特征及其与突出危险的关系”等论文20余篇. 俞启香1935 - ,男,江苏宜兴人,教授、博士生导师. 1957年毕业于北京矿业学院采矿系, 1980～1982年在加拿 大蒙特利尔工学院作访问学者.现从事安全技术及工程方面的科研与教学工作,出版矿井瓦斯防治 、 煤和瓦斯突出的 防治等多部学术著作,获国家和省部级科研、教学及著作奖10余项. Numerical simulation and experimental study of gas transport in the upper corner of mining face under pulsed ventilation WANG Kai , YU Qi2xiang , YANG Sheng2qiang , ZHANG Ren2gui China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China Abstract Under the condition of pulsed ventilation , the physical process of gas transport in the upper corner of mining face is analyzed , and the dynamic model of gas transport is set up. Through numerical simulation , the distribution of gas concentration field in the upper corner under different conditions of pulsed ventilation and the law of its variation are obtained. The result of numerical simulation is also validated by the experiment on the spot. It is proved by the study that pulsed ventilation is effective for prevention and control of gas accumulation in the upper corner of mining face. Key words upper corner of mining face ; gas accumulation ; pulsed ventilation ; gas transport 693 煤 炭 学 报 2000年第25卷