煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究.pdf

工矿自动化 I n d u s t r ya n d Min e Au t oma t ion 第46卷第6期 2020年6月 Vol .46No.6 Ju n .2020 I分析研究t 文章编号文章编号1671-251X202006-0065-07DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x . 2019100051 煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究 金永飞12,许亚奇12,刘荫12,张典3,郭军12 收稿日期收稿日期2019-10-24；修回日期修回日期2020-05-28；责任编辑胡娴。责任编辑胡娴。 基金项目基金项目国家重点研发计划项目2018YFC0808201中国博士后科学基金项目2017M623209陕西省自然科学基础研究计划项目 2018JQ5080；陕西省重点研发计划项目2017ZDCXL-GY-01-02-03。 作者简介作者简介金永飞1975 ，男，新疆米泉人，教授，博士，主要从事矿山安全与应急救援方面的教学与科研工作 E-ma il jin yon g fei x u st . ed u . c n。 引用格引用格式金永飞，许亚奇，刘荫，等煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究工矿自动化，2020,4666571. JI N Yon g fei,XU Ya qi, LI U Yin ,et a l . Resea r c h on d yn a mic movemen t l a w of h yd r og en su l fid e on fu l l y mec h a n ized c a vin g fa c e of c oa l min e,]. I n d u st r y a n d Min e Au t oma t ion , 2020,466 65-71. 1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安710054； 2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室％ 陕西 西安710054； 3.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳712000 扫码移动阅读 摘要摘要针对目前煤矿综放工作面的硫化氢Hg S浓度分布规律研究多采用单一手段、难以验证研究结果 的可靠性等问题，以陕西某煤矿工作面为研究背景，运用Fl u en t软件构建数值模拟模型，研究了该工作面 H2S浓度分布及动态运移规律；在工作面进行测点布置，采用CDq型气体检测仪对工作面空间内的H2S浓 度进行现场测定。数值模拟和现场测定结果均表明在垂直方向，随着距底板高度增加，h2s浓度先增大后 减小；在水平方向，随着与工作面煤壁距离增加，H2S浓度逐渐减小；在风流方向，随着与采煤机距离增加， h2s浓度逐渐减小％数值模拟结果与现场监测结果一致，验证了数值模拟方法的可行性，可为现场h2s运 移规律研究提供参考％ 关键词关键词综放工作面；硫化氢动态运移规律；硫化氢浓度分布规律；硫化氢治理 中图分类号TD711 文献标志码A Rese a r c h on d yn a mic movemen t l a w of h yd r og en su l fid e on ful lymec h a n ized c a vin g fa c e of c oa l min e JI N Yon g fei12, XU Ya 12, LI U Yin12, ZHANG Dia n3 , GUO Ju n12 1. Col l eg e of Sa fet y Sc ien c e a n d En g in eer in g , Xa n Un iver sit y of Sc ien c e a n d Tec h n ol og y, XPn 710054, Ch in a; 2. Key La bor a t or y of West er n Min e Ex pl oit a t ion a n d Ha z a r d Pr even t ion , Min ist r y of Ed u c a t ion , XPn Un iver sit y of Sc ien c e a n d Tec h n ol og y, XPn 710054, Ch in a; 3. Sh a a n x i Zh en g t on g Coa l I n d u st r y Co. ,Lt d . , Xia n ya n g 712000, Ch in a Abstract I n view of pr obl ems su c h a s d iffic u l t y in ver ifyin g r el ia bil it y of r esea r c h r e su l t s, t h e sin g l e met h od isoft en u sed t ost u d yd ist ibu t ion l a wofh yd og en su l fid eH2Sc on c e n t a t ion on fulymec h a n iz ed c a vin g fa c e ofc oa l min e,t a kin g a c oa l min e wokin g fa c e in Sh a a n x i a se sea c h ba c kg ou n d , H2S c on c en t a t ion d ist ibu t ion a n d d yn a mic move men t l a woft h ewokin g fa c e iss t u d ied u sin g Fl u e n t soft wa e t obu il d a n u meic a l simu l a t ion mod e l .Me a su e me n t poin t sa ea a n g e d on t h e wokin g fa c e,a n d H2S c on c en t r a t ion on t h e wor kin g fa c e is mea su r ed on sit e wit h a CD4 g a s d et ec t or . Bot h n u mer ic a l simu l a t ion a n d fiel d mea u r e men t r eu l t h ow t h a t in t h e ver t ic a l d ir ec t ion , a t h e h eig h t fr om t h e fl oor in c r ea e, t h e H2Sc on c e n t r a t ion fir t in c r ea ea n d t h e n d ec r ea e;in t h eh or izon t a l d ir e c t ion ,a t h ed it a n c e fr om t h e c oa l wal of t h e wor kin g fa c e in c r ea e, t h e H2Sc on c en t r a t ion g r a d u alyd e c r e a e ;in t h e win d fl ow ・・66・ ・ 工矿自动化 46 d ir ec t ion , a s t h e d ist a n c e fr om t h e sh ea r er in c r ea ses, t h e H2S c on c en t r a t ion g r a d u aly d ec r ea ses.Th e n u mer ic a l simu l a t ion r esu l t s a r e c on sist en t wit h t h e fiel d mon it or in g r esu l t s,ver ifyin g fea sibil it yoft h e n u mer ic a l simu l a t ion me t h od a n d pr ovid in g r e fer en c efor t h efie l d H2S movemen t l a wr es ea r c h . Key wordsfu l l y mec h a n ized c a vin g fa c e; H2S d yn a mic movemen t l a w; H2S c on c en t r a t ion d ist r ibu t ion l a w; H2S t r ea t men t 0引言引言 我国煤炭赋存较为丰富，长期以来，煤炭一直是 我国的主要能源，且未来很长一段时间内依然如 此,14。随着煤炭开采工艺不断革新，原煤产量快速 增长，开采深度不断增大，矿井硫化氢HS危害也 逐渐突出［56］ 0若处在HS浓度较低的空间中，人 短时间内就会出现乏力、咽喉疼痛、头晕、意识不清 晰等症状，时间过长则可能导致植物神经功能紊乱； 若处在HS浓度较高的环境中，人短时间内就会出 现脑水肿、肺水肿等症状［7］ 蒋新军,16-通过现场观测并结 合数值模拟，得到某煤矿工作面在下风流沿程方向 的HS浓度分布规律。目前，对HS浓度分布规 律的研究多采用单一手段，多手段结合的研究方法 较少，难以验证研究结果的可靠性，充分体现其现场 应用价值。 。 针对上述问题，本文以陕西某煤矿为研究背景， ， 采用数值模拟方法研究综放工作面HS浓度分布 及运移规律，并对现场观测数据与模拟结果进行相 互验证， ，为HS高效治理提供理论依据和数据 支持。 。 1工作面概况工作面概况 陕西某煤矿所处井田内共有2个煤层可以开采 或局部可采，资源储量为973. 57 Mt ,可采储量为 46P为流体密度。 有些多孔介质结构均匀,组成简单,对于这类介 中 流 流动 程 为 Si “v, Cz 2p | v, | v, 2 式中e为渗透率;G为内部阻力因子。 。 渗透率e一般通过卡尔曼公式来计算 e ______D”___ ⑶ 1801” 式中Sp为平均颗粒直径;”为介质孔隙率。 。 在进行数值模拟时, ,黏性阻力系数、惯性阻力系 数及渗 计 多孔介 中流 流动问题 键。渗透率可通过卡尔曼公式计算。工作面空间内 气体的流动是一个稳态过程, ,流动形式呈层流流态, , 因此,工作面空间可表示为层流空间,孔隙率可设置 为1 , ,黏性阻力系数和惯性阻力系数可忽略不计, ,设 置为0。 。 2. 2 几何建模与网格划分 根据现场采煤机割煤空间条件、相关生产条件 及HS涌出浓度等,建立HS扩散规律分析数值 模型。模拟工作面长150 m ,宽4 m ,高4 m；工作面 2020年第6期金永飞等煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究・67・ 进风巷长10 m,宽6. 1 m,高4 m；回风巷道长10 m, 宽5 m,高4 m；采煤机滚筒直径为1. 7 m；将入口设 置为速度入口 vel oc it y in l e t ，风流方向为轴方 向，速度设为1. 3 m/s；计 流水力直径为 4.8 m,气流温度根据工作面实际温度设置为 24 C，湍流强度为3. 58。 中心相对于采煤机 中心垂直方向偏移1.4 m,水平方向无偏移。H2S 周围及 落煤区域产生滚筒靠近顶板 位置，直径为1. 7 m,遗煤位于靠近工作面底板处 3.4mX1.5m的范 。进 计 ，将煤 体及滚筒周围位置看作稳定的H2S 生源，取 H2S原始质量浓度为516 mg /m3，出口边界设置为 自由出流ou t fl ow。模型网 用非结构化网格， 网 长设为0. 2 m。工作面模型及其网格划分如 图1所示。 a工作面模型 b网格划分 图1工作面模型及其网格划分 Fig 1 Wor kin g fa c e mod e l a n d it s me s h in g 2. 3 监测点布置 在 机割煤下风流断面、沿程方向及回风巷 沿程 分别布置测点，测试各测点的H2S 。在 机下风 工作面1,2,3m处分 别布置A1 A4, Bi B4, C1 C4三组测点，同一类 型测点间距为5 m；在回风巷中心截面布置一组测 点Di-D3，各测点间距为5 m。采煤机割煤时的测 点布置如图2所示。 2.4模拟结果分析 2. 4. 1工作面H2S浓度分布规律 通过数值 计算，卑 动期间工作面的 H2S运移规律，其体积分数分布云图如图3所示。 图2模拟工作面测点布置 Fig 2 La you t ofme a s u r in g poin t s on s imu l a t e d wor kin g fa c e 图3工作面H2S体积分数分布云图 Fig 3 Cl ou d c h a r t ofH2Svol u me fr a c t ion d is t r ibu t ion on wor kin g fa c e 从图3可以看出，在采动落 ，由于风流浮 力作用，H2S随巷道风流向巷道下风侧移动。随着 与 机 增加，因H2S 空气重，同一 断面的H2S 分数呈 顶板向底 增 加的分布规律，H2S气体呈现出垂直向下积聚的规 在回风巷和回风隅角 紊乱并形成一定积聚。 机 期 风流 沿 程 向 H2S 分数分 图4所示，其中X 在方向上 点与进风巷进风 垂直 。下风流5,10, 15,20 m横截面上的H2S体积分数分布情况如图5 所示，其中Y 在夕方向 点与进风巷外侧煤 壁的垂直 。由图4、图5 在下风流沿程方 向 与 机 增 H2S 分 数 ； 沿 程 增 靠 近 壁 H2S 分数 , 壁的巷道截面处H2S 分数 增加；受工作面风流扰动影响，采煤机 H2S体积分数/10山 .3.41 .3.07 ■ 0.68 ■r X 11 m X12 m X13 m 图4工作面不同距离处H2S体积分数分布云图 Fig 4 Cl ou d c h a r t ofH2Svol u me fr a c t ion d is t r ibu t ion in d ife r e n t d is t a n c e ofwor kin g fa c e ・68・ 工矿自动化 46 割煤处产生的H2S在下风流断面上呈现出逐 渐向人行道侧扩散的规律。 Y 26 m 31 m H2S体积分数/10“ .3.41 .3.07 B2.73 ■2.39 I 2.05 1.71 I 1.36 1.02 H0.68 Io“ Y 36 m Y 41 m 图5工作面不同截面处H2S体积分数分布云图 Fig .5 Cl ou d c h -r t ofH2Svol u me fr -c t ion d is t r ibu t ion in d ife r e n t s e c t ion s ofwor kin g f-c e 对 数据进行处理，卑 机下风 工作 面煤壁 处H2S 分 ，如图6所示。 距底板高度/m c距工作面煤壁3 m 图6与工作面煤壁 处各测点HS 分 I律 Fig . 6 Dis t r ibu t ion l a w of H2 S a t ea c h mea s u r in g poin t a t d ife r e n t d is t -n c e s fr omc o-l w-lofwor kin g f-c e 距底板咼度/m a距工作面煤壁1 距底板高度/m b距工作面煤壁2 图6a A组测点的H2S 分 [ 律 底 增加，入测点 H2S 呈现 增 持稳定再 B2 B4测点的峰值在距底板约2. 5 m处，且在达到 值前3 点的HS 基本一致, 值 机 点 处 H2S 越高。 图 6 c C 点 H2S 分 律各测点在 具有一致性， 底 i 增加，H2S ；H2S 值基 持在 为1. 8 m的位置，说明在 工作面采动过程中，H2S 向巷道行人侧 扩散。 2. 4. 2回风巷H2S浓度分布规律 通过在回风巷布置的D 点分析H2S气体 在回风隅角和回风巷中的运移 ，模拟结果及各 测点H2S浓度变化规律如图7、图8所示。 H2S体积分数/10」 0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 7 U I . M 7 U I . M 旦、駆幾 S W S W 图7回风巷中截面H2S体积分数分布云图 Fig .7 Cl ou d c h -r t ofH2Svol u me fr -c t ion d is t r ibu t ion 图8回风巷各测点H2S浓度分布规律 Fig . 8 H2 S c on c e n t r a t ion d is t r ibu t ion l a w of ea c h me a s u r in g poin t in r e t u r n a ir r oa d wa y 从图7、图8可看出，在工作面回风隅角处Di 测点形成了 H2S 聚层，H2S 的增加而逐渐减小，回风巷中D2 Q 测点H2S体 分数 增 ，基 持恒定。 2020 6 金永飞等煤矿综放工作面硫化氢动态运移规律研究 ・・69・ ・ 3现场监漁现场监漁 3. 1 现场监测点布置 在采煤过程中，采用CD4型气体检测仪对工作 面空 HS 进 定。 。 检 图9 所示，其基 数 1,其中LEL指燻 ™ ST8900 g “ 4-I N-l GAS MONI TOR 图9 CD4型气体检测仪 Fig .9 CD4 g a s d e t e c t or 表1 CD4型气体检测仪基本参数 Ta bl e 1 Ba s ic pa r a me t e r s ofCD4 g a s d e t e c t or 项目技术数 检 类CO,O2,H2S,LEL CO 0〜1 500 mg /m3 O2 0〜30 测量范围 H2S0〜750 mg /m3 LEL100 CO 1.5 mg/m3 LEL 1 O2 0.1 分辨率 H2S1.5 mg /m3 工作电源 DC3. 6 V, 800 mA ・ h 电 防型式Ex ibd I 工作湿15〜95 RH 工作温10 〜5 0 C 测点布置情况如下 1 机 ， ， H2S ， ， 风 流 流 动，H2S 运移扩散。。在风流方向，与割煤机的 ， ， H2S ， ， 在 机 风 流 方向5,10,15,20 m等位置设置测站，编号为A,B, , C,D。 。 2 因为H2S气体比空气重，同一断面不同高 处 H2S ， ， 底 1m 处 始 每隔 0. 7 m布置测点。 。 3 机采煤时，煤体释放出其中的HS,受 扩 响，在水平方向 壁与支 H2S 所 ％ ％ 壁1m处开始每隔 0.8 m布置测点。 工作面H2S浓度测点布置如图10所示「14-。 。 ------------►工作面煤壁 8 a 风流沿程方向测点布置 b采煤机割煤时测点布置 图10工作面H2S浓度测点布置 Fig .10 La you t ofH2Sc on c e n t r a t ion mea s u r in g poin t s on wor kin g fa c e 为了使测点的空间位置 明确，借助三视图 方法对测点布置进行说明，以从支架处观察为主视 图，从进风方向观察为左视图，从顶板处观察为俯视 图，测点的空间位置如图11所示。 。 3.2 测定结果分析 对测定结果进 计分析，得到风流方向即距 采煤机5,10,15,20 m处、、工作面水平方向即距 工作面煤壁1,1. 8,2. 6,3. 4 m处及工作面垂直方 向即距底板1,1. 7,2. 4,3. 1 m处的HS浓度分 - -结合现场测定结果及文献［14］ ］可知，在顺 风割煤和逆风割煤2 ，仅HS 分 ，故只选取顺风割 H2S 分 进行研究，如图12所示。 。 由图12 在 工作面煤壁1m处，随 着距底 增加,H2S 空气重，出现 象，H2S 呈 ；随着与工 作面煤壁的距离增加，由于前部中部槽运煤引射风 流及风流浮力等作用，并结合 ，H2S 呈现出先增大再 ； ；工作面空间中的H2S 主要 机割煤导 破 放的，经 过工作面空 扩散，随着与工作面煤壁 增 H2S ； ； 在 机 风 流 向 H2S 风流 扩 H2S 与 机 增 。现场测定结果与数值 结果相 ・70・ 工矿自动化 46 图11测点的空间位置 Fig 11 Spa t ia l pos it ion s ofme a s u r in g poin t s a距工作面煤壁1 mb距工作面煤壁1.8 m 距底板高度/m “d 工 作 面 壁 3.4 mc距工作面煤壁2. 6 m 图12顺风割煤情况下的H2S浓度分布规律 Fig . 12 H2 S c on c e n t r a t ion d ist r ibu t ion l a w in t h e c a s e of c u t t in g c oa l d own win d 近，H2S动态运移规律一致，验证了数值模拟结果 的可靠性。 4结论结论 1 以陕西某煤矿为研究背景，根据现场情况 构建几何模型、划分网格、设定参数，运用Fl u en t模 拟软件研究了煤矿综放工作面H2S动态运移规律o 2 通过数值模拟和现场测定，得到了综放工 作面H2S动态运移规律在垂直方向，随着距底板 高度增加，H2S浓度先增大后减小；在水平方向，随 着与工作面煤壁距离增加，H2S浓度逐渐减小；在 风流方向，随着与采煤机距离增加，H2S浓度逐渐 减小。 3 数值 结 果 与 场 结 果 一 验 了数值模拟模型、参数设置的合理性和数值模拟方 法的可行性，可为现场H2S运移规律研究提供 参考。 参考文献References [1 -金永飞，郭军，文虎，等.煤自燃高温贫氧氧化燃烧特 性参数的实验研究[J-.煤炭学报，2015, 40 3 596-602. 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