礦井綜采作業(yè)面毒害氣體積聚現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究

胡國慶, 王海暉, 方 祥, 吳超鵬

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥, 230026)

0 引言

毒害氣體超限在礦井綜采作業(yè)面較常見，經(jīng)常引發(fā)重特大安全事故[1]。作業(yè)面附近毒害氣體主要來自煤層和采空回填區(qū)，主要成分為CH4和CO。通風(fēng)是降低作業(yè)面附近毒害氣體濃度的常規(guī)手段，但會導(dǎo)致漏風(fēng)和揚(yáng)塵等問題，同時(shí)還會產(chǎn)生局部毒害氣體的積累[2]。對正常通風(fēng)情形下作業(yè)面附近的毒害氣體積聚機(jī)制進(jìn)行研究是開展礦井毒害氣體防控工作的基礎(chǔ)。

礦井氣體監(jiān)測系統(tǒng)可以用于開展綜采作業(yè)面附近毒害氣體濃度分布規(guī)律研究[3]。盡管該系統(tǒng)可對作業(yè)面附近毒害氣體濃度持續(xù)監(jiān)測，但存在易受多種因素干擾且覆蓋區(qū)域有限的問題。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對綜采作業(yè)面流體行為進(jìn)行預(yù)測的技術(shù)日臻成熟。Ren等[4]對長臂作業(yè)面采空回填區(qū)的氣體流動(dòng)進(jìn)行模擬，分析不同通風(fēng)方案下采空回填區(qū)O2濃度的變化；李宗翔等[5]探索了采空回填區(qū)瓦斯上浮效應(yīng)，討論瓦斯抽采流量與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系。Torano等[6]模擬掘進(jìn)巷瓦斯擴(kuò)散情況，研究通風(fēng)回流導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬叩脑颉８呓嫉萚7]對不同瓦斯涌出強(qiáng)度下的掘進(jìn)巷流體流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，展示掘進(jìn)巷風(fēng)場渦流、瓦斯上浮和頂板逆流等現(xiàn)象?，F(xiàn)有工作多采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法來研究采空回填區(qū)或掘進(jìn)巷的氣體濃度分布狀態(tài)，對作業(yè)面附近氣體瞬態(tài)變化過程關(guān)注較少。綜采作業(yè)面是重要的采煤場所，因設(shè)備的存在局部區(qū)域毒害氣體積聚風(fēng)險(xiǎn)較高。對綜采作業(yè)面毒害氣體積聚過程的研究有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件包為平臺，對“U”型通風(fēng)綜采作業(yè)面流場進(jìn)行數(shù)值模擬，跟蹤和還原作業(yè)面附近毒害氣體的積聚過程和最終濃度分布。結(jié)合以往文獻(xiàn)報(bào)道的現(xiàn)象，探討作業(yè)面附近風(fēng)場特性以及渦流和氣體上浮效應(yīng)等典型流體行為，在此基礎(chǔ)上分析作業(yè)面附近毒害氣體積聚機(jī)制，為制定合理井下作業(yè)環(huán)境安全監(jiān)控措施提供參考。

1 計(jì)算模型和算法

1.1 作業(yè)面物理模型

“U”型通風(fēng)綜采作業(yè)面具有系統(tǒng)簡單、維護(hù)方便、漏風(fēng)少等優(yōu)點(diǎn)，在我國使用廣泛。綜采作業(yè)面及其附近區(qū)域包括進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、作業(yè)面和采空回填區(qū)，作業(yè)面還會放置采煤機(jī)等設(shè)備，采空回填區(qū)則由矸石堆積而成。風(fēng)由進(jìn)風(fēng)巷流入作業(yè)面再從回風(fēng)巷流出，整個(gè)流動(dòng)線路呈“U”型。根據(jù)“U”型通風(fēng)綜采作業(yè)面情況構(gòu)建物理模型，其中巷道截面簡化為矩形，設(shè)備視為緊貼煤壁的長方體，采空回填區(qū)視作多孔介質(zhì)區(qū)，且進(jìn)、回風(fēng)巷隅角無防風(fēng)墻。坐標(biāo)原點(diǎn)位于進(jìn)風(fēng)巷隅角處，x軸指向進(jìn)風(fēng)巷入口，y軸指向回風(fēng)巷，z軸指向頂板，見圖1。物理模型幾何尺寸的具體參數(shù)見表1。分別設(shè)置設(shè)備中心距進(jìn)風(fēng)巷壁面12 m、50 m、88 m和作業(yè)面無設(shè)備的四種工況。

圖1 作業(yè)面和采空回填區(qū)平面圖Fig. 1 Illustration of the physical model considered

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置

流體不可壓縮，并且不存在氣體間化學(xué)反應(yīng)。作業(yè)面和采空回填區(qū)作為整體計(jì)算，其中采空回填區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)。在不考慮熱交換的情形下，控制方程由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程和組分輸運(yùn)方程構(gòu)成[10]。氣體在巷道隅角和采空回填區(qū)的流動(dòng)具有湍流流動(dòng)特性，因此選用重整化群 (RNG)k-ε湍流模型。該模型考慮了流體旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以處理流線彎曲較大的流動(dòng)現(xiàn)象[10,11]。

表1 物理模型幾何參數(shù)

作業(yè)面和采空回填區(qū)質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中Sm為廣義質(zhì)量源項(xiàng)，分別對應(yīng)于煤壁和采空回填區(qū)引入的氣體質(zhì)量流量；ui為氣流在作業(yè)面區(qū)域和采空回填區(qū)的速度分量。γ為采空回填區(qū)空隙率，作業(yè)面區(qū)域取值為1.0。

動(dòng)量控制方程[10]：

(2)

式中Si為動(dòng)量守恒廣義源項(xiàng)，作業(yè)面區(qū)域取值為零。采空回填區(qū)作為均質(zhì)多孔介質(zhì)的動(dòng)量源項(xiàng)為：

(3)

式中|u|為速度矢量值。

組分輸運(yùn)控制方程：

(4)

其中Cs代表組分CH4、CO和Air的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ds為特定組分的擴(kuò)散系數(shù)，Ss為煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體釋放速率源項(xiàng)。

湍流特性參數(shù)控制方程[10]：

(5)

(6)

湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)計(jì)算式為[10]：

(7)

式中Es為平均應(yīng)變率張量模量，有

(8)

對于采空回填區(qū)，Rε可由下式計(jì)算[10]

(9)

其中η=Esk/ε為平均流時(shí)間尺度與湍流時(shí)間尺度之比[5,10,12]。

煤壁和進(jìn)風(fēng)巷為質(zhì)量流量入口，回風(fēng)巷出口為自由流，巷道和設(shè)備壁面設(shè)定為無滑移壁面。采空回填區(qū)多孔介質(zhì)功能通過對粘性阻力系數(shù)、內(nèi)部阻力系數(shù)和空隙率的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。初始時(shí)刻計(jì)算區(qū)域的風(fēng)場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 計(jì)算參數(shù)設(shè)定及算法

本文作業(yè)面附近的毒害氣體特指易燃易爆的CH4氣體和毒性較大的CO氣體，其中CH4主要來自煤層解吸附釋放，CO主要由采空回填區(qū)的遺煤低溫氧化產(chǎn)生，這里不考慮煤大量氧化甚至發(fā)生自燃的極端情形[13,14]。采空回填區(qū)為多孔介質(zhì)屬性，由于該區(qū)域不是本文重點(diǎn)研究對象，相應(yīng)忽略毒害氣體在該區(qū)域的分布細(xì)節(jié)，并視作在該區(qū)域上均勻分布且生成速率固定[15]。作業(yè)面煤壁和采空回填區(qū)毒害氣體釋放速率以及進(jìn)風(fēng)巷入口空氣流量賦值見表2。這里給出的煤壁毒害氣體釋放速率較通常作業(yè)面稍高。

對各物理量離散時(shí)使用QUICK離散格式，壓力差值采用PRESTO格式，壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。使用ICEM CFD軟件將計(jì)算區(qū)域劃分為六面體網(wǎng)格，作業(yè)面、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和設(shè)備的網(wǎng)格間距為0.2 m，采空回填區(qū)網(wǎng)格間距為 0.5 m。運(yùn)用Fluent軟件(14.5版本)計(jì)算時(shí)，首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，在只考慮進(jìn)風(fēng)巷入口空氣的情況下計(jì)算作業(yè)面初始流場。然后切換至瞬態(tài)計(jì)算，并開啟煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體釋放源，開展氣體流動(dòng)的瞬態(tài)計(jì)算[19]。兩種計(jì)算模式中均選用 (RNG)k-ε湍流模型和組分輸運(yùn)模型，氣體種類設(shè)置為CH4、CO和Air，并考慮重力作用。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長設(shè)定為 1 s，總長為1200 s。其他控件保持默認(rèn)狀態(tài)。計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)出后使用Tecplot軟件繪圖。

表2 毒害氣體和空氣涌入速率賦值

2 結(jié)果與討論

2.1 作業(yè)面毒害氣體積聚過程

按照相關(guān)規(guī)定，作業(yè)面附近風(fēng)速需要控制在0.25 m s-1～4 m s-1，實(shí)際生產(chǎn)中為減少漏風(fēng)和揚(yáng)塵，風(fēng)速通?？刂圃? m s-1～1.5 m s-1[18]。初步計(jì)算表明，進(jìn)、回風(fēng)巷因截面較小，風(fēng)速較高，最高風(fēng)速達(dá)到2.4 m s-1，而作業(yè)面較寬闊，風(fēng)流平緩，風(fēng)速在1 m s-1左右，基本符合實(shí)際應(yīng)用要求[20]。圖2是流場穩(wěn)定時(shí)設(shè)備位于作業(yè)面中間時(shí)作業(yè)面和采空回填區(qū)流線分布 (z=1.5 m)。作業(yè)面出現(xiàn)了漏風(fēng)現(xiàn)象，少量的風(fēng)從進(jìn)風(fēng)巷隅角漏入采空回填區(qū)，最后從回風(fēng)巷隅角回到作業(yè)面，實(shí)測結(jié)果證實(shí)作業(yè)面向采空回填區(qū)的漏風(fēng)是加速遺煤氧化及毒害氣體進(jìn)入作業(yè)面的重要原因[21]。風(fēng)向和風(fēng)速的改變主要發(fā)生在巷道隅角附近，此過程會形成渦流。設(shè)備的迎、背風(fēng)面附近也會出現(xiàn)渦流，迎風(fēng)面渦流緊貼設(shè)備壁面，強(qiáng)度較弱，背風(fēng)面渦流則較強(qiáng)，渦流會一直延續(xù)到垂直高度2 m左右的區(qū)域。

圖2 設(shè)備位于作業(yè)面正中間時(shí)高度1.5 m處作業(yè)面和采空回填區(qū)流線分布。Fig. 2 Streamline distribution of the working face and goaf at the height of 1.5 m. The equipment is located in the middle of the working face.

圖3展示了不同時(shí)刻無設(shè)備作業(yè)面附近特定高度CH4和CO氣體濃度的變化情況(z=1.5 m)。10 s 時(shí)煤壁產(chǎn)生的氣體剛進(jìn)入作業(yè)面，毒害氣體集中在煤壁附近，僅有進(jìn)風(fēng)巷隅角煤壁處的會擴(kuò)散到稍遠(yuǎn)的區(qū)域，這是該區(qū)域渦流形成的體現(xiàn)[22]；100 s時(shí)煤壁產(chǎn)生的毒害氣體擴(kuò)散到作業(yè)面大部分區(qū)域并進(jìn)入回風(fēng)巷，主要沿著煤壁向下游散發(fā)；600 s時(shí)采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體進(jìn)入作業(yè)面，原本氣體濃度較低的采空回填區(qū)壁面和煤壁附近的氣體濃度都顯著上升；1200 s時(shí)作業(yè)面附近毒害氣體分布基本不再變化。在毒害氣體釋放和輸運(yùn)過程中，進(jìn)風(fēng)巷始終未出現(xiàn)毒害氣體。

圖3 無設(shè)備作業(yè)面附近高度1.5 m處CH4 (a) 和CO (b) 濃度隨時(shí)間變化Fig. 3 Time-dependent concentrations of CH4 (a) and CO (b) near the working face at the height of 1.5 m under the circumstance of no placement of the equipment

在100 s時(shí)煤壁產(chǎn)生的毒害氣體已擴(kuò)散到作業(yè)面附近大部分區(qū)域，而采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體則尚未進(jìn)入作業(yè)。這種差異主要是氣體在煤壁和采空回填區(qū)的流動(dòng)速度不同導(dǎo)致的。煤壁產(chǎn)生的毒害氣體脫離煤壁后隨風(fēng)流快速擴(kuò)散到作業(yè)面各區(qū)域；由矸石構(gòu)成采空回填區(qū)的阻力很大，氣體在該區(qū)域流速較低，到達(dá)作業(yè)面時(shí)間也較長[23]。氣體在采空回填區(qū)的緩慢流動(dòng)有利于毒害氣體在特定區(qū)域積聚，尤其在氣體集中涌出的回風(fēng)巷隅角有較高的積聚潛力。

為直觀展示回風(fēng)巷隅角毒害氣體積聚現(xiàn)象，圖4給出通過在該區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)觀察到不同高度處CH4和CO氣體濃度隨時(shí)間變化的結(jié)果。監(jiān)測點(diǎn)高度依次為0.2 m、1.5 m、2.5 m和2.8 m。結(jié)果表明，不同監(jiān)測點(diǎn)的CH4和CO氣體濃度都經(jīng)歷了先升高而后逐漸穩(wěn)定的過程，位置越高最終濃度則越高，并且穩(wěn)定用時(shí)越長。高度為0.2 m時(shí)CH4最終濃度為0.5%，CO則為10 ppm，氣體濃度在250 s左右穩(wěn)定；高度為2.8 m時(shí)CH4最終濃度為1.4%，CO則為27 ppm，氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定需時(shí)長達(dá)1000 s。

圖4 無設(shè)備作業(yè)面回風(fēng)巷隅角不同高度處CH4 (a) 和CO (b) 濃度隨時(shí)間變化。其中監(jiān)測點(diǎn)與采空回填區(qū)壁面和回風(fēng)巷壁面距離都是0.5 m。Fig. 4 Time-dependent concentrations of CH4 (a) and CO (b) near the return corner at different heights at the condition of no placement of the equipment. The distances between monitoring points and the wall of goaf and return airway are all 0.5 m.

回風(fēng)巷隅角毒害氣體濃度的變化趨勢，一方面佐證了模型可以較準(zhǔn)確地還原出氣體上浮效應(yīng)，另一方面也反映一個(gè)事實(shí)：風(fēng)流對回風(fēng)巷隅角附近的毒害氣體抑制能力顯著下降，無法迅速帶走流入該區(qū)域的毒害氣體，導(dǎo)致毒害氣體在該區(qū)域的積聚。CH4和CO的上浮效應(yīng)可以從監(jiān)測點(diǎn)位置越高氣體濃度越高的變化趨勢看出，因密度都小于空氣，毒害氣體勢必會向巷道頂部上浮。礦井實(shí)際監(jiān)測時(shí)要求將瓦斯和一氧化碳?xì)怏w傳感器盡可能靠近頂板布置正是基于氣體上浮效應(yīng)的考慮[24]?；仫L(fēng)巷隅角渦流的形成則是風(fēng)對毒害氣體抑制能力下降的重要原因。相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)[25]，回風(fēng)巷隅角獨(dú)特幾何構(gòu)造使得風(fēng)呈現(xiàn)出渦流狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)場已無法有效吹散毒害氣體甚至有利于氣體積聚。

設(shè)備位于作業(yè)面不同位置時(shí)，迎、背風(fēng)面CH4和CO濃度隨時(shí)間的變化結(jié)果如圖5所示，其中監(jiān)測點(diǎn)與煤壁、設(shè)備壁面的距離分別為1 m、0.5 m，高度為1 m。與回風(fēng)巷隅角毒害氣體濃度變化趨勢類似，設(shè)備附近毒害氣體濃度也經(jīng)歷了先升高而后逐漸穩(wěn)定的變化過程。當(dāng)設(shè)備靠近進(jìn)風(fēng)巷時(shí)，迎風(fēng)面的毒害氣體濃度經(jīng)過100 s的快速上升后仍會緩慢上升，直到300 s才完全穩(wěn)定，而背風(fēng)面的氣體濃度在100 s就完全穩(wěn)定。設(shè)備位于作業(yè)面中間和靠近回風(fēng)巷側(cè)時(shí)，迎風(fēng)面的毒害氣體濃度基本在100 s以內(nèi)穩(wěn)定下來，而背風(fēng)面氣體濃度穩(wěn)定用時(shí)稍長，但最終也會在200 s徹底穩(wěn)定。氣體濃度穩(wěn)定后，背風(fēng)面的毒害氣體濃度總高于迎風(fēng)面的。比較而言，設(shè)備越靠近回風(fēng)巷，迎、背風(fēng)面的氣體濃度則越高。

設(shè)備對風(fēng)的流動(dòng)有阻擋作用，迎、背風(fēng)面所在區(qū)域和巷道隅角有相近的幾何特征，因此也會形成渦流并對氣體積聚過程產(chǎn)生顯著影響，這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相符[26]。設(shè)備位于作業(yè)面不同位置時(shí)，設(shè)備附近毒害氣體積聚過程存在差異：設(shè)備位于進(jìn)風(fēng)巷附近時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷隅角形成的渦流會使流入迎風(fēng)面的風(fēng)量減少，毒害氣體濃度上升趨勢無法在短時(shí)間內(nèi)被抑制，因此在300 s左右濃度趨于穩(wěn)定。設(shè)備位于作業(yè)面中間和回風(fēng)巷附近時(shí)，流入背風(fēng)面的風(fēng)量要少于迎風(fēng)面的，背風(fēng)面的毒害氣體濃度完全穩(wěn)定用時(shí)比迎風(fēng)面稍長，最終的毒害氣體濃度也更高。由此可見，依賴于固定式傳感器的傳統(tǒng)氣體監(jiān)測手段在應(yīng)對氣體積聚方式不斷變化的情形時(shí)，很有可能會出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象。

圖5 有設(shè)備時(shí)作業(yè)面設(shè)備迎、背風(fēng)面CH4和CO濃度隨時(shí)間變化。工況 (a)、(b)、(c)分別對應(yīng)設(shè)備中心坐標(biāo)為y=12 m、50 m、88 m的情形，監(jiān)測點(diǎn)與煤壁、設(shè)備壁面的距離分別是1 m和0.5 m，高度則為1 m。Fig. 5 Time-dependent concentrations of CH4 and CO at specific positions. Situations correspond to the equipment center being located at y=12 (a), 50 (b) and 88 m (c), respectively. The distances between monitoring points and the coal seam wall and equipment are 1 m and 0.5 m. These monitoring points are all at the height of 1 m.

2.2 毒害氣體濃度分布和潛在危險(xiǎn)性

圖6是無設(shè)備情形下作業(yè)面不同截面處CH4和CO濃度的最終分布，其中截面位置分別為y=0.5 m、20 m、50 m、60 m、80 m、99.5 m。y=0.5 m截面位于進(jìn)風(fēng)巷附近，沒有出現(xiàn)毒害氣體，而y=99.5 m截面位于回風(fēng)巷附近，氣體濃度較高。其他截面則呈現(xiàn)出從煤壁到采空回填區(qū)壁面氣體濃度逐漸降低的分布。各截面頂部氣體濃度都較高，這在y=99.5 m截面表現(xiàn)最明顯：頂部CH4和CO最高濃度分別為1.4%和27 ppm。

圖6 無設(shè)備情形下巷道不同垂直截面CH4 (a) 和CO (b) 濃度分布。截面位置分別為y=0.5 m、20 m、50 m、60 m、80 m、99.5 m。Fig. 6 Concentration distribution of CH4 (a) and CO (b) near the working face on the vertical planes of y=0.5, 20, 50, 60, 80 and 99.5 m, respectively, under the circumstance of no placement of the equipment.

各截面氣體濃度最終分布反映出毒害氣體在三維空間輸運(yùn)方式的差異。受風(fēng)的強(qiáng)迫對流作用向下游(y軸方向)移動(dòng)，其移動(dòng)速度與風(fēng)速接近。這意味著煤壁產(chǎn)生的毒害氣體會迅速污染作業(yè)面，尤其在發(fā)生氣體突出事故時(shí)，整個(gè)作業(yè)面很快會成為潛在危險(xiǎn)區(qū)。毒害氣體還會受濃度梯度的驅(qū)動(dòng)向采空回填區(qū)壁面擴(kuò)散(沿x軸反方向)，但因擴(kuò)散速度很慢，直到y(tǒng)=80 m處煤壁釋放出的毒害氣體才能擴(kuò)散到采空回填區(qū)附近。CH4和CO因密度小于空氣還會向上(z軸方向)浮動(dòng)，y=99.5 m截面上氣體濃度分布是氣體上浮效應(yīng)的直觀展示?；谏鲜鲎饔脵C(jī)制，毒害氣體在作業(yè)面附近最終會呈現(xiàn)出越靠近回風(fēng)巷且越靠近巷道頂部氣體濃度越高的態(tài)勢，這也與現(xiàn)場實(shí)際觀察到回風(fēng)巷隅角頂部毒害氣體濃度容易超限的現(xiàn)象一致[27]。

圖7給出了有設(shè)備情形下設(shè)備附近CH4和CO的最終濃度分布(z=1 m)。可以看出,設(shè)備位于進(jìn)風(fēng)隅角側(cè)時(shí)，其附近濃度分布受煤壁釋放出的氣體影響較小。其迎風(fēng)面附近的毒害氣體散發(fā)到離煤壁稍遠(yuǎn)的區(qū)域，而背風(fēng)面附近僅出現(xiàn)較低濃度分布，采空回填區(qū)壁面附近則幾乎觀察不到毒害氣體。設(shè)備位于作業(yè)面正中間時(shí)，迎、背風(fēng)面毒害氣體濃度均顯著升高，背風(fēng)面附近形成了高濃度區(qū)；與此同時(shí)，毒害氣體波及到采空回填區(qū)壁面附近。設(shè)備靠近進(jìn)回風(fēng)巷側(cè)時(shí)，采空回填區(qū)產(chǎn)生的毒害氣體從回風(fēng)巷隅角進(jìn)入作業(yè)面，背風(fēng)面出現(xiàn)了作業(yè)面附近最高的毒害氣體濃度分布，CH4和CO濃度最高值分別為1.6%和36 ppm。

圖7 設(shè)備位于近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、作業(yè)面中間以及近回風(fēng)巷側(cè)時(shí)設(shè)備附近高度1 m處CH4 (a) 和CO (b) 濃度分布。設(shè)備位置與圖5工況相同。Fig. 7 Concentration distribution of CH4 (a) and CO (b) near the equipment at the height of 1 m, at the conditions of the equipment being located near the intake airway, the middle of the working face, and near the return airway, respectively. The positions of the equipment are the same as those shown in Fig. 5.

在風(fēng)場作用下，迎風(fēng)面雖然也會形成渦流，但迎風(fēng)面直接受到風(fēng)的沖擊作用，處于正壓狀態(tài)；即使毒害氣體向下游擴(kuò)散受阻，仍可以從側(cè)面繞過設(shè)備，不容易出現(xiàn)高濃度。由于設(shè)備的阻擋作用，背風(fēng)面處于風(fēng)量較少的負(fù)壓狀態(tài)，通風(fēng)不良，風(fēng)流難以有效吹散流入該區(qū)域的毒害氣體，因而氣體濃度較高，這也在一定程度上解釋了實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)附近容易積聚毒害氣體且事故頻發(fā)的原因[28]。

圖8給出設(shè)備迎、背風(fēng)面CH4和CO濃度隨高度的最終變化結(jié)果。監(jiān)測線與煤壁、設(shè)備壁面的距離分別是1 m和0.5 m。設(shè)備背風(fēng)面的氣體濃度變化趨勢相似，都呈現(xiàn)出從底部開始濃度逐漸上升，在高度1 m左右達(dá)到最大而后逐漸下降并穩(wěn)定的變化趨勢。迎風(fēng)面氣體濃度變化情況與設(shè)備位置有關(guān)：設(shè)備位于作業(yè)面中間和靠近回風(fēng)巷側(cè)時(shí)，迎風(fēng)面的氣體濃度會隨高度的增加而增加；設(shè)備靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)時(shí)，迎風(fēng)面氣體濃度變化規(guī)律和背風(fēng)面類似。

源于兩種毒害氣體自開采煤壁以及采空區(qū)釋放量階的差別，在特定區(qū)域CH4和CO濃度值非常懸殊，但它們各自的分布規(guī)律存在高度的相似性，這從側(cè)面證實(shí)計(jì)算結(jié)果的可靠性。在目前設(shè)定的通風(fēng)量及毒害氣體涌出量條件下，背風(fēng)面CH4濃度達(dá)到1.6%，已大大超出作業(yè)面允許的1%最高濃度值，如不及時(shí)處置會誘發(fā)人員窒息、瓦斯燃燒甚至爆炸等事故[18]。與此同時(shí)，背風(fēng)面CO濃度達(dá)到36 ppm，而作業(yè)面允許的CO最高濃度為24 ppm，此時(shí)局部空氣質(zhì)量已經(jīng)惡化，人員在這種氣體氛圍中長時(shí)間作業(yè)，則容易出現(xiàn)頭暈、視線模糊等中毒反應(yīng)[29]。設(shè)備背風(fēng)面可以視為CH4和CO氣體積聚潛力較大和容易發(fā)生危險(xiǎn)的區(qū)域[30]。

進(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)煤壁和采空回填區(qū)的毒害氣體涌出量增大時(shí)作業(yè)面附近毒害氣體濃度會進(jìn)一步升高，氣體積聚速度更快。增大通風(fēng)量在一定程度上可以降低毒害氣體濃度，對回風(fēng)巷隅角氣體積聚行為有一定抑制效果，但會導(dǎo)致作業(yè)面附近區(qū)域漏風(fēng)和揚(yáng)塵現(xiàn)象加劇，相應(yīng)惡化作業(yè)環(huán)境[31]。通過提高通風(fēng)量降低作業(yè)面附近毒害氣體濃度是不可取的。應(yīng)考慮開發(fā)流動(dòng)環(huán)境中毒害氣體的監(jiān)測技術(shù)以增強(qiáng)對毒害氣體局部積聚現(xiàn)象的監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合局部通風(fēng)、設(shè)置風(fēng)障、氣體抽放等多種措施以有效控制作業(yè)面附近毒害氣體濃度，從而為不同作業(yè)氛圍中的環(huán)境安全提供保障。

圖8 設(shè)備迎、背風(fēng)面CH4和CO濃度隨高度變化。工況 (a)、(b)、(c) 分別和設(shè)備中心坐標(biāo)為y=12 m、50 m、88 m的情況對應(yīng)，監(jiān)測線與煤壁、設(shè)備壁面的距離分別是1 m、0.5 m。設(shè)備位置與圖5工況相同。Fig. 8 Height-dependent concentrations of CH4 and CO at specific locations. Situations correspond to the equipment centered at y=12 (a), 50 (b) and 88 m (c), respectively. The distances between monitoring lines and the coal seam wall and equipment are 1 m and 0.5 m. The positions of the equipment are the same as those shown in Fig. 5.

3 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬方法對礦井“U”型通風(fēng)綜采作業(yè)面流場進(jìn)行計(jì)算，跟蹤特定工況條件下作業(yè)面及設(shè)備附近有毒有害氣體的積聚過程和最終分布狀況。計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確展示出隅角渦流、采空回填區(qū)漏風(fēng)以及氣體上浮效應(yīng)等典型氣體流動(dòng)行為，與現(xiàn)場實(shí)際觀察到的氣體變化趨勢相符，證明了模型和算法的可靠性。

在常規(guī)通風(fēng)條件下，作業(yè)面煤層和采空回填區(qū)釋放出的CH4和CO氣體在回風(fēng)巷隅角經(jīng)歷濃度逐漸升高而后穩(wěn)定的漫長積聚過程；設(shè)備附近則具有較大毒害氣體積聚潛力，積聚速度相對較快。迎風(fēng)面附近CH4和CO氣體濃度不易超限。因受上浮效應(yīng)的影響，背風(fēng)面的毒害氣體濃度積聚主要發(fā)生在背風(fēng)面中上部：不但局部CH4濃度超出作業(yè)面安全生產(chǎn)規(guī)定的最高濃度，CO濃度也已達(dá)到危害人體健康的程度。建立起來的認(rèn)識對作業(yè)面附近毒害氣體超限事故預(yù)防和控制有一定指導(dǎo)意義。

符號說明：

B—多孔介質(zhì)粘性阻力損失系數(shù)，3002 m-2；

C2—多孔介質(zhì)內(nèi)部阻力因子，18.1 m-1；

Cs—組分CH4、CO和Air質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Cμ—湍流黏度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，0.0845;

Cε1、Cε2—耗散率ε相關(guān)系數(shù)，分別為1.42和1.68；

Ds—組分CH4、CO和Air擴(kuò)散系數(shù),m2s-1；

eij—平均應(yīng)變率張量，s-1；

Es—平均應(yīng)變率張量模量；

Gk—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

k—湍動(dòng)能，J kg-1；

p—流體壓力，Pa；

R—平均應(yīng)變率對耗散率ε影響的附加項(xiàng)；

Si—廣義動(dòng)量源項(xiàng)；

Sm—廣義質(zhì)量源項(xiàng)；

Ss—CH4和CO釋放源項(xiàng)；

t—時(shí)間，s；

ui—?dú)饬魉俣确至?，m s-1；

希臘字母

αk—湍動(dòng)能k對應(yīng)逆有效普朗特?cái)?shù)，1.39；

αε—耗散率ε對應(yīng)逆有效普朗特?cái)?shù)，1.39；

β—湍動(dòng)能k的關(guān)聯(lián)常數(shù)，0.015；

γ—多孔介質(zhì)空隙率，0.3；

ε—湍流耗散率，m2s-3；

η—平均流時(shí)間尺度與湍流時(shí)間尺度之比；

η0—η參比值，4.38；

ρ—流體密度，kg m-3；

μ—流體動(dòng)力粘度，Pa·s；

μeff—流體有效粘度，Pa·s；

μt—湍流粘度，Pa·s。

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