惠永福,李丹丹
(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)
硫化氫(H2S)是井下常見的有毒有害氣體之一,屬于重質(zhì)氣體,受重力沉降作用,向下擴(kuò)散。由于硫化氫是無色透明的氣體,當(dāng)它突然涌出時(shí),是不容易被觀察到,只能通過氣味和檢測儀來分辨,但當(dāng)濃度達(dá)到100~150 ppm時(shí),人的嗅覺就會麻痹;當(dāng)濃度在1000 ppm及以上時(shí),人在數(shù)秒內(nèi)就會死亡[1]。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百三十五條嚴(yán)格限定了礦井空氣中硫化氫最高允許濃度為6.6 ppm。相比井下瓦斯的賦存原理、運(yùn)移規(guī)律和治理技術(shù),硫化氫的研究方面還存在很大的空間。因此,掌握掘進(jìn)工作面的硫化氫涌出規(guī)律,準(zhǔn)確預(yù)測掘進(jìn)工作面硫化氫的濃度分布,分析硫化氫在掘進(jìn)工作面的運(yùn)移規(guī)律,有助于治理硫化氫;對掘進(jìn)工作面硫化氫流動機(jī)理、運(yùn)移規(guī)律及濃度的分布的基礎(chǔ)研究顯得很有必要。
Huang L K[2]等主要從生物降解、微生物硫酸鹽還原、化學(xué)硫酸鹽還原、熱分解化學(xué)和巖漿這5個(gè)方面分析了煤礦中硫化氫氣體的形成機(jī)理。劉明舉[3]等概述了導(dǎo)致煤層硫化氫異常賦存的主要三大成因類型:硫酸鹽生物還原(BSR)、熱化學(xué)硫酸鹽還原(TSR)和巖漿成因,生物化學(xué)降解和熱解可以忽略不計(jì),并分析了煤層H2S的濃度和含量可能與煤層埋藏深度與全硫含量成正相關(guān)關(guān)系。劉奎[4]研究了綜掘工作面掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)硫化氫濃度在掘進(jìn)機(jī)前方的分布規(guī)律為在垂直方向上隨距離底板距離的增加硫化氫濃度逐漸減少,水平方向上從掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)風(fēng)側(cè)至截齒頭上部、回風(fēng)側(cè)呈現(xiàn)出逐漸增加的規(guī)律。賈牛駿[5]等對不同風(fēng)筒位置條件下綜掘工作面硫化氫的濃度分布規(guī)律進(jìn)行了模擬,得出風(fēng)筒距離工作面端面為3 m時(shí),工作面附近的渦流區(qū)域的硫化氫濃度最小,回風(fēng)隅角處的硫化氫擴(kuò)散范圍最小。硫化氫氣體在氣體保存和運(yùn)移方面與甲烷應(yīng)具有相似的規(guī)律。李東印[6]等建立了采煤工作面瓦斯流動模型模擬了工作面和采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紴榻⒕蜻M(jìn)工作面硫化氫流動模型做出了貢獻(xiàn)。苗永春[7]、袁欣鵬[8]等都是通過改變配堿溶液比例和對煤層注入堿溶液的方法來降低硫化氫濃度。以上研究人員做出了大量研究,但對硫化氫在掘進(jìn)工作面的運(yùn)移規(guī)律研究依然很少,賈寶山[9]等建立了綜掘工作面硫化氫運(yùn)移擴(kuò)散模型得出在工作面類似“U”型通風(fēng)的情況下硫化氫最容易積聚在回風(fēng)側(cè)下隅角處的結(jié)果。但沒有對掘進(jìn)機(jī)前方硫化氫的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行更加詳細(xì)地研究。因此,本文利用COMSOL仿真軟件數(shù)值模擬硫化氫在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律,分析某礦掘進(jìn)工作面硫化氫氣體涌出及運(yùn)移規(guī)律,進(jìn)而提出適合掘進(jìn)工作面的硫化氫監(jiān)測與治理建議,以其為掘進(jìn)工作面硫化氫防治技術(shù)的研究提供基礎(chǔ),保障礦井的安全生產(chǎn)和人員的生命健康。
以某礦掘進(jìn)工作面為原型建立COMSOL的物理模型,物理模型的工作面巷道斷面為矩形,巷道寬4.5 m、高3.0 m,斷面面積13.5 m2,采用壓入式通風(fēng),供風(fēng)量為300 m3/min,風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速為10 m/s,風(fēng)筒位于巷道左側(cè)壁面,半徑為0.4 m,中心線距離側(cè)壁0.5 m,距離底板2.4 m。根據(jù)實(shí)際和數(shù)值模擬的需要,巷道長度選擇20 m,在Y軸截取10 m至30 m,一側(cè)為風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口和工作面的出風(fēng)面,另一側(cè)為工作面端頭;此外,掘進(jìn)機(jī)的體積較大會影響工作面的風(fēng)流方向和硫化氫擴(kuò)散的范圍,所以不能忽略掘進(jìn)機(jī)體積,可以將掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身簡化為長方體(5.00 m×3.00 m×1.48 m),簡化的掘進(jìn)機(jī)長方體與作面的最短距離為4.5 m。為更好的觀察從工作面端口處涌出后的硫化氫在端口與掘進(jìn)機(jī)之間的擴(kuò)散規(guī)律,建立的觀測點(diǎn)均距掘進(jìn)工作面煤壁1 m;在掘進(jìn)機(jī)的兩側(cè)布置距掘進(jìn)機(jī)中心Y軸0 m、0.8 m、1.6 m;距底板0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m。
假設(shè)掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過程中速度恒定,風(fēng)筒與煤壁的距離、掘進(jìn)機(jī)與工作面的距離、風(fēng)筒與掘進(jìn)機(jī)的相對位置均保持不變,H2S的泄露地點(diǎn)為工作面端點(diǎn)處即鉆頭處,硫化氫涌出處簡化為一個(gè)圓柱體,硫化氫從圓柱體的側(cè)壁涌出。相比于從煤層破碎涌出的硫化氫含量,從煤層中解吸出的硫化氫含量極小[10],忽略從巷壁涌出的H2S??紤]數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)際需要,作為重質(zhì)氣體的H2S,從工作面端口處涌出的H2S僅受從風(fēng)筒流出的風(fēng)流和作為重質(zhì)氣體H2S自身的重力影響。簡化后的物理模型如圖1所示。
圖1 掘進(jìn)工作面硫化氫擴(kuò)散規(guī)律數(shù)值模擬模型
掘進(jìn)工作面H2S氣體的整個(gè)擴(kuò)散過程是:首先是在掘進(jìn)工作面通風(fēng)正常的情況下,當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的鉆頭破碎巖層或者煤層時(shí),H2S氣體從破碎處涌出,然后在工作面的風(fēng)流和重力的作用下進(jìn)行擴(kuò)散。整個(gè)過程可以看作兩個(gè)模型的耦合,一個(gè)是工作面氣體流動模型作為源模型,另一個(gè)模型是H2S氣體擴(kuò)散模型進(jìn)行耦合。因此,整個(gè)模型是一個(gè)稀釋物質(zhì)傳遞的三維非定常湍流模型。在COMSOL數(shù)值模擬軟件中可以看作兩個(gè)物理場的耦合:湍流物理場和稀物質(zhì)傳遞物理場。
風(fēng)筒和掘進(jìn)工作面的氣體流動可以看作是一種管道流動,而Navier-Stoke方程能很好的描述管道內(nèi)流體的流動規(guī)律。因此,選擇Navier-Stoke方程、質(zhì)量守恒連續(xù)性方程、雷諾平均方程,湍流效應(yīng)是由標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行約束。假設(shè)模型僅考慮動量傳遞且忽略傳熱的影響,受重力影響下的穩(wěn)態(tài)流場。方程求解速度和壓力兩個(gè)因變量。
連續(xù)性方程:
(1)
運(yùn)動方程:
(2)
湍動能k方程:
(3)
耗散率ε方程:
(4)
其中:
(5)
(6)
H2S在掘進(jìn)工作面中的運(yùn)移遵守流體動力學(xué)中的彌散定律,可以用菲克定律來計(jì)算擴(kuò)散后H2S達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況下的濃度分布。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和對流擴(kuò)散方程,得到了H2S在掘進(jìn)工作面中的擴(kuò)散控制方程:
(7)
ρ=ciVL·10-3ρH+(1-ci·VL·10-3)·ρa(bǔ)
(8)
式中,ci為溶解濃度,mol/m3;Di為H2S在空氣中的擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Ri為源項(xiàng),每單位時(shí)間單位體積H2S的增加量,mol/(m3·s);u為平均流速,m/s;ρH、ρa(bǔ)分別為H2S和空氣的密度,kg/m3;VL為氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積,取22.4 L/mol。
工作面氣體流動模型是計(jì)算在硫化氫還沒有涌出前掘進(jìn)工作面的氣體流場達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度場和壓力場,達(dá)到平衡后,再嵌入H2S擴(kuò)散模型進(jìn)行耦合,對于COMSOL來說,這是一個(gè)稀物質(zhì)傳遞與湍流流動耦合的多物理場過程,聯(lián)立式(1)~(8)求解,計(jì)算得出硫化氫在掘進(jìn)工作面模型中的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布特點(diǎn)。
1) 邊界條件
巷道頂?shù)装迮c煤層交界面不發(fā)生物質(zhì)對流擴(kuò)散,表示為:
-n·Ni=0
(9)
出口為開邊界無黏滯應(yīng)力:
(10)
2) 初始條件
考慮數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)合現(xiàn)場測試,模擬由掘進(jìn)機(jī)鉆頭處涌出的硫化氫原始濃度為c0。
p|t=t0=p0,c|t=t0=c0
(11)
式中,p0為巷道空氣初始壓力,MPa;c0為掘進(jìn)機(jī)鉆頭處割煤時(shí)硫化氫流入濃度,mol/m3。
基于現(xiàn)場測量,模型計(jì)算的其他參數(shù)如表1所示
表1 模型計(jì)算參數(shù)
基于以上掘進(jìn)工作面物理模型和氣體流動數(shù)學(xué)模型及各種參數(shù)設(shè)置,應(yīng)用COMSOL軟件進(jìn)行計(jì)算研究,通過調(diào)整兩個(gè)物理場的控制參數(shù)、細(xì)化網(wǎng)格設(shè)置和局部網(wǎng)格較細(xì)化等選項(xiàng)來提高計(jì)算精度,調(diào)整研究選項(xiàng)控制收斂程度,更好的模擬硫化氫的擴(kuò)算規(guī)律。計(jì)算研究出掘進(jìn)工作面硫化氫擴(kuò)散模型的速度場、壓力場及濃度場的計(jì)算結(jié)果。硫化氫作為重質(zhì)氣體,運(yùn)移擴(kuò)散的過程中受氣流影響較大,先分析模擬結(jié)果的速度場,總結(jié)其規(guī)律。然后分析硫化氫濃度場的XZ和XY截面,最后在分析觀察區(qū)域硫化氫的濃度數(shù)值變化,同時(shí)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相比較。
考慮到風(fēng)速的大小直接影響氣體濃度的分布,同時(shí)也是控制硫化氫氣體積聚的有效手段之一,可以先分析流場。圖2為掘進(jìn)工作面風(fēng)速流場圖。
觀察圖2的掘進(jìn)工作面風(fēng)速云圖,當(dāng)風(fēng)流從風(fēng)筒出來進(jìn)入到掘進(jìn)工作面,風(fēng)速逐漸變小,其中風(fēng)速較高的風(fēng)流貼近工作面,另在工作面的回風(fēng)隅角處風(fēng)速較小,且從風(fēng)筒出來的風(fēng)流和隅角回風(fēng)流均與掘進(jìn)機(jī)前面的工作面呈現(xiàn)出大約45°,另從風(fēng)速云圖的顏色分布可知,掘進(jìn)機(jī)后方的風(fēng)速明顯小于掘進(jìn)機(jī)前方的風(fēng)速。從掘進(jìn)工作面風(fēng)速流線圖可看出,從風(fēng)筒流入掘進(jìn)工作面的出口風(fēng)速較高,風(fēng)流有向工作面外回流現(xiàn)象,同時(shí)風(fēng)速較高的風(fēng)流在經(jīng)過工作面端面是形成回風(fēng)隅角,與工作面端面呈45°,回風(fēng)風(fēng)流分為兩路,其中一路包含大部分風(fēng)流經(jīng)過壁面,由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋,在工作面端面和掘進(jìn)機(jī)之間形成了一個(gè)風(fēng)速較低的渦旋,回流過程中風(fēng)速逐漸減小,風(fēng)速流線進(jìn)一步閉環(huán);另一路沿著壁面以及掘進(jìn)機(jī)上方,向掘進(jìn)工作面外流出,流出過程當(dāng)中,風(fēng)速逐漸減小,流線平緩,巷道出口的風(fēng)流近似層流狀態(tài)。
3.2.1 掘進(jìn)工作面H2S濃度分布云圖
為了更好地觀察掘進(jìn)工作面H2S濃度分布,均勻地選取風(fēng)流方向(Y軸正方向)10個(gè)參考面,平均間距平均為2 m,XY截面自上而下分別截取2.4 m(風(fēng)筒中心距底板高度)、1.55 m(人的呼吸帶)、0.74 m(H2S涌出點(diǎn)距底板高度)為參考面,然后模擬出XZ與XY截面上從掘進(jìn)機(jī)鉆頭處涌出的H2S運(yùn)移擴(kuò)散濃度分布圖,如圖3所示。
由圖3分析可知,從XZ截面和XY截面都能看出,在工作面端面的右下角即回風(fēng)隅角處的硫化氫濃度較高,結(jié)合風(fēng)速云圖和風(fēng)速流線圖,在硫化氫積聚處的風(fēng)速很小,這可能是硫化氫積聚在回風(fēng)隅角的原因之一,距掘進(jìn)工作面端面5 m內(nèi)的硫化氫,很明顯涌出處和底部硫化氫的濃度高于中部和頂部,這肯能是因?yàn)榱蚧瘹鋵儆谥刭|(zhì)氣體,受氣體沉降作用以及回風(fēng)隅角的風(fēng)速很小,導(dǎo)致硫化氫向下擴(kuò)散積聚。同時(shí)從圖上也可以看出,靠近工作面端面的濃度較高,靠近工作面出口的濃度較小,說明硫化氫從涌出處向掘進(jìn)工作面外擴(kuò)散,在擴(kuò)散過程中濃度變小。從XY的1.55 m和2.4 m截面可以看出,掘進(jìn)機(jī)上方是存在硫化氫的,這會嚴(yán)重威脅掘進(jìn)機(jī)上的司機(jī)和工作面的其他工作人員的健康。在XZ截圖上,掘進(jìn)機(jī)前方和后方的濃度截圖互相比較,掘進(jìn)機(jī)前方的硫化氫濃度梯度比較明顯,右下方硫化氫濃度高于同一截圖的其他地方。掘進(jìn)機(jī)后方濃度梯度不明顯,硫化氫濃度也相對較小。
圖2 掘進(jìn)工作面風(fēng)速流場圖
圖3 掘進(jìn)工作面硫化氫運(yùn)移擴(kuò)散濃度分布圖
3.2.2 掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)前方觀察區(qū)域H2S運(yùn)移規(guī)律
掘進(jìn)機(jī)前方的觀察區(qū)域測點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后,可以得出觀察點(diǎn)區(qū)域的水平方向和垂直方向的硫化氫濃度分布規(guī)律,進(jìn)一步分析掘進(jìn)機(jī)前方的硫化氫濃度運(yùn)移規(guī)律。
圖4 觀察點(diǎn)區(qū)域水平方向硫化氫濃度分布規(guī)律
由數(shù)值模擬圖4分析可以得出:在距離底板0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m的四條曲線上,只有距離底板0.6 m的曲線,在回風(fēng)側(cè)區(qū)域有明顯的變化,其他三條曲線的硫化氫濃度無論是在進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)都沒有明顯變化,在距離底板0.6 m的曲線上從左到右五個(gè)點(diǎn)的硫化氫濃度分別為11.46×10-6mol/m3、13.34×10-6mol/m3、21.47×10-6mol/m3、128.84×10-6mol/m3、88.69×10-6mol/m3。從五個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出相對掘進(jìn)機(jī)中心水平距離0.8m處的硫化氫濃度比較高,其次是相對1.6 m處的硫化氫濃度也比較高,導(dǎo)致這種情況的原因是從風(fēng)筒出來的風(fēng)流經(jīng)過掘進(jìn)工作面端面后流出,形成類似一個(gè)U型的風(fēng)場,同時(shí)距底板0.6 m處的測點(diǎn)相對其他距離底板的距離的測點(diǎn)是距離硫化氫涌出點(diǎn)最近的,硫化氫氣體分子量也比空氣分子量大,在沉降作用下,硫化氫一部分部分向下擴(kuò)散,另一部分在風(fēng)流作用下水平擴(kuò)散。因此在水平上的硫化氫運(yùn)移規(guī)律是相對掘進(jìn)機(jī)中心從左側(cè)到右側(cè)硫化氫的濃度逐漸增加,接近硫化氫涌出點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大,然后再減小。 所以,掘進(jìn)工作面中掘進(jìn)機(jī)前方的回風(fēng)一側(cè)是硫化氫的治理關(guān)鍵。
在數(shù)值模擬圖5上的五條曲線,只有在距掘進(jìn)機(jī)右側(cè)0.8 m和1.6 m垂直方向上,硫化氫的濃度才發(fā)生變化,其他三條曲線的硫化氫濃度變化不是很明顯。在距掘進(jìn)機(jī)右側(cè)0.8 m處四個(gè)觀測點(diǎn)的濃度是128.84×10-6mol/m3、24.69×10-6mol/m3、27.48×10-6mol/m3、21.43×10-6mol/m3,
距掘進(jìn)機(jī)右側(cè)1.6 m處四個(gè)觀測點(diǎn)的濃度是88.69×10-6mol/m3、23.21×10-6mol/m3、19.41×10-6mol/m3、16.20×10-6mol/m3。這兩條硫化氫濃度發(fā)生變化的曲線也均在掘進(jìn)機(jī)的右側(cè),也是回風(fēng)側(cè),這與圖4的形成原因一致,涌出的硫化氫受類似U型風(fēng)場中回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流影響向水平方向擴(kuò)散,同時(shí)硫化氫受到重力場的影響,也向下擴(kuò)散。因此硫化氫在掘進(jìn)機(jī)前方的垂直方向上的運(yùn)移規(guī)律是由頂板到底板,硫化氫的濃度逐漸變大。
3.2.3 掘進(jìn)工作面掘進(jìn)機(jī)前方現(xiàn)場觀察區(qū)域H2S運(yùn)移規(guī)律
根據(jù)劉奎[4]等人在東山礦71507綜掘工作面現(xiàn)場相同位置測點(diǎn)所測量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),如圖6所示,經(jīng)過分析可得:掘進(jìn)機(jī)前方觀察點(diǎn)區(qū)域的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的硫化氫運(yùn)移規(guī)律基本相同,硫化氫主要積聚地方為掘進(jìn)機(jī)的前方的右側(cè),即掘進(jìn)機(jī)前方的回風(fēng)側(cè),在掘進(jìn)機(jī)前方觀察點(diǎn)區(qū)域水平方向硫化氫濃度分布規(guī)律為相對于觀察區(qū)域同一水平觀測點(diǎn),從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)硫化氫的濃度變大,在距掘進(jìn)機(jī)右側(cè)0.8 m處硫化氫濃度達(dá)到其余四個(gè)觀測點(diǎn)的最大值,然后硫化氫的濃度開始下降;在掘進(jìn)機(jī)前方觀察點(diǎn)區(qū)域掘進(jìn)機(jī)右側(cè)的垂直方向硫化氫濃度分布規(guī)律為涌出的硫化氫濃度隨著距底板距離的增加而逐漸減小。
圖5 觀察點(diǎn)區(qū)域垂直方向硫化氫濃度分布規(guī)律
圖6 觀察點(diǎn)區(qū)域硫化氫擴(kuò)散規(guī)律
(1) 由數(shù)值模擬的流場結(jié)果分析得出,從風(fēng)筒流出的風(fēng)流在掘進(jìn)工作面會形成一個(gè)類似U型的流場,其中掘進(jìn)機(jī)前方的左壁進(jìn)風(fēng)側(cè)和右壁的回風(fēng)側(cè)風(fēng)流與工作面的端面會形成一個(gè)45°的隅角,隅角會形成一個(gè)風(fēng)速極小的區(qū)域。回風(fēng)側(cè)的風(fēng)流分為兩個(gè)支路,一部分由于掘進(jìn)機(jī)的阻擋,會在掘進(jìn)機(jī)與工作面的端面之間形成一個(gè)渦旋,另一部分沿著右壁面和掘進(jìn)機(jī)上方流出掘進(jìn)工作面,工作面出口的風(fēng)流近似平流狀態(tài)。
(2) 由數(shù)值模擬的硫化氫濃度云圖可以看出,當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí),從鉆頭周圍涌出的硫化氫氣體,主要聚集在掘進(jìn)機(jī)前方的右側(cè)隅角,即風(fēng)流回風(fēng)一側(cè)。另外,涌出的硫化氫也有部分向掘進(jìn)工作面外擴(kuò)散,其中在距離底板1.55 m(人的呼吸帶)的水平方向上,也存在硫化氫,同時(shí)擴(kuò)散過程當(dāng)中也流經(jīng)過掘進(jìn)機(jī)的上方,這嚴(yán)重威脅到掘進(jìn)工作面的工作人員和掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的生命健康。
(3) 經(jīng)過數(shù)值模擬觀察點(diǎn)區(qū)域和現(xiàn)場觀察點(diǎn)區(qū)域的硫化氫濃度分布規(guī)律比較,兩者的硫化氫濃度的分布特點(diǎn)相同,涌出的硫化氫主要積聚在掘進(jìn)機(jī)前方的右側(cè)即回風(fēng)側(cè),其中在觀察點(diǎn)區(qū)域內(nèi),距離底板0.6 m的水平方向上硫化氫的濃度分布特點(diǎn)是從左到右逐漸變大,在臨近涌出點(diǎn)時(shí),達(dá)到濃度最大值;在掘進(jìn)機(jī)右側(cè)0.8 m和1.6 m的垂直方向上,隨著距底板距離的增加,硫化氫的濃度逐漸變小。經(jīng)由此分析由掘進(jìn)機(jī)鉆頭處涌出的硫化氫在掘進(jìn)工作面的運(yùn)移規(guī)律是涌出的硫化氫一部分在風(fēng)流的作用下向右水平擴(kuò)散,同時(shí)一部分硫化氫受到沉降作用,向下擴(kuò)散,積聚在工作面端面的右下側(cè),因此鉆頭處和回風(fēng)側(cè)應(yīng)該是硫化氫治理的重點(diǎn),兼顧掘進(jìn)機(jī)司機(jī)和掘進(jìn)工作面工作人員的防護(hù)措施。