基于CFX的煤礦瓦斯抽采主系統(tǒng)管道泄漏數(shù)值模擬

蔡繼濤，張志晶，王杰峰，呂偉，張衛(wèi)東

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽(yáng)煤礦，山西長(zhǎng)治 046205

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦機(jī)械化水平的不斷提高，煤礦開采技術(shù)得到迅速發(fā)展，煤炭資源開發(fā)由淺層向深層發(fā)展是必然趨勢(shì)[1]。隨著煤礦開采深度的加深和采煤強(qiáng)度的加強(qiáng)，瓦斯災(zāi)害成為煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要危險(xiǎn)之一。負(fù)壓瓦斯抽采管道作為一種治理煤礦瓦斯災(zāi)害和輸運(yùn)清潔瓦斯的有效手段，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于井下環(huán)境惡劣、管道老化、人為破壞等原因，瓦斯抽采管道被腐蝕甚至破裂泄漏的現(xiàn)象難以避免。當(dāng)瓦斯抽采管道泄漏后，由于管道內(nèi)部的負(fù)壓特性，巷道空氣會(huì)被卷吸進(jìn)入瓦斯抽采管道，不僅會(huì)造成瓦斯能源的浪費(fèi)，還會(huì)在管道內(nèi)瓦斯?jié)舛冉抵帘O限范圍內(nèi)遇明火或管道靜電火花時(shí)導(dǎo)致爆炸等災(zāi)難性事故。因此，了解和研究煤礦瓦斯抽采管道泄漏機(jī)理具有重要現(xiàn)實(shí)意義，可以為煤礦瓦斯抽采管道事故的預(yù)防及應(yīng)急策略的制定提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

目前，針對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)的研究主要包括現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、理論建模等方法。為解決高瓦斯采區(qū)中瓦斯抽采和輸運(yùn)問(wèn)題，王大軍[2]采用理論分析和煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合的方法對(duì)瓦斯抽采管網(wǎng)布置方式、管材管徑等方面進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證取得了較好的實(shí)用效果。劉興亮[3]、李敏[4]分別研究了不同煤礦中所安裝瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，將井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以為瓦斯抽采效果的評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。隨著煤礦開采深度的加深，人工檢漏效率大大降低，瓦斯抽采管道泄漏后如果不能準(zhǔn)確高效地確定漏點(diǎn)位置，會(huì)進(jìn)一步加大各類事故或衍生災(zāi)難發(fā)生的可能性。張麗娜和白珊[5]、焦志遠(yuǎn)等[6]采用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)進(jìn)行建模，分析瓦斯抽采管路泄漏后漏點(diǎn)前后端壓力的變化以確定漏點(diǎn)位置，并通過(guò)瓦斯抽采管路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了元胞自動(dòng)機(jī)方法在漏點(diǎn)定位上的準(zhǔn)確性。此外，還有學(xué)者對(duì)瓦斯解析過(guò)程和采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移特性進(jìn)行研究[7-8]。當(dāng)前研究主要針對(duì)集中于瓦斯流動(dòng)理論分析、瓦斯抽采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化和泄漏點(diǎn)定位[9-13]等領(lǐng)域，煤礦瓦斯抽采管道不同泄漏情境下的三維建模分析較少，因此有必要進(jìn)一步研究。李宗翔[14]利用Ansys Fluent模擬了三維采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律并指出采空區(qū)內(nèi)瓦斯的上浮是風(fēng)流移動(dòng)、組分?jǐn)U散和含瓦斯風(fēng)流密度差綜合作用的結(jié)果。程遠(yuǎn)平等[15]采用Comsol Multiphysics軟件通過(guò)簡(jiǎn)化二維平面物理模型，分析了擴(kuò)散、滲流和負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了提高瓦斯資源化利用的技術(shù)措施。周福寶等[16]提出抽采安全度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬分析具體瓦斯抽采工程中影響抽采安全度的因素，并給出了提高抽采安全度的技術(shù)措施。

由以上研究現(xiàn)狀可看出，針對(duì)大尺度煤礦瓦斯抽采管道的直接三維建模和各物理場(chǎng)的全局分布研究十分有限。本文基于有限體積法模擬軟件Ansys CFX對(duì)煤礦瓦斯抽采主系統(tǒng)管道泄漏情景進(jìn)行三維數(shù)值建模計(jì)算，并對(duì)比分析了不同泄漏位置、不同泄漏強(qiáng)度以及不同抽采負(fù)壓對(duì)抽采管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)特性的影響。研究成果有助于為煤礦瓦斯抽采管道泄漏事故的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全防控提供技術(shù)支撐。

1 瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏數(shù)值建模

模擬場(chǎng)景為山西五陽(yáng)煤礦瓦斯抽采主系統(tǒng)管道，前處理利用Ansys ICEM建立瓦斯抽采管網(wǎng)物理模型并進(jìn)行計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的離散；模型計(jì)算設(shè)置均在Ansys CFX中進(jìn)行；模擬結(jié)束后使用CFD-Post對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

1.1 物理模型建立

模型主要包括兩種不同管徑的高負(fù)壓抽采管道組成的瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。物理模型詳細(xì)參數(shù)見表1。

表 1 物理模型參數(shù)

1.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

除去管道交接處和彎曲處，瓦斯抽采管道幾何外形十分規(guī)則。物理模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格：管道交接處和彎曲處使用幾何適應(yīng)性更好地四面體網(wǎng)格，在規(guī)則管道處使用計(jì)算效率更高的結(jié)構(gòu)“O”網(wǎng)格。同時(shí)，由于在泄漏口附近各物理量梯度變化較大，故對(duì)泄漏口附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。根據(jù)Ansys ICEM內(nèi)置的網(wǎng)格優(yōu)化和質(zhì)量檢測(cè)工具，瓦斯抽采管道網(wǎng)格質(zhì)量(1表示最好)在0.7以上和0.7以下的網(wǎng)格數(shù)量分別為76.83%和23.17%，使用30萬(wàn)和50萬(wàn)網(wǎng)格分別模擬計(jì)算抽采泵站出口速度，其相對(duì)誤差為11.76%。綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度的要求，選取30萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的研究和分析。圖2為所構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格的總體和局部視圖。

圖1 瓦斯抽采主系統(tǒng)Fig.1 Main gas drainage system

圖2 瓦斯抽采管道計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Grid of gas drainage pipeline

1.3 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型作為工業(yè)流動(dòng)數(shù)值模擬最常用的湍流模型，以其良好的穩(wěn)定性、適中的計(jì)算效率和較為精確的計(jì)算結(jié)果被廣泛應(yīng)用于模擬各類流動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)，該湍流模型在各類流動(dòng)問(wèn)題中的適用性也得到了有效的驗(yàn)證。例如，Wang等[17]基于Ansys Fluent軟件包采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，模擬了綜合管廊中燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散過(guò)程并完成了燃?xì)夤艿佬孤┑膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.4 初始及邊界條件設(shè)置

初始條件：在0時(shí)刻，瓦斯抽采主系統(tǒng)管道內(nèi)為穩(wěn)定瓦斯流，瓦斯含量為10%，溫度為293 K。

瓦斯抽采管道進(jìn)口條件：兩個(gè)高壓管道入口均設(shè)置為壓力入口：

pinlet1=70 kPa
pinlet2=70 kPa

瓦斯抽采管道泄漏口條件：假定泄漏發(fā)生時(shí)抽采管道內(nèi)壓力穩(wěn)定，泄漏口處設(shè)置為巷道環(huán)境壓力，根據(jù)不同的工況，泄漏口直徑分別為

D1=205.0 mm
D2=157.5 mm

瓦斯抽采管道出口(井上泵站)條件：根據(jù)實(shí)地測(cè)量出口壓力，出風(fēng)口處的邊界條件設(shè)置為靜壓出口，根據(jù)不同的工況，瓦斯主系統(tǒng)抽采管道出口分別為

poutlet1=62.775 kPa
poutlet2=55.000 kPa

瓦斯抽采管道壁面：均設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證

為保證所建數(shù)值模型的有效性與準(zhǔn)確性，根據(jù)山西五陽(yáng)煤礦提供的瓦斯抽采系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模型的穩(wěn)態(tài)模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采主系統(tǒng)瓦斯流動(dòng)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果Fig.3 Steady state simulation results of gas flow in main gas drainage system

由圖3(a)可知，模擬結(jié)果在出口位置(抽采泵站)的速度為15.45 m/s左右，根據(jù)山西五陽(yáng)煤礦實(shí)地?cái)?shù)據(jù)(混合流量=355 m3/min)計(jì)算，出口處的速度為18 m/s左右，模擬結(jié)果與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的相對(duì)誤差在14.16%左右，考慮到較大尺寸的瓦斯抽采管道場(chǎng)景以及抽采管道腐蝕、積水、堵塞等問(wèn)題，認(rèn)為本文模擬結(jié)果較為合理。

由圖3(b)可知，瓦斯抽采管道內(nèi)壓力梯度穩(wěn)定，符合負(fù)壓抽采的實(shí)際情況。

2.2 泄漏強(qiáng)度對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為了研究不同泄漏強(qiáng)度對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取了泄漏口大小的2組工況(工況1：泄漏口為205 mm；工況2：泄漏口為410 mm)進(jìn)行比較分析，2組工況的瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏云圖如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏云圖Fig.4 Leakage contour of main gas drainage system

由兩組工況壓力云圖可以看出，工況2管道內(nèi)部壓力均在92 kPa以上，而工況1壓力僅為80 kPa；由瓦斯?jié)舛仍茍D可知，工況2管道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺挥绊懙姆秶笥诠r1，分別為300 m和130 m。因此，大泄漏口導(dǎo)致了更高的泄漏強(qiáng)度，對(duì)管道內(nèi)瓦斯的流動(dòng)產(chǎn)生了更大的影響。

2.3 抽采泵負(fù)壓對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為研究抽采泵站負(fù)壓對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取了2組不同出口壓力工況(工況1：poutlet1=62.775 kPa；工況2：poutlet2=55.000 kPa)進(jìn)行對(duì)比并分析了與抽采泵站連接管道的速度和壓力梯度。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采主系統(tǒng)速度云圖及壓力梯度Fig.5 Velocity contour and pressure gradient table of gas pipeline

由圖5可知，當(dāng)負(fù)壓較大時(shí)在出口管段會(huì)產(chǎn)生更大的壓力梯度和氣體速度，因此高負(fù)壓在提高井下瓦斯抽采效率方面有較為顯著的作用。然而，瓦斯抽采主系統(tǒng)管道發(fā)生破裂或漏氣后，抽采負(fù)壓增大會(huì)導(dǎo)致抽采管道的漏風(fēng)量增大、瓦斯抽采濃度降低，同時(shí)會(huì)使管道內(nèi)氣體流速過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致靜電積聚、產(chǎn)生放電火花，極易產(chǎn)生發(fā)生瓦斯爆炸的環(huán)境條件[18]。

2.4 泄漏位置對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為研究泄漏位置對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取2組不同泄漏位置工況(工況1泄漏位置在φ820 mm高壓抽采管道，x=-1 000 m；工況2泄漏位置在φ630 mm高壓抽采管道，x=132.5 m)分析泄漏發(fā)生后管道內(nèi)部瓦斯流動(dòng)情況。2組工況抽采管道軸向壓力和瓦斯?jié)舛惹€如圖6和圖7所示。

圖6 抽采管道軸向壓力曲線Fig.6 Axial pressure curves of gas pipeline

圖7 抽采管道軸向濃度曲線Fig.7 Axial concentration curves of gas pipeline

由圖6可知，抽采主系統(tǒng)管道正常運(yùn)行情況下，抽采管道泄漏事故發(fā)生后，工況1的整體壓力水平高于工況2；工況2泄漏位置靠近抽采泵站一側(cè)會(huì)產(chǎn)生更大的壓力梯度。

由圖7可以看出，受到靠近抽采泵站方向高壓力梯度的作用，工況2在靠近抽采泵站一側(cè)管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛扔绊懛秶螅r1由于兩側(cè)壓力梯度差別不明顯，其瓦斯?jié)舛扔绊懛秶尸F(xiàn)近似對(duì)稱分布。

綜上所述，泄漏位置越靠近抽采泵站，管道內(nèi)部物理場(chǎng)(壓力、瓦斯?jié)舛?的變化越明顯，其泄漏越容易被傳感器系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)。因此，瓦斯抽采系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可以按照由稀到密的布置方式以抽采泵站為起點(diǎn)向抽采主系統(tǒng)內(nèi)部延伸。

3 結(jié) 論

本文利用Ansys CFX對(duì)煤礦下瓦斯抽采主系統(tǒng)管道泄漏開展了數(shù)值模擬研究，對(duì)比了瓦斯抽采管道泄漏情景下不同泄漏位置、泄漏強(qiáng)度、抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：

(1) 泄漏口大小是影響管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)的重要因素。大泄漏口會(huì)導(dǎo)致更大的影響范圍，使得管道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺淮蠓秶♂?，造成能源浪費(fèi)。泄漏口為1/4管徑時(shí)，瓦斯?jié)舛扔绊懛秶鸀?30 m；泄漏口為1/2管徑時(shí)，瓦斯?jié)舛扔绊懛秶鸀?00 m。

(2) 增大抽采泵站負(fù)壓有助于提高瓦斯抽采系統(tǒng)的抽采效率，但泄漏事故發(fā)生情況下高負(fù)壓抽采會(huì)導(dǎo)致更大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要根據(jù)煤礦實(shí)際瓦斯涌出量確定合理的抽采泵站裝機(jī)能力。

(3) 泄漏發(fā)生時(shí)，靠近負(fù)壓出口位置(抽采泵站)的泄漏點(diǎn)更易被監(jiān)測(cè)到異常狀態(tài)。以此為根據(jù)綜合考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備成本等問(wèn)題，可以優(yōu)化瓦斯抽采主系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備布置方式。