煤與瓦斯突出沖擊氣流數(shù)值模擬研究

左文哲 ，譙永剛 ，華 杰 ，秦鵬飛 ，王海杰

（1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司，山西 襄垣 046299；3.山西黃土坡鑫運(yùn)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046500）

隨著礦井開采向深部發(fā)展，煤層煤與瓦斯突出（簡稱“突出”）危險(xiǎn)性愈發(fā)增大，突出表現(xiàn)為氣流攜帶大量破碎煤由煤層向采掘巷道噴出，所形成的高速瓦斯氣流、沖擊波及高速破碎煤對井下人員造成強(qiáng)烈的沖擊動(dòng)力傷害[1]，同時(shí)高濃度瓦斯極短時(shí)間內(nèi)充滿巷道，極易造成人員窒息及瓦斯爆炸。因此，研究突出沖擊氣流的形成及運(yùn)移規(guī)律是明確突出動(dòng)力致災(zāi)機(jī)制的重點(diǎn)課題[2-3]。

由于無法實(shí)時(shí)監(jiān)測突出的發(fā)展和傳播過程，許多學(xué)者采用物理模擬和數(shù)值模擬的方法開展了突出機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[4-7]。孫東玲等[8]利用自主研發(fā)的設(shè)備，探究了煤與瓦斯突出過程中煤-瓦斯兩相流在巷道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律；許江等[9]利用自主研發(fā)的設(shè)備，探究了突出沖擊氣流兩相流在T 型巷道中的運(yùn)移規(guī)律；高佳星等[10]、吳愛軍等[11]、張建方等[12]建立了沖擊氣流運(yùn)移數(shù)學(xué)模型；王凱等[13]、劉星魁等[14]進(jìn)行了沖擊氣流在直角巷運(yùn)移的數(shù)值模擬研究。

巷道的長度往往大于數(shù)百米，基于試驗(yàn)難以探尋突出過程中沖擊氣流在整個(gè)巷道內(nèi)的運(yùn)移規(guī)律。為此，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，基于事故現(xiàn)場突出孔洞及巷道的實(shí)際情況，運(yùn)用COMSOL 高馬赫流動(dòng)及濃物質(zhì)傳遞模塊，模擬了突出過程中沖擊氣流速度場、壓力場、沖擊力場、濃度場等分布規(guī)律；為礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害防護(hù)與控制提供理論支撐。

1 數(shù)值模擬幾何模型和模型參數(shù)

突出的能量來源主要為高壓瓦斯[15]，當(dāng)前方煤體破碎，高壓瓦斯暴露在工作面的大氣壓力之下，在巨大的壓力差之下，壓力瞬間釋放，靜壓迅速轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓，形成高速?zèng)_擊氣流?；诖耍饕獜臎_擊氣流角度出發(fā)，探究突出過程中沖擊氣流的致災(zāi)機(jī)理，忽略煤粉顆粒對沖擊氣流的影響，開展了單向流數(shù)值模擬研究。貴州省黔西南州安龍縣廣隆煤礦“12·16”重大煤與瓦斯突出事故現(xiàn)場巷道斷面為矩形，寬4.2 m、高2.6 m，設(shè)計(jì)長度510 m, 突出孔洞寬0.54 m，瓦斯壓力為0.374 MPa。由于事故的突發(fā)性，無法獲取事故發(fā)生過程中突出沖擊氣流的具體數(shù)據(jù)。因此，基于事故現(xiàn)場實(shí)際情況構(gòu)造了二維數(shù)值分析模型，模型巷道長200 m，寬4 m，突出孔洞呈漏斗狀，具有口小腔大的特征[16]，口部寬0.5 m，入口設(shè)置在煤層，寬1.2 m。突出幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 突出幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Outburst geometry and meshing

數(shù)值模擬壓力入口以突出物理模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袦y試得到的壓力變化曲線為基礎(chǔ)[6]，壁面均采用無滑移邊界，出口流動(dòng)條件設(shè)置為亞音速流動(dòng)，巷道壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。數(shù)值模擬參數(shù)為：①入口初始壓：0.35 MPa；②初始溫度：273.15 K；③熱傳導(dǎo)率：0.033 6 W/（m·K）；④比氣體常數(shù)：518.27 J/（kg·K）；⑤比熱率：1.4；⑥動(dòng)力黏度系數(shù)：1.08×10-5Pa/s；⑦甲 烷 摩 爾 質(zhì) 量：0.016 kg/mol；⑧巷道空氣摩爾質(zhì)量：0.029 kg/mol。

模擬分為2 個(gè)步驟，①利用高馬赫流模塊計(jì)算得到突出沖擊氣流在巷道內(nèi)的速度、壓力、沖擊力等變化規(guī)律；②利用濃物質(zhì)傳遞模塊計(jì)算得到巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛群腕w積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律。

2 模擬結(jié)果

2.1 突出氣流速度及壓力

突出后沖擊氣流速度分布云圖如圖2，突出后沖擊氣流壓力分布云圖如圖3，巷道中軸線上沖擊氣流速度分布曲線如圖4。

圖2 突出后沖擊氣流速度分布云圖Fig.2 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

圖3 突出后沖擊氣流壓力分布云圖Fig.3 Cloud map of impact airflow pressure distribution after outburst

圖4 巷道中軸線上沖擊氣流速度分布曲線Fig.4 Impact airflow velocity distribution curves on the central axis of roadway

如圖2，突出0.02 s 時(shí)，高壓瓦斯以亞音速進(jìn)入突出孔洞，突出孔洞口徑縮小，速度加快，在突出口附近壓力迅速降低，轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓，速度進(jìn)一步增大，形成超音速射流。

如圖4，隨著距離的增大，速度出現(xiàn)2 個(gè)峰值點(diǎn)，最高可達(dá)378.6 m/s，最低為312.3 m/s，平均速度為343.2 m/s。文獻(xiàn)[17]中物理試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)初始壓力為0.35 MPa 時(shí)，突出沖擊氣流速度最高可達(dá)349.9 m/s，最低為341.4 m/s，平均速度345.7 m/s。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。突出0.05 s 時(shí)，因?yàn)樯淞鲏毫Φ某掷m(xù)變化，射流形成周期性的膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)域，射流在膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)域出現(xiàn)反復(fù)的加速和減速的情況，速度出現(xiàn)多個(gè)峰值，同時(shí)前端沖擊波區(qū)域氣流速度最高可達(dá)61.2 m/s，因?yàn)榍岸藲饬魇且驗(yàn)闅鈮旱母淖兌l(fā)展。

如圖3，壓力波的傳播速度等同于當(dāng)?shù)匾羲?，因此前端沖擊波發(fā)展速度快于瓦斯沖擊氣流，但是氣流流速遠(yuǎn)小于沖擊氣流，危險(xiǎn)程度也小于沖擊氣流。同時(shí)可見因?yàn)橄锏赖母蓴_，在沖擊氣流前端靠近巷道的位置形成了局部回流區(qū)域。如圖4，隨著時(shí)間地發(fā)展，沖擊氣流末端速度呈下降趨勢，突出0.2 s 時(shí)，隨著距離的增大，射流區(qū)域速度呈現(xiàn)不規(guī)則的振蕩衰減趨勢，射流尾部速度降低至音速以下，發(fā)展為湍流并失穩(wěn)，危險(xiǎn)范圍增大，但是速度大幅下降，危險(xiǎn)程度降低。

突出沖擊氣流演化過程示意圖如圖5。

圖5 突出沖擊氣流演化過程Fig.5 Evolution process of shock flow

如圖5，高壓瓦斯從突出孔洞以亞音速噴出，在孔洞附近因?yàn)榭锥纯s小，速度開始劇增，在突出口附近，高壓瓦斯與外界大氣壓接觸，靜壓迅速轉(zhuǎn)換為動(dòng)壓，速度劇增，超過音速，因此突出孔洞內(nèi)沖擊氣流速度v1<突出孔口沖擊氣流速v2<音速vsound<突出孔口外沖擊氣流速度v3。因?yàn)橥獠看髿鈮盒∮谕怀隹谕咚箟毫?，所以此時(shí)發(fā)出膨脹波，而高速氣體經(jīng)過膨脹波，發(fā)生內(nèi)折，膨脹波在射流邊界反射，形成壓縮波，高速瓦斯氣流經(jīng)過反射的壓縮波區(qū)域，發(fā)生外折，反射后的壓縮波在射流邊界處反射，形成膨脹波。換而言之，瓦斯經(jīng)過迅速膨脹，同時(shí)在自身慣性力的作用下，瞬間壓力已經(jīng)小于外界氣壓，在外界氣壓的作用下，瓦斯被向內(nèi)部壓縮。而之后，當(dāng)瓦斯壓力和巷道內(nèi)壓力相等時(shí)，在慣性力的作用下，瓦斯繼續(xù)被壓縮，之后瓦斯壓力大于外部大氣壓，所以射流繼續(xù)向外部膨脹，幾次反復(fù)之后，射流尾部壓力和大氣壓達(dá)到平衡或者速度降低至當(dāng)?shù)匾羲僖韵?，射流發(fā)展為湍流，在巷道內(nèi)無序運(yùn)移，同時(shí)速度開始快速降低。

突出后沖擊氣流速度分布云圖如圖6。

圖6 突出后沖擊氣流速度分布云圖Fig.6 Cloud map of impact airflow velocity distribution after outburst

如圖6：突出0.3 s 時(shí)，當(dāng)射流尾部速度降至音速以下，射流轉(zhuǎn)換為充分發(fā)展的湍流并在巷道內(nèi)無序的運(yùn)移，速度快速降低，沖擊危險(xiǎn)性降低；突出1.3 s 時(shí)，距突出口40 m 右側(cè)巷道壁附近沖擊氣流速度高達(dá)141.3 m/s ，具有較高的沖擊危險(xiǎn)性；突出1.8 s 時(shí)，突出孔洞內(nèi)壓力快速降低，射流速度開始大幅下降，危險(xiǎn)性大幅降低；突出3 s 時(shí)，入口及巷道整體速度趨近于0 m/s，此時(shí)可認(rèn)為突出沖擊氣流停止。

2.2 突出氣流沖擊力

突出后氣流沖擊力分布云圖如圖7，巷道中軸線上氣流沖擊力分布曲線如圖8。

圖7 突出后氣流沖擊力分布云圖Fig.7 Cloud map of impact force distribution of air flow after outburst

圖8 巷道中軸線上氣流沖擊力分布曲線Fig.8 Airflow impact force distribution curves on the central axis of roadway

如圖7：突出0.05 s 時(shí)，高速射流區(qū)域?yàn)楦邲_擊危險(xiǎn)區(qū)域，在突出口1.6 m 位置，沖擊力高達(dá)246.3 kPa；突出0.1 s 時(shí)，氣流沖擊力隨著與突出口距離的增大，呈現(xiàn)快速下降的趨勢，距離突出口7.6 m 的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域呈現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢；突出0.15 s 之后，沖擊力隨與突出口距離的增大呈現(xiàn)振蕩遞減趨勢，出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)，且相較于速度降低趨勢，沖擊力降低趨勢更加明顯；突出0.2 s 時(shí)，沖擊氣流發(fā)展至巷道18.4 m 的位置，沖擊力高達(dá)101.8 kPa，且由于湍流的不穩(wěn)定性，巷道沖擊氣流危險(xiǎn)區(qū)域也變得不穩(wěn)定。

沖擊力損傷人體等級見表1。巷道沖擊危險(xiǎn)區(qū)域演化云圖如圖9。

表1 沖擊力損傷人體等級Table 1 Impact force damage to human body level

圖9 突出后沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布云圖Fig.9 Cloud map of distribution of impact hazard area after outburst

根據(jù)表1，將沖擊力小于19.6 kPa 的區(qū)域設(shè)置為安全區(qū)域，即藍(lán)色區(qū)域；將沖擊力大于19.6 kPa小于49.0 kPa 的區(qū)域的設(shè)置為中度危險(xiǎn)區(qū)域，即綠色區(qū)域；將沖擊力大于49.0 kPa 的區(qū)域設(shè)置為重度危險(xiǎn)區(qū)域，即紅色區(qū)域。

如圖9： 突出0.1 s 時(shí)，射流區(qū)域?yàn)橹囟任ｋU(xiǎn)區(qū)域，靠近巷道壁的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域，同時(shí)壓力波以音速在巷道內(nèi)傳播，壓力波絕大部分區(qū)域?yàn)橹卸任ｋU(xiǎn)區(qū)域；突出0.2 s 時(shí)，射流尾部轉(zhuǎn)換為湍流，由于湍流的不穩(wěn)定性，尾部危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)生偏移，15 m 至20 m 處靠近巷道壁位置出現(xiàn)重度危險(xiǎn)區(qū)域，但由于湍動(dòng)能的耗散，沖擊氣流尾部危險(xiǎn)性降低，轉(zhuǎn)換為中度危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)沖擊波向巷道深處發(fā)展；突出0.3 s 時(shí)，沖擊氣流重度危險(xiǎn)區(qū)域范圍達(dá)到最大值，沖擊氣流重度危險(xiǎn)區(qū)域最大距離為27.9 m，同時(shí)沖擊波向巷道內(nèi)持續(xù)發(fā)展，但是危險(xiǎn)區(qū)域逐漸減小，沖擊危險(xiǎn)性逐漸降低；突出0.5 s 時(shí)，突出孔洞壓力降低，突出沖擊力開始下降，沖擊氣流重度危險(xiǎn)區(qū)域范圍開始變小，但距突出口40 m 右側(cè)巷道壁附近仍然存在高速?zèng)_擊氣流，具有較高的沖擊危險(xiǎn)性，由于湍流的不穩(wěn)定性，沖擊氣流在巷道內(nèi)無序運(yùn)移，因此巷道前5～40 m 均可能成為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，但突出口5 m 距離內(nèi)巷道兩側(cè)沖擊力較??；突出1.7 s 時(shí)，沖擊重度危險(xiǎn)區(qū)域范圍已經(jīng)縮小至距離突出口3.6 m 的距離，中度危險(xiǎn)區(qū)域縮小至距離突出口8.5 m 的距離，且整體向巷道壁偏移；突出2.3 s 時(shí)，巷道內(nèi)氣流沖擊力已經(jīng)降低至安全水平。

2.3 突出瓦斯氣流傳播規(guī)律

突出后瓦斯質(zhì)量濃度分布云圖如圖10，突出后靜壓分布規(guī)律如圖11，隨著時(shí)間推移巷道中軸線上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線如圖12。

圖10 突出后瓦斯質(zhì)量濃度分布云圖Fig.10 Cloud map of gas mass concentration distribution after outburst

圖11 突出后靜壓分布規(guī)律Fig.11 Static pressure distribution after outburst

圖12 隨著時(shí)間推移巷道中軸線上瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線Fig.12 Gas volume fraction distribution curves on the central axis of roadway over time

如圖10：突出0.15 s 時(shí)，高濃度瓦斯氣流以射流的形式在巷道內(nèi)快速發(fā)展，在突出口附近巷道左右兩側(cè)瓦斯?jié)舛容^低，此時(shí)瓦斯氣流與巷道空氣的混合主要靠對流；突出1 s 時(shí)，瓦斯氣流向巷道深處快速發(fā)展，突出口附近巷道左右兩側(cè)也充滿高濃度瓦斯；突出1.5 s 時(shí)，由于突出口壓力及速度大幅下降，瓦斯對流速度開始快速下降；突出2.2 s 時(shí)，瓦斯擴(kuò)散距離達(dá)到極大值，由于巷道前端出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域（圖11），最小靜壓為0.076 MPa，于是出現(xiàn)回流的現(xiàn)象，瓦斯氣流前端與巷道空氣進(jìn)一步混合，爆炸危險(xiǎn)性增大；突出3 s 時(shí)回流達(dá)到最大值，巷道前端壓力經(jīng)過回流，又大于巷道外側(cè)壓力，瓦斯氣流繼續(xù)向外側(cè)發(fā)展；突出5 s 時(shí)，巷道內(nèi)整體靜壓和速度趨于穩(wěn)定，對流作用降低，擴(kuò)散逐漸占主導(dǎo)地位，高濃度瓦斯最大擴(kuò)散距離為133.6 m。

突出后期，突出孔洞壓力大幅降低，突出氣流因?yàn)閼T性力，繼續(xù)向巷道內(nèi)發(fā)展，因此孔洞附近出現(xiàn)負(fù)壓的情況，巷道中部壓力大于突出孔洞附近巷道的壓力，于是出現(xiàn)回流的現(xiàn)象。回流速度較小，對設(shè)備及人體的危險(xiǎn)性較小，但是會(huì)導(dǎo)致突出氣流尾部高濃度瓦斯與巷道內(nèi)空氣大范圍的對流從而加快混合，增大爆炸危險(xiǎn)性。

如圖12：突出2.2 s 時(shí)，因?yàn)橥怀銎鹗茧A段射流在巷道內(nèi)局部運(yùn)移，無法將巷道前端27.3 m 空氣排空，于是巷道前端瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，體積分?jǐn)?shù)最低為64.9%，巷道27.3 m 至71.3 m 位置，因?yàn)橥怀鰵饬鞯臎_擊對流，瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近于100%；突出2.2 s 和5 s 時(shí)，瓦斯氣流最大擴(kuò)散距離相近，但是由于回流的影響，在巷道75.3～122.8 m 距離，第5 s 瓦斯體積分?jǐn)?shù)相對2.2 s 瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)大幅波動(dòng)且整體大幅下降，爆炸危險(xiǎn)性增大。

由此可見，在煤與瓦斯突出發(fā)生之后，絕大部分突出沖擊氣流區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于瓦斯爆炸濃度極限，同時(shí)絕大部分突出沖擊氣流區(qū)域有著極高的窒息危險(xiǎn)性，在回流和擴(kuò)散作用的影響下，高體積分?jǐn)?shù)瓦斯會(huì)逐漸向巷道深部發(fā)展，瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大，爆炸危險(xiǎn)性增大。因此在突出發(fā)生之后應(yīng)該盡快做出應(yīng)急措施，降低爆炸危險(xiǎn)性。

3 討 論

模擬了瓦斯壓力為0.35 MPa 的煤與瓦斯突出過程中沖擊氣流的速度場、壓力場、沖擊力場、濃度場等分布規(guī)律。由模擬結(jié)果可知：煤與瓦斯突出氣流沖擊危險(xiǎn)性一方面來自高速射流；一方面來自沖擊波，即壓力波；因此沖擊危險(xiǎn)性不僅要考慮突出氣流沖擊危險(xiǎn)性，沖擊波沖擊危險(xiǎn)性同樣不可忽略。

不同瓦斯壓力之下，突出氣流的速度、沖擊力、沖擊波危險(xiǎn)性仍有很大差異，但是由于湍流的耗散作用，突出氣流理論上存在危險(xiǎn)性極限范圍，同樣，不同突出壓力、突出氣流的時(shí)間也對突出瓦斯量有很大影響。突出發(fā)生后，巷道內(nèi)的瓦斯不僅來源于突出過程中的瓦斯射流；突出停止之后，煤層和破碎的煤粉煤塊中解吸的瓦斯同樣不可忽略。

突出發(fā)生之后，巷道內(nèi)瓦斯內(nèi)濃度極高，高濃度區(qū)域較為集中，因此窒息危險(xiǎn)性極大，同時(shí)爆炸危險(xiǎn)性相對較低。本文旨在明確突出沖擊氣流和沖擊波的致災(zāi)規(guī)律，從而合理安排防突柵欄等設(shè)置，并研究沖擊瓦斯氣流濃度傳播規(guī)律，對災(zāi)后救援措施的設(shè)計(jì)、防止次生災(zāi)害的發(fā)生提供參考。

4 結(jié) 語

1）突出壓力為0.35 MPa 時(shí)，突出沖擊氣流速度最大可達(dá)378.6 m/s，且因?yàn)樯淞鲏毫Υ笥诃h(huán)境壓力，出現(xiàn)周期性的膨脹波區(qū)和壓縮波區(qū)，射流尾部發(fā)展為湍流并失穩(wěn)，速度大幅降低。

2）突出氣流沖擊力最高可達(dá)246.3 kPa，隨距離的增大，呈不規(guī)則震蕩遞減趨勢。巷道前5～40 m均可能成為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，巷道前5 m 巷道壁兩側(cè)沖擊力較小。沖擊波以音速在巷道內(nèi)傳播，隨著時(shí)間地發(fā)展，沖擊波危險(xiǎn)區(qū)域逐漸減小，沖擊危險(xiǎn)性逐漸降低。

3）突出發(fā)生后，突出口附近的瓦斯?jié)舛葧?huì)隨著突出氣流的發(fā)展而快速上升，且絕大部分區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于爆炸極限。由于突出后期巷道內(nèi)壓力差的存在，會(huì)出現(xiàn)回流的現(xiàn)象。