圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規律研究

王兵建，張亞偉，席國軍,2

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長胡家河礦業有限公司 生產工程部，陜西 咸陽 710065)

圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規律研究

王兵建1，張亞偉1，席國軍1,2

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長胡家河礦業有限公司 生產工程部，陜西 咸陽 710065)

為掌握長平煤礦選煤廠圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規律，了解其主要影響因素，依據質量、動量、組分守恒定律建立數學模型，采用Fluent軟件對其進行模擬分析。研究表明：由于內砼檐結構的影響，煤倉倉下通風不暢，當環境風力等級較低或冬季通風窗關閉后，倉下部分處于微風狀態，瓦斯濃度普遍超過安全濃度范圍，嚴重影響選煤廠的安全生產。該研究有利于深入認識圓筒煤倉倉下瓦斯積聚原因和分布規律，為選煤廠及時制訂安全防范措施提供理論依據。

圓筒煤倉；瓦斯分布規律；Fluent模擬；內砼檐結構；風力等級

隨著煤礦機械化程度的提高，礦井生產能力和運輸能力大幅提升，井下煤炭運輸周期大大縮短，煤體中更多的吸附瓦斯來不及釋放就進入煤倉，且倉內煤炭儲量大，儲存時間長，下部壓力大，煤中的吸附瓦斯不易釋放。放煤時吸附的瓦斯隨煤在出煤口處釋放，往往使出口處瓦斯濃度增高，如果此時通風不暢，就會使倉下部分瓦斯積聚，遇到火源時易引發燃燒或爆炸事故[1]。瓦斯作為廠礦的環境風險源[2]越來越受人們的重視。美國礦業局組織專家研究了儲煤倉瓦斯釋放特性[3]，并對其危險性進行了評估，發現釋放的絕大部分瓦斯滯留在煤倉煤粒間的空隙中[4]。加拿大礦業與能源技術中心也開展了煤倉瓦斯積聚的現場調查，發現原煤倉煤堆中的瓦斯濃度在1 h內可達到4%，精煤倉煤堆中的瓦斯濃度則可達20%，甚至高達40%[5]。張盼福[6]通過利用自然通風原理設計的焚風塔對屯蘭礦選煤廠的瓦斯進行治理。李樹軍[7]針對成莊礦選煤廠提出了利用直通管的負壓抽吸作用，實現依靠自然通風系統排放和控制塊煤倉的瓦斯。郭雅迪等[8]利用Fluent開展了煤倉瓦斯超限治理效果的模擬研究。

山西省高平市長平煤礦選煤廠為了減少煤塵污染，將塊精煤和末精煤產品均采用封閉式圓筒倉儲存。近年來，由于煤礦開采深度的增加，煤層瓦斯含量不斷增大，煤炭吸附的瓦斯量也在增加[9]。根據瓦斯監測系統顯示，該廠煤倉倉下部分瓦斯濃度超限現象時有發生，嚴重影響選煤廠的安全生產。因此，需要研究瓦斯分布規律和影響其濃度超限的主要因素，以提高企業的安全生產水平。

由于受放煤口處的放煤速度、倉下結構和設備、瓦斯源釋放流量、機械抽排瓦斯系統、當地季風風向和風力等級、倉下通風窗和其他通風口的數量及其位置和尺寸等的影響，煤倉倉下部分瓦斯流場分布比較復雜。建立煤倉倉下部分空氣與瓦斯混合流動的數學模型，借助Fluent軟件對其積聚原因和分布規律進行研究，為確定瓦斯防治方案提供理論依據。

1 數學模型的建立

長平煤礦選煤廠圓筒倉按其內部空間結構可分為倉上、倉中、倉下三部分(圖1)，倉上設有給煤刮板機，外接運煤皮帶；倉中部分是儲煤的主要場所，也是瓦斯和粉塵產生的主要場所；倉下設有給煤機，直接連接產品外運皮帶。

圖1 圓筒倉外觀和結構示意圖

1.1 建模依據與條件

煤倉倉下部分氣體的流動狀態為湍流，為簡化數學模型，忽略對倉下部分流場影響較小的次要因素，為此做如下假設：①倉下部分的空氣和瓦斯為粘性不可壓縮流體；②太陽輻射、煤流溫度、倉下照明設備及機械設備等與倉下氣流的熱交換對流場分布影響很小；③空氣和瓦斯在倉下流動過程中，不發生化學反應，混合氣體的密度根據內部氣體所占體積百分比進行加權計算。

在此條件下，空氣和瓦斯在倉下的流動遵循連續性、動量守恒、組分守恒定律，結合湍流k方程和ε方程，建立空氣和瓦斯流動的控制方程組[10-11]。

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；ui為i方向上的速度分量，m/s；xi為三維空間中i方向上的長度，m。

式中：xj為三維空間中j方向上的長度，m；uj為j方向上的速度分量，m/s；p為氣流微元上的壓力，Pa；τij(i≠j)為因分子作用產生并作用于氣體微元的切向應力，Pa；gi為i方向上的重力體積力，Pa；u為作用于流體單元的動力粘度，Pa·s；δij為常量矩陣。

式中：CA為組分A的濃度；DAB為組分A與B之間的擴散系數。

式中：k為湍流動能，m2/s2；μt為湍流粘性系數，kg/(m·s)；cμ為常數，取0.09；ε為湍流動能耗散率，m2/s3。

式中:σk、σε為脈動動能和脈動動能耗散率的Prandtl數，分別取1.0、1.3；C1、C2為常量，分別取1.44、1.92。

1.2 煤倉倉下部分結構的物理參數

根據末精煤倉的實際尺寸和現場生產條件，建立末精煤倉倉下部分的物理幾何模型，如圖2所示。煤倉倉下部分高度為17.5 m，直徑為22 m，共有四個通風窗，均沿煤倉倉壁均勻分布；給煤機放煤口距地面高度為3 m，通風窗距地面高度為1.2 m，通風窗窗口幾何尺寸為1.5 m×2.1 m。根據幾何模型尺寸劃分網格，網格單元約有900 000個。

1—廂式走廊；2—通風窗；3—門；4—放煤設備；5—放煤漏斗；6—預留風機口；7—倉中儲煤部分；8—內砼檐

1.3 邊界條件

(1)壁面條件。煤倉倉下各墻壁面均為等溫無滑移壁面，假設倉下門關閉時密閉性很好，不存在漏風情況。

(2)放煤口瓦斯流量與濃度。從放煤口處進入煤倉倉下部分的瓦斯流量取決于倉內煤堆孔隙率、放煤口放煤有效截面積、煤流流量、瓦斯濃度。按照文獻[5]計算方法，該末精煤倉倉內瓦斯濃度已達到12%，煤流平均流量約為1 000 t/h，瓦斯流量約為0.019 m3/s。

(3)通風窗入口風速與環境風力等級。根據2013年高平市風力等級統計結果，該地區風力等級小于3級(<3.4 m/s)的百分比為90.68%。由于缺乏更詳細的平均風速資料，重點分析冬季惡劣條件下，風窗關閉后倉下處于微風狀態時的瓦斯流場分布情況。為此，假設通風窗入口風速與環境風速一致，并按照等流量原則計算出等效風速值，將其作為邊界條件。

2 數值模擬結果與分析

2.1 倉下部分風流速度與瓦斯流場的影響

按照相關條件設置有關參數，采用Fluent軟件對倉下部分風流速度和瓦斯流場進行模擬分析，結果如圖3所示。

圖3 倉下部分速度矢量和瓦斯分布圖(z=1.2 m)

由圖3可知：由于內砼檐結構的影響，倉下進風窗的入風沿著內砼檐流動，與皮帶走廊的進風相互影響，使風流較快地流向出風窗，導致內砼檐內風流速度較小，難以有效稀釋倉下瓦斯。內砼檐內的瓦斯濃度在5%以上，內砼檐外下風側的瓦斯濃度也相對較高(在1.5%～4.5%)，說明內砼檐結構是導致倉下部分通風不暢和影響瓦斯分布的主要因素之一。

2.2 倉下通風量的影響

倉下通風量受通風窗數量和單通風窗風量的影響，當放煤口煤流量和瓦斯涌出濃度一定時，通風窗風量直接影響煤倉倉下部分瓦斯濃度的分布，而通風窗風量取決于通風窗開放面積和風速大小。北方冬季溫度較低，為防止精煤凍結[12]，常常需要將精煤倉通風窗關閉，導致倉內空氣流通不暢。假設此時通風窗仍存在部分漏風，考察不同環境風力等級(0～3級)條件下的倉下部分瓦斯分布。建立通風窗風量與監測點瓦斯濃度之間的對應關系，按照等流量原則計算等效漏風風量值，0～3級環境風力對應的通風窗漏風風量值為0.000 22、0.014 87、0.037 07、0.051 06 m3/s。

在中間兩個放煤口形成的上隅角內建立監測點，坐標位置為(0,0,5)，略高于現場瓦斯檢測儀懸掛位置。風窗密封嚴實時的通風窗風流速度接近于0，此時倉下大部分區域的瓦斯濃度在6.5%以上，監測點處的瓦斯濃度在7.5%以上(圖4)。只有在風力等級大于3級時，監測點處的瓦斯濃度才處于安全濃度范圍內，說明冬季關閉風窗會導致倉下部分通風不暢，瓦斯濃度升高。這也是影響倉下部分瓦斯分布的主要因素之一。

圖4 風窗風量與監測點瓦斯濃度關系

3 結論

利用數值模擬手段研究長平煤礦選煤廠圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規律和影響因素發現：

(1)由于圓筒倉內砼檐結構的影響，倉下進風窗的入風與皮帶走廊的進風相互影響，使風流較快地流向出風窗，難以有效稀釋倉下瓦斯濃度，說明內砼檐結構是影響瓦斯分布的主要因素之一。

(2)通風窗風量直接影響煤倉倉下部分瓦斯濃度分布，當環境風力等級較低或冬季通風窗關閉后倉下處于微風狀態時，瓦斯濃度普遍較高，嚴重影響安全生產。

(3)圓筒倉的內砼檐結構和風量是造成瓦斯濃度較高的兩個主要因素，防止煤倉倉下部分瓦斯災害應從這兩方面考慮。

[1] 趙世鐸,李霄尖,王聰利,等.淺談加強洗煤廠煤倉的瓦斯治理[J]. 礦業安全與環保,2001,28(1):33-34.

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Research on the law of methane distribution in reclaiming area of silo in coal preparation plant

WANG Bing-jian1, ZHANG Ya-wei1, XI Guo-jun1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003, China;2.Production Engineering Department, Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Co Ltd,Xianyang, Shaanxi 710065, China )

To grasp methane distribution in reclaiming area of silo in Changping mine coal preparation plant and its influence factors, a mathematical model was built according to the laws of mass, momentum and component conservation, and Fluent was used to simulate and analyze methane distribution. The result indicates that methane concentration is more than safety limit due to interior concrete eaves, when air velocity is low, or windows are closed in winter, which affects seriously normal safe production. The research result is helpful for coal enterprises to know the reason and law of methane accumulation in reclaiming area coal silo in the preparation plant, and to support to draw up safety and protection system basically in time.

coal silo；law of methane distribution; Fluent simulation；interior concrete eaves; wind scale

1001-3571(2015)01-0001-04

TD948.8；TD724

A

2015-01-17

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.001

王兵建(1978—)，男，河南省周口市人，副教授，博士，從事煤礦“一通三防”及地面煤倉瓦斯災害機理與防治方面的研究與教學工作。

E-mail：wangbj@hpu.edu.cn Tel：18603914490