陽煤一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場仿真與瓦斯粉塵監(jiān)測技術(shù)

宋彪彪,于占軍,樊鵬偉,韓 毅

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000)

傳統(tǒng)的儲煤場封閉方式采用鋼結(jié)構(gòu)建筑,存在成本高、施工周期長、材料腐蝕引起壽命短、維護(hù)成本高等問題。近年來,氣膜結(jié)構(gòu)建筑在儲煤場的成功應(yīng)用解決了上述問題。氣膜結(jié)構(gòu)也叫氣承式膜結(jié)構(gòu),是在高分子復(fù)合膜材形成的密閉空間中注入空氣并保持一定的室內(nèi)外壓差,使膜面受拉以保證剛度,同時維持形態(tài)并抵抗外部荷載的結(jié)構(gòu)形式。氣膜煤棚要求內(nèi)部正壓環(huán)境,具有封閉式特點,但是氣膜煤棚內(nèi)存儲煤炭的瓦斯釋放引起的安全問題突顯,封閉式氣膜煤棚的瓦斯運移規(guī)律分析和監(jiān)測成為關(guān)鍵技術(shù)。

礦井瓦斯是礦井中煤體、巖層等多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的煤層氣,主要成分是由甲烷構(gòu)成的有害氣體,一般在煤礦工作面開采時從煤巖裂縫中涌出釋放。煤是一種復(fù)雜的多孔隙物質(zhì),其各種小于 1 nm 到大于100 nm 的不同直徑的孔隙和裂隙十分發(fā)達(dá),在煤層內(nèi)部形成很大的表面積[1]。當(dāng)原煤從井下經(jīng)由輸送帶運送至煤倉時,由于煤中的瓦斯在輸送過程中未完全釋放,所以在相對封閉的煤倉中,瓦斯開始逐漸釋放并形成瓦斯集聚現(xiàn)象,當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定值時,極易引起瓦斯爆炸事故[2]。針對煤倉瓦斯問題,喬紅兵[3]利用Fluent軟件仿真煤倉瓦斯的運移規(guī)律,揭示煤倉內(nèi)瓦斯可能的聚集狀態(tài)。李丹天[4]、段福山[5]等設(shè)計了煤倉瓦斯監(jiān)控系統(tǒng),實時監(jiān)測煤倉瓦斯聚集狀態(tài)。上述研究主要針對煤倉內(nèi)小空間的瓦斯仿真和監(jiān)測技術(shù),而現(xiàn)有研究對于封閉式氣膜煤棚這種新的儲煤方式的瓦斯仿真與監(jiān)測技術(shù)尚未涉及。

鑒于上述,本文針對陽煤一礦的封閉式氣膜煤棚的結(jié)構(gòu),運用Fluent軟件對氣膜內(nèi)瓦斯運移進(jìn)行仿真,進(jìn)一步在氣膜內(nèi)布置瓦斯傳感器,實現(xiàn)瓦斯的實時監(jiān)測。

1 陽煤一礦封閉式氣膜煤棚概況

根據(jù)陽煤一礦現(xiàn)場存煤場地的實際情況,封閉式氣膜煤棚設(shè)計方案外形、煤棚內(nèi)儲煤區(qū)分布以及整個煤棚的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 陽煤一礦封閉式氣膜煤棚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of coal shed with enclosed air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

封閉式氣膜煤棚設(shè)計方案中,煤棚占據(jù)內(nèi)部的底面區(qū)域約為65.5 m×59.5 m, 煤棚高度約為25 m,氣膜煤棚總體空間體積約為75 000 m3。煤棚內(nèi)設(shè)計2個儲煤堆,位置如圖1所示,可堆煤體積分別為8 588 m3和3 158 m3,整體煤棚堆煤總體積為11 746 m3,最大存煤量可達(dá)10 000 t。

由圖1所示,陽煤一礦封閉式氣膜煤棚共布置7臺防爆型離心式管道風(fēng)機(jī),每臺功率為11 kW,均采用變頻控制;3個可調(diào)節(jié)開度的出氣風(fēng)閥,其最大開口尺寸為0.9 m×0.9 m,均采用電動連續(xù)控制開度。為保證氣膜承載力,氣膜內(nèi)氣壓需時刻維持在250 Pa～500 Pa正壓,通過控制風(fēng)機(jī)運行臺數(shù)同時配合改變變頻風(fēng)機(jī)的運行頻率來自動實現(xiàn)。

可見,氣膜煤棚是一種封閉式結(jié)構(gòu),其內(nèi)部環(huán)境沒有自然通風(fēng),需要通風(fēng)機(jī)壓入新鮮空氣,由出口風(fēng)閥出風(fēng),不僅要實現(xiàn)氣膜內(nèi)空氣流動,而且還應(yīng)保證內(nèi)部正壓環(huán)境。因此,氣膜煤棚儲煤空間對于瓦斯積聚問題應(yīng)當(dāng)更加重視。

2 封閉式氣膜煤棚瓦斯運移的Fluent仿真研究

2.1 煤樣解吸瓦斯實驗研究

陽泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司一礦屬于高瓦斯礦井,原煤瓦斯的含量較高。封閉式儲煤場由于內(nèi)部存放的是開采出來的原煤,存放一定時間后,位于煤炭內(nèi)部的吸附瓦斯會隨著時間的推移逐步發(fā)散出來。煤種、實際儲煤條件、配煤比例均對煤中瓦斯的解吸特性有很大影響,為了探究儲煤場中煤樣的瓦斯釋放規(guī)律,以陽煤一礦配煤中心煤樣為研究對象,進(jìn)行了相關(guān)條件下解吸實驗,用以說明該煤樣在特定儲煤條件下,煤中瓦斯隨時間的解吸釋放規(guī)律,為氣膜煤棚內(nèi)瓦斯運移規(guī)律Fluent仿真提供關(guān)鍵參數(shù)。

陽煤一礦配煤中心采集的煤樣按原煤、中煤為1:1.5的比例進(jìn)行配比,由于瓦斯解吸速率與溫度為正相關(guān)關(guān)系,考慮夏天煤棚內(nèi)溫度可能達(dá)到35 ℃左右,因此在35 ℃恒溫條件下進(jìn)行解吸實驗,將150 g煤樣放置于吸附缶并密封,采用排水集氣法收集解吸氣體,外部加熱至35 ℃并恒溫。

實驗持續(xù)時間120 min(2 h),共收集氣體23 mL,單位質(zhì)量解吸量隨時間的變化曲線見圖2所示。

圖2 35 ℃單位質(zhì)量解吸量隨時間變化曲線Fig.2 Variation curves of unit mass desorption with time at 35 ℃

由圖2可知,35 ℃時煤樣前1 h的解吸速率較快,最大解吸速率是0.12 mL/(g·h)。

2.2 氣膜煤棚內(nèi)部流場建模

Fluent 軟件是世界領(lǐng)先的CFD軟件,在流場模擬過程中被廣泛應(yīng)用。通過對封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算,以揭示封閉式煤棚中堆放一定煤量后氣流在煤棚中的流動狀態(tài)以及煤中瓦斯解吸后在煤棚中的分布規(guī)律。

1)模型建立和網(wǎng)格劃分。對陽煤一礦封閉式氣膜煤棚的物理模型構(gòu)建和網(wǎng)格劃分均利用Gambit軟件進(jìn)行,網(wǎng)格劃分時,運用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的混合網(wǎng)格方法進(jìn)行。應(yīng)用Gambit軟件建立的流場分析模型見圖3所示。

圖3 陽煤一礦氣膜煤棚Gambit模型Fig.3 Gambit model of the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

2)計算模型選取和邊界條件的確定。封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場數(shù)值模擬采用有限體積法作為離散化方法,流場模擬邊界條件根據(jù)風(fēng)機(jī)、出氣閥的位置和數(shù)量進(jìn)行氣流進(jìn)口和出口的條件設(shè)置,煤堆瓦斯涌出量按照瓦斯解吸實驗中35℃時瓦斯解吸速率作為瓦斯涌出條件。在封閉式氣膜煤棚內(nèi)部流場數(shù)值模擬計算中,由于重力對煤棚內(nèi)瓦斯在空氣中的擴(kuò)散會產(chǎn)生一定的影響,因而加入了重力條件。

2.3 Fluent仿真結(jié)果與分析

利用上述建立的氣膜煤棚內(nèi)部流場模型,對煤棚內(nèi)流場進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬,可得煤堆表面、煤棚棚頂瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布結(jié)果,見圖4所示。

圖4 陽煤一礦氣膜煤棚瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Gas volume fraction distribution in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

由圖4瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖可以看出,瓦斯氣體體積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域并未出現(xiàn)在煤棚棚頂位置,而是出現(xiàn)在煤堆表面且背風(fēng)的區(qū)域。2個儲煤堆表面瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.8%的區(qū)域較少,且最大值不超過1.1%。進(jìn)一步,可得煤堆表面、煤棚棚頂氣流速度場分布結(jié)果,見圖5所示。

圖5 陽煤一礦氣膜煤棚氣流速度場分布Fig.5 Air flow velocity field distribution in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

由圖5氣流速度場分布云圖可以看出,風(fēng)流沿煤棚棚頂向金字塔形煤堆的左上角交匯后,向下沿儲煤堆表面形成一定速度的風(fēng)流,有助于煤中瓦斯的擴(kuò)散。由于該仿真參數(shù)設(shè)置是在極端情況下,因此可以得出結(jié)論:在該通風(fēng)條件下,氣膜煤棚內(nèi)整體氣流分布較為均勻,瓦斯積聚情況可接受。

3 封閉式氣膜煤棚瓦斯粉塵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵監(jiān)測系統(tǒng)屬于煤礦地面設(shè)備,仍然要求防爆類型,故采用煤礦地面礦用安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有監(jiān)控主機(jī)、KJ307-J一般兼礦用本安型傳輸接口、通信線路避雷器、型電源防雷器、計算機(jī)軟件(包括操作系統(tǒng)、中心站軟件、應(yīng)用程序及其存貯介質(zhì))以及打印機(jī)等,其架構(gòu)見圖6所示。

圖6 陽煤一礦氣膜煤棚礦用瓦斯粉塵監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Gas and dust monitoring system architecture in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

安全監(jiān)控主機(jī)能不斷的輪流與各個分站進(jìn)行通信,每個分站接收到主機(jī)的詢問后,立即將該分站接收的各測點信號傳給主機(jī),各分站又不停的接收各傳感器信號進(jìn)行檢測變換和處理,時刻等待主機(jī)的詢問,以便將檢測數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)將接到的實時信號進(jìn)行處理和存盤,并通過本機(jī)顯示器顯示出來,還能將各測量參數(shù)的實時或歷史數(shù)據(jù)制作成各種圖形或報表輸出。

3.2 瓦斯粉塵傳感器布置

根據(jù)Fluent仿真結(jié)果與分析,優(yōu)化設(shè)計陽煤一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯與粉塵傳感器監(jiān)測點,見圖7所示。

圖7 陽煤一礦氣膜煤棚瓦斯粉塵傳感器布置Fig.7 Gas and dust sensors layout in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

如圖7所示,氣膜煤棚內(nèi)瓦斯傳感器共布置6個,采用GJ4/100高低濃度甲烷傳感器,分別掛裝在氣膜煤棚圍墻上部,其位置主要根據(jù)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布仿真結(jié)果中可能出現(xiàn)的瓦斯聚集點設(shè)置,用于檢測瓦斯聚集區(qū)域的瓦斯體積含量。粉塵傳感器共布置2個,采用GCD1000礦用粉塵濃度傳感器,一個懸掛于儲煤堆1上氣膜煤棚頂部,用于監(jiān)測氣膜煤棚內(nèi)粉塵情況,另一個安裝在氣膜煤棚外其中一個出氣閥的排風(fēng)口附近,主要用于監(jiān)測粉塵排入大氣環(huán)境的總量。

4 封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵監(jiān)測結(jié)果與分析

陽泉一礦封閉式氣膜煤棚投入使用以來,日平均進(jìn)出煤量約3 000 t,瓦斯粉塵監(jiān)測系統(tǒng)運行正常,瓦斯數(shù)據(jù)采集間隔為3 min,粉塵傳感器采集間隔為5 min。監(jiān)測所得的陽泉一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)瓦斯粉塵數(shù)據(jù),整體數(shù)據(jù)平穩(wěn),取其中典型的20 d數(shù)據(jù),求得瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值和粉塵日平均濃度,見圖8、圖9所示。

圖8 陽煤一礦氣膜煤棚瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值Fig.8 Daily mean of gas volume fracture in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

圖9 陽煤一礦氣膜煤棚粉塵日平均濃度Fig.9 Daily mean dust concentration in the coal shed with air supported membrane in No.1 Mine in Yangquan Coal Industry Group

如圖8所示,整個氣膜煤棚內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)日平均值最大不超過0.15%,整體瓦斯?jié)舛鹊陀趫缶舷?.8%;瓦斯傳感器C1和C4相對瓦斯?jié)舛雀哂谄渌麄鞲衅?屬于相對局部的聚集現(xiàn)象,與氣膜煤棚內(nèi)部流程仿真結(jié)果基本一致。

如圖9所示,氣膜煤棚內(nèi)部粉塵傳感器D1所測的粉塵濃度整體平穩(wěn),低于4 mg/m3上限,滿足《煤礦安全規(guī)程2016版》第六百四十條規(guī)定的煤礦作業(yè)場所空氣中粉塵濃度要求;氣膜煤棚外部排風(fēng)口附近安裝的粉塵傳感器D2所測的粉塵濃度整體相對較高,可能原因為靠近排風(fēng)口,且受到外部大氣環(huán)境的粉塵濃度影響。

5 結(jié)論

針對封閉式氣膜煤棚內(nèi)部瓦斯粉塵安全問題,通過瓦斯解吸實驗揭示了瓦斯在煤炭開采出后存儲過程的釋放量,基于此建立陽煤一礦封閉式氣膜煤棚的內(nèi)部流場仿真模型,通過仿真結(jié)果揭示瓦斯和氣流在氣膜煤棚內(nèi)的分布和運移情況。通過建立瓦斯粉塵監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)陽煤一礦封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯、粉塵的實時監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明:正常生產(chǎn)條件下,封閉式氣膜煤棚內(nèi)的瓦斯與粉塵濃度均處于安全限內(nèi),且濃度分布基本與仿真模型相似。