礦井復雜管網內有害氣體的非穩態運移模型與實驗研究

2021-11-29 08:50:22白志鵬杜珮穎雷柏偉

煤炭工程 2021年11期

白志鵬，王南，杜珮穎，雷柏偉

(1.潞安化工集團能源事業部通風部，山西長治 046299；2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院，北京 100083)

礦井正常生產或災變期間會瞬時釋放一定量的有毒有害氣體(團)，如井下放炮產生的炮煙、噴出或突出的瓦斯、瓦斯爆炸產生的災變氣體等，可稱為外源氣體[1]，或簡稱為源。鹿廣利等[2]認為瞬時釋放的且產生量與通風風流量相比不是很大的外源氣體可稱為集中有害氣體，在井巷中風流會攜帶這種集中有害氣體一起運動，同時，由于濃度梯度和風流脈動作用而在風流中逐漸擴散稀釋。礦井的外源氣體如果控制措施不得當通常會產生災難性的后果[3-5]，包括大量的人員傷亡、巨大的經濟損失和對社會的負面影響等。因此，研究瞬時有害氣體在礦井復雜管網內的運移規律及快速計算方法對制定礦井控風措施，保障井下工作人員安全具有重要的意義。

有害氣體在巷道風流中的遷移過程分為5種，包括分子擴散、隨流輸移、紊動擴散、彌散和對流擴散[6]。而有害氣體在巷道內傳播是一種平移、紊流、擴散和彌散過程的綜合疊加，其中彌散作用遠大于擴散的影響，通常認為隨流平移和彌散作用是有害氣體運移的最主要動力。當前國外學者關于有害氣體在通風網絡內的傳播規律研究較多[7-11]，但是大多僅是研究隨移流動。在國內，劉永立等[12-14]主要是對礦井瓦斯爆炸產生的毒害氣體在通風網絡系統中的彌散傳播過程進行研究，對礦井瓦斯爆炸現象進行描述，建立了以高斯模型為基礎的毒害氣體擴散規律的數學模型。龐赟佶等[15]通過建立小尺度模型，對有山體存在時的大氣流場和瞬時污染源排放的污染物濃度場進行了數據模擬，討論了不同時刻的污染物濃度分布，并得出了瞬時污染源排放污染物的擴散規律。

目前其他領域對于一維污染源運移規律的研究已較為成熟[16-18]，但關于礦井復雜風網內有害氣體的運移規律大都是進行簡化處理，且研究巷道軸向長度有害氣體的分布規律較少。因此，本文考慮巷道內有害氣體的彌散影響，研究有害氣體在復雜風網內的運移規律及快速計算方法。

1 有害氣體的運移模型

1.1 有害氣體在單一巷道的傳播模型

1.1.1 瞬時釋放有害氣體源運移計算模型

假設巷道內的風流為不可壓縮流體，有害氣體在流動過程中無衰減無吸附，巷道內的風流溫度不變，單一巷道斷面積不變，則有害氣體在巷道內的運移過程可以使用文獻[6]里的彌散方程來描述，如式(1)所示[6]。

式(1)的解析解為式(2)：

式中，C為有害氣體的濃度，×10-6；u為巷道內的平均風速，m/s；t為時間，s；A為巷道斷面，m2；V為瞬時釋放的有害氣體體積，m3；x為巷道長度，m；E為縱向彌散系數，m2/s，其中Ex由式(3)計算所得：

式中，d為當量直徑，m；λ為巷道的摩擦阻力系數。

根據式(2)可知，有害氣體在沿巷道內運移時由于彌散作用逐漸向周圍擴散，形成氣體源中心位置濃度高，四周濃度低的高斯分布，隨著運移距離和時間增加氣體濃度曲線逐漸“變矮變胖”，如圖1所示。

圖1 瞬時有害氣體擴散示意圖

1.1.2 有害氣體云團運移計算模型

假設巷道內某個監測點處的有害氣體濃度曲線為高斯分布，如圖2所示，計算巷道內下游某點的濃度時，不能將整個氣體云團當作瞬時釋放點源進行計算，可以將監測點處的有害氣體濃度曲線等間隔分割為n份，每份的時間都足夠短，可以認為是瞬時釋放的氣源，根據瞬時有害氣體源式(2)計算該釋放源運移到下游位置時所生成的濃度曲線，然后將n份點源在下游生成的濃度曲線疊加就是下游監測點的預測濃度曲線。當時間范圍取值越小時，下游位置的濃度曲線越準確。

圖2 運移過程中氣團擴散示意圖

假設距離瞬時有害氣體釋放點x1處的有害氣體濃度曲線為c(x1，t)，將t1時刻濃度c(x1，t1)作為初始條件，把下游距離瞬時有害氣體釋放點x2的有害氣體濃度曲線c1(x2，t)視為由點源c(x1，t1)運移到該位置所形成的濃度曲線，c1(x2，t)與c(x1，t1)的計算關系為式(4)[6]：

式中，u為下游分支的平均風速，m/s；t2為風流從爆源位置到x2的時間，s。

采用積分疊加c(x1，t)每個時刻的氣體濃度運移到x2處的濃度曲線，獲得x2處的濃度曲線c(x2，t)，如式(5)[6]：

1.2 有害氣體云團在交叉節點處的分叉匯合規律

由于礦井內存在交叉巷道，致使有害氣體云團運移過程中會發生分離和匯合，有害氣體在巷道交叉節點處的運移規律示意如圖3、4所示，其中1、2、3、4為節點，1點為瞬時有害氣體釋放點，2點為巷道風流分叉節點，3點為巷道風流匯合節點，4點為濃度監測點。

圖3 有害氣體在分離節點處運移規律示意圖

圖4 有害氣體在匯合節點處運移規律示意圖

首先分析節點3有害氣體匯合規律，根據節點風量平衡定律，總風量Q與各分支風量關系滿足式(7)：

Q=Q1+Q2+…+Qm(7)

C3-1(t)、C3-2(t)…C3-m(t)的計算公式為式(9)：

節點4匯合后形成的濃度曲線C4(t)由式(10)計算：

C4(t)=C4-1(t)+C4-2(t)+…+C4-m(t)(10)

有害氣體在巷道節點處分離是匯合的逆過程，根據節點風量平衡定律(7)，在節點處各分支內的有害氣體濃度曲線波形不變，與總巷道的有害氣體濃度曲線一致，所以圖3中節點2處各分支濃度曲線與總巷道濃度曲線之間關系為：

C2(t)=C2-1(t)=C2-2(t)(11)

2 有害氣體在復雜管網內的運移規律

計算有害氣體在簡單管道運移時，需要分別計算出從瞬時有害氣體釋放點至監測點的所有路徑在監測點處的濃度曲線，再進行疊加獲得最終的濃度曲線。但是井下巷道是非常復雜的，因此，本文首先采用Floyd[19]算法來尋找有害氣體釋放點與預測點之間的所有通路集合，然后根據瞬時釋放的有害氣體初始參數、礦井巷道屬性及風流參數分別計算每條通路節點上的濃度曲線特征，最后將所有計算通路上的預測點濃度曲線疊加即可，具體計算流程見圖5所示。

圖5 有害氣體在復雜管網運移過程中濃度曲線計算流程圖

3 實驗驗證

3.1 實驗巷道及測量裝置

為驗證所提計算流程的準確性，確保實驗過程盡可能符合真實礦井情況，本文選擇在開灤集團救護大隊模擬實驗巷道內開展實驗，通過瞬時釋放SF6模擬礦井瞬時有害氣體釋放源。模擬實驗巷道結構示意圖如圖6所示，巷道高2.6m，寬3.2m，進風巷道風量為500m3/min，各分支的風量與長度信息如圖6所示。

圖6 模擬實驗巷道示意圖

實驗所需的測量儀器中CSH1000 SF6在線監測儀的測量量程為 0～50×10-6響應時間t≤1 s，精度為0.01×10-6；FLUKE通風多參數測定儀風速測量量程為0.4～25m/s，測量精度為0.01m/s。

3.2 實驗步驟

正常情況下兩個風門關閉，風流僅沿一條支路運移，即路徑1-2-3-4-5-6-8-9；假設風門1打開，即新加一條路徑。

1)根據巷道實驗條件，開啟風機。

2)當風門1打開時會造成風流短路，風流會沿著以下兩條路徑流動：①1-2-3-4-5-6-8-9；②1-2-3-7-8-9。使用通風多參數測定儀測量各條巷道內的風量。

3)在位置9處放置SF6在線監測儀。

4)在位置1處瞬時釋放15L的SF6氣體，該地點坐標計為0m，釋放時刻記作0s。

5)在回風巷道SF6監測點位置9處監測濃度變化，其中風門1打開實驗造成監測點風量不準是風門2輕微漏風導致的。

3.3 實驗結果分析

監測到的濃度曲線如圖7所示，當風門1打開時，巷道中出現短路分支，大量示蹤氣體沿短路分支運移，在匯合節點處兩條濃度曲線疊加形成雙峰曲線。

圖7 示蹤氣體濃度曲線測量結果

從圖7中可以看出，沿較短路徑1-2-3-7-8-9運移的有害氣體首先到達監測點，形成第一個波峰，峰值為14.95×10-6，到達時間為248s，曲線呈“細高”形狀；較長路徑1-2-3-4-5-6-8-9中有害氣體隨著運移距離和時間增加氣體濃度曲線逐漸“變矮變胖”，在監測點形成第二次波峰，峰值為2.69ppm，到達時間為791s。