掘進工作面局部通風參數對瓦斯分布影響研究

賈 靜，顧 亮，劉宇軒(.華北理工大學，河北 唐山 060；.開灤(集團)有限責任公司東歡坨礦業分公司，河北 唐山 06000；.河北工程大學，河北 邯鄲 05608)

煤礦瓦斯事故發生極易造成人員傷亡和財產損失，嚴重影響礦井安全生產，其中掘進工作面尤為嚴重，需要對掘進工作面的瓦斯運移分布規律以及通風參數優化做深入研究，以便采取有效措施減少瓦斯事故的發生[1-5]。目前掘進工作面廣泛采用壓入式局部通風方式，風流從風筒出口射出后，受獨頭巷道局限空間的限制和風流的連續性影響，會出現與射流方向相反的流動[6-11]。研究瓦斯氣體運移分布規律，對于瓦斯災害防治、降低事故損失具有重要意義。

國內外學者對礦井瓦斯災害進行了大量研究，高建良等[12]研究不同瓦斯涌出量工作面風流和瓦斯濃度分布，結果表明，隨著瓦斯涌出量的增大和風速的降低，瓦斯對流場的影響越明顯。周愛桃等[13]通過實驗手段研究了突出后沖擊波及高瓦斯氣體運移規律。楊濤等[14]基于有限體積法的C-N格式離散方法，編制程序并對移動掘進工作面巷道周圍瓦斯壓力分布、煤體透氣性變化及瓦斯涌出速率變化情況等進行了數值模擬。孫曉元等[15]、高建良等[16]、代江嬌等[17]分別對掘進巷道風筒參數對于瓦斯運移進行了數值優化模擬實驗。美國學者KONDURI[18]模擬了采用輔助通風設備的獨頭巷道風流流動情況，與利用實驗方法的結論進行比較，發現模擬結果與實驗結論基本相同。日本學者TOMITA[19]對掘進工作面瓦斯涌出做相似模擬實驗，測得瓦斯的濃度分布，同時得到風筒出口的位置對風流流場的影響比較大。

掘進工作面地質構造復雜，瓦斯涌出不均勻，局部通風要求更為嚴格。本文針對唐山某礦掘進工作面生產現狀：瓦斯涌出量為0～1.5 m3/min、2臺局扇供風量分別為5.9 m3/s、11.2 m3/s，利用Fluent軟件模擬研究不同條件下瓦斯分布情況，得出不同風筒布置情況下瓦斯濃度分布以及通風參數最優方案，為掘進工作面瓦斯異常涌出時期局部通風提供技術支撐。

1 模型建立

1.1 巷道風流控制微分方程

礦井巷道風流遵循流體流動基本守恒定律，同時巷道內氣體的流動遵循組分守恒定律，各守恒定律建立控制方程如下所述[20]。

質量守恒方程見式(1)。

(1)

動量守恒方程見式(2)～式(4)。

(2)

(3)

(4)

組分質量守恒方程見式(5)。

(5)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為速度矢量，m/s；u、v、w為u在x方向、y方向、z方向上的分量，m/s；μ為流體動力黏度，Pa·s；p為流體微元體上的壓力，Pa；Su、Sv、Sw為廣義源項，kg/(m3·s)；cs為組分s的體積濃度，ppm；ρcs為組分的質量濃度，mg/m3；Ds為組分擴散系數，m2/s；Ss為組分生產率，kg/(m3·s)。

1.2 物理模型及邊界條件

掘進工作面巷道斷面尺寸為4 m×4 m，巷道長度選取50 m，通風方式選用壓入式局部通風，分析風筒參數影響條件下巷道瓦斯分布情況，三維模型如圖1所示。根據瓦斯涌出量大小設置瓦斯源項，兩者關系公式見式(6)。

S=ρQ/Vt

(6)

式中：S為瓦斯質量源項，kg/(m3·s)；ρ為瓦斯密度，kg/m3；V為瓦斯涌出單元的體積，m3；t為時間，s。瓦斯源項設置在掘進頭斷面第一層網格處，用來替代掘進巷道瓦斯涌出量；風筒為速度入口，左側為壓力出口，壁面設為絕熱無滑移壁面。

死刑是否真的可以滿足民眾的報應訴求？人死已經不能復生，即使一命抵一命，但這樣真正的價值在哪兒？對于被害人及其家屬而言，所受到的傷害不可能得到真正的補償；對于罪犯而言，死亡反而是一了百了，其生前所負的債務也都一筆勾銷，這就是我們執行死刑所希望得到的法律效果與社會效果嗎？答案自然是否定的。既然死刑不能夠達到理性的狀態，我們也不必一味地要求殺人者償命，更好的方式在于尋找死刑的可替代性措施。這種可替代性措施不僅要滿足民眾的報應訴求，也需要能夠滿足民眾的安全需求。有鑒于此，我們可以對各國的可替代性措施進行考察，并從中尋找可以為我國所借鑒的經驗。

2 數值模擬結果分析

利用Fluent軟件模擬不同瓦斯涌出量、風筒懸掛高度和距迎頭不同距離等參數條件下礦井瓦斯分布情況。

2.1 瓦斯運移分布規律

通過模擬分析風筒風量為11.2 m3/s、瓦斯涌出量為0.7 m3/min時巷道中心垂直斷面瓦斯運移情況和風流穩定時(1 200 s時)巷道不同斷面瓦斯分布情況，如圖2所示。

由圖2可以看出，初期瓦斯在巷道下方，由于風流作用，瓦斯向出口方向運移，瓦斯密度小于空氣，在浮力作用向上方運移；時間為1 200 s時，巷道風流趨于穩定，瓦斯濃度也趨于穩定，穩定時由于風筒射流作用，風筒出口瓦斯濃度最低，巷道底部靠近掘進迎頭位置有瓦斯的積聚，瓦斯濃度較高；可以看出風流穩定后巷道前方瓦斯分布不均勻，后方瓦斯濃度趨于均勻。

圖1 巷道三維模型Fig.1 3D model of roadway

圖2 巷道斷面瓦斯濃度分布Fig.2 Gas concentration distribution in roadway section

不同因素對于巷道瓦斯分布的影響不同，通過模擬研究單一風筒作用下瓦斯不同涌出量、風筒懸掛高度(風筒最高位置距底板高度)和距迎頭不同距離等參數條件下1 200 s內掘進迎頭瓦斯濃度和巷道出口測點瓦斯濃度變化情況(圖3)。利用掘進迎頭瓦斯濃度和出口測點瓦斯濃度表征巷道前方瓦斯分布和回風流瓦斯濃度情況，得到風流穩定后不同條件下瓦斯分布情況，見表1～表3。

風筒風流未到達掘進迎頭時，掘進迎頭瓦斯濃度增大，風流到達后，瓦斯濃度驟減，隨著掘進面瓦斯涌出，迎頭瓦斯濃度開始增大，巷道風流穩定后，迎頭瓦斯濃度趨于一個穩定值；巷道出口剛開始瓦斯濃度為0，之后瓦斯隨著風流向出口方向運移，出口瓦斯濃度增大，風流穩定后瓦斯濃度趨于穩定。

瓦斯涌出量越大，巷道瓦斯濃度越大；風筒布置參數對于掘進迎頭附近瓦斯分布影響較大，對于回風流瓦斯濃度影響較小，回風流瓦斯濃度受巷道供風量影響較大；風筒高度在巷道上部時，掘進迎頭瓦斯濃度較低，整體瓦斯分布較為均勻；風筒在距掘進迎頭距離5 m時掘進迎頭附近和出口瓦斯濃度較低。

圖3 不同條件下掘進迎頭和出口測點瓦斯濃度分布Fig.3 Gas concentration distribution in heading face and outlet detection point under different conditions

表1 不同瓦斯涌出量條件下瓦斯濃度分布Table 1 Gas concentration distribution of differentgas emission amounts conditions

表2 不同風筒懸掛高度條件下瓦斯濃度分布Table 2 Gas concentration distribution at differentair duct hanging heights conditions

表3 不同風筒出口距離迎頭距離條件下瓦斯濃度分布Table 3 Gas concentration distribution at differentduct outlet distance from head conditions

2.2 唐山某礦風筒實際布置參數研究

唐山某礦局部通風風筒直徑規格為600 mm和800 mm，根據2.1部分綜合比較，選取瓦斯涌出量為0.7 m3/min、風筒懸掛高度為3.8 m、距掘進迎頭距離為5 m時對2種風筒直徑下礦井瓦斯分布進行模擬，得到1 200 s內掘進迎頭瓦斯濃度和巷道出口測點瓦斯濃度分布情況(圖4)。

由于局部風機供風量有限，瓦斯涌出量較大時單臺局扇無法滿足礦井局部通風要求，該礦工作面配備2種規格的風機，一種風機功率為2×45 kW，供風量為11.2 m3/s，風筒直徑為800 mm；另一種風機功率為2×30 kW，供風量為5.9 m3/s，風筒直徑為600 mm。 選取10種工況條件下風筒布置方式，模擬分析兩臺局扇布置最優方案，如圖5所示(其中，工況一、工況二、工況三為兩種風筒布置在中間和側壁；工況四、工況五、工況六為布置在側邊上部不同位置；工況七和工況八為風筒出風口距離迎頭距離不同；工況九和工況十為布置在側邊不同高度)。

圖4 風筒直徑不同時瓦斯濃度分布Fig.4 Gas concentration distribution at different duct diameters

圖5 不同工況風筒布置方式Fig.5 Air duct layout in different working conditions

通過模擬分析不同工況條件下，掘進巷道迎頭1 200 s內瓦斯濃度分布情況，如圖6所示。

風筒布置方式不同時，巷道迎頭瓦斯濃度分布不均勻，可以看出，工況一條件下瓦斯濃度較高，巷道內環境也較為危險，通過分析巷道出口瓦斯濃度變化情況，得到風流穩定時10種不同工況條件下掘進迎頭瓦斯濃度分別為0.341%、0.256%、0.239%、0.261%、0.236%、0.259%、0.253%、0.243%、0.255%、0.249%，由圖6分析可以得出，2個風筒都布置在側邊上部，風量較大風筒布置在上方，風量較小風筒布置在下方時巷道瓦斯濃度較低，即工況五效果最好。

2.3 礦井實際通風方案

唐山某礦瓦斯涌出量不均勻，涌出量為0～1.5 m3/min，礦井使用不同規格風機時瓦斯分布情況不同。通過模擬得到供風量不同時，瓦斯涌出量與礦井出口瓦斯濃度關系，如圖7所示。

風筒布置對于出口瓦斯濃度影響小，巷道回風流瓦斯濃度受風機供風量影響大，礦井瓦斯涌出量不同時所需供風量也不同；瓦斯涌出量較小時，單臺風機就可保證礦井通風安全，瓦斯涌出量較大時，單臺風機不能使回風流瓦斯濃度降低到0.5%以下(該礦井局部通風要求)，應增加風機對巷道供風，若最大風量仍不能保證巷道通風安全，應采取抽采等措施降低瓦斯涌出量。

圖6 不同工況掘進迎頭瓦斯濃度分布Fig.6 Gas concentration distribution in heading face under different working conditions

圖7 不同供風時瓦斯涌出量與回風流瓦斯濃度關系Fig.7 Relationship between gas emission and gas concentration in return air flow under different air supply conditions

通過大量模擬分析確定風機以2×30 kW額定功率供風時，瓦斯涌出量為0.4 m3/min時巷道回風流瓦斯濃度為0.502%；2×45 kW功率風機以額定功率供風時，瓦斯涌出量為0.75 m3/min時，回風流瓦斯濃度為0.496%；2臺風機同時供風時，瓦斯涌出量為1.13 m3/min時，回風流瓦斯濃度為0.497%。

3 結 論

本文針對唐山某礦地質構造復雜，瓦斯涌出不均勻的生產現狀，利用Fluent軟件模擬研究了風筒布置方案不同時瓦斯濃度分布及局部通風最優方案，為掘進工作面瓦斯異常涌出時期局部通風提供技術支撐,主要得到以下結論。

1) 瓦斯涌出后，初期聚集在巷道底部，由于浮力和風流作用，瓦斯向巷道上方和出口方向運移，風流穩定后迎頭附近下方有較高濃度瓦斯積聚，后方瓦斯分布均勻。

2) 2個風筒同時布置在側邊上部且風量較大的風筒在風量較小風筒上方時巷道前方瓦斯分布濃度較低，稀釋瓦斯效果較好。

3) 根據唐山某礦掘進巷道瓦斯和風量實測數據，瓦斯涌出量在0.4 m3/min以下時，可使用2種任意規格局扇，瓦斯涌出量在0.75 m3/min以下時，可單獨使用2×45 kW功率局扇供風，瓦斯涌出量在0.75～1.13 m3/min時可使用2臺局扇同時供風。瓦斯涌出量大于1.13 m3/min時，2臺局扇無法滿足礦井通風需求，應更換較大風量局扇或采取瓦斯抽采等手段，確保礦井通風安全。