突出沖擊氣流形成及傳播規律數值模擬研究

戴林超

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

煤與瓦斯突出是一種井工煤礦在開展采掘作業時可能會遇到的動力現象。突出發生時所產生的高速含煤粉或巖粉瓦斯流具有很高的能量,能夠在巷道內形成具有較大破壞性的沖擊氣流及沖擊波,摧毀巷道設施,破壞通風系統,甚至會造成風流逆轉。同時,突出的高濃度瓦斯能夠充滿巷道空間,造成人員窒息,有時還會伴生瓦斯燃燒或爆炸,嚴重威脅著煤礦的安全生產及煤礦工人的人身安全[1-2]。

從第1次有記錄的煤與瓦斯突出開始,國內外學者就對突出產生的機理及其防治做了大量研究工作并取得了顯著的成果[3-5],大型以及特大型煤與瓦斯突出已經很少出現,但由于煤與瓦斯突出發生機理的復雜性,至今也無法完全消除煤與瓦斯突出這一重大煤礦災害,煤礦井下突出事故仍時有發生[6-7]。針對這一客觀現實,近些年來部分學者開始對煤與瓦斯突出發生后的致災特征進行探索,試圖通過深入研究煤與瓦斯突出發生后高速瓦斯流的運移規律來降低或者消除煤與瓦斯突出災害的影響[8-10]。

煤與瓦斯突出具有極大的破壞性,在井下人為誘發突出不具可行性,大部分學者在實驗室利用實驗裝置模擬煤與瓦斯突出這一動力現象[11-13]。但由于突出過程中的不可控制因素太多,一次實驗的成功率往往不高。而數值模擬作為理論分析和實驗模擬的補充,在對一些無法進行實驗或者實驗成本過高的情況下,考慮問題更加復雜、全面,從而獲取的信息也更加豐富[14]。因此,筆者擬運用ANSYS Fluent數值模擬軟件,研究突出發生后巷道內沖擊氣流的時空演化規律及瓦斯濃度分布情況,為煤與瓦斯突出災害的有效防治提供科學依據。

1 數學模型與數值方法

1.1 控制方程

煤與瓦斯突出發生時,高壓瓦斯氣體急劇膨脹壓縮巷道內的空氣,產生的沖擊氣流流動控制方程是建立在以下自然界普遍適用的基本守恒定律基礎之上的。二維突出沖擊氣流流動控制方程如下:

1.2 物理模型

針對煤與瓦斯突出腔體大多呈現口小腔大的特征,構建的幾何模型如圖1所示。模型主要包括高壓瓦斯區域和模擬巷道區域,高壓瓦斯區域尺寸設定為0.3 m×0.7 m,模擬巷道長為8 m,高為0.1 m。為了實時監測模擬巷道內沖擊氣流的傳播規律,本次模擬在巷道內創建1條監測線以及3個監測點,其中原點(0,0)設置在突出口處,3個監測點的坐標分別為監測點1(1,0),監測點2(3,0),監測點3(5,0),監測線的具體位置為(0

圖1 幾何物理模型Fig.1 Geometric physical model

1.3 網格劃分

在確定了幾何模型后,為了使幾何模型變成有限元,將整個高壓瓦斯區域和模擬巷道區域設為計算區域,利用網格劃分工具ICEM對其進行網格劃分,選擇結構化網格劃分方式,一共劃分四邊形網格9 300個,如圖2所示。

圖2 網格劃分Fig.2 Meshing

1.4 基本假設

由于突出的發生過程極為復雜,在進行數值模擬研究時,需要對突出過程進行一些理想化的假設。假設:突出臨界狀態時,突出區域內為高壓純瓦斯氣體,速度為0,巷道內為常壓狀態下的空氣,速度也為0(相較突出時的高速運動的瓦斯氣流,巷道中的風速可以忽略不計);突出發生后,突出區域內的高壓瓦斯氣體瞬間涌入巷道,形成沖擊氣流[15]。模型初始化參數設置見表1。

表1 模型初始化參數設置Tab.1 Model initialization parameter settings

2 數值模擬結果及分析

2.1 突出沖擊氣流沿巷道傳播特征

0.5 MPa瓦斯壓力條件下,發生突出后巷道內不同時刻各處沖擊氣流壓力、速度以及瓦斯質量分數分布曲線如圖3所示。

圖3 0.5 MPa瓦斯壓力條件下巷道內各處沖擊氣流模擬結果Fig.3 Simulation results of impact airflow in roadway under the condition of 0.5 MPa gas pressure

(1)由沖擊氣流壓力曲線(圖3(a))可知,當突出發生后,突出區域內的高壓瓦斯氣體急劇膨脹產生一道向右的激波(一種特殊的壓縮波)和一系列向左的膨脹波,向右的激波相對波前氣體以超音速傳播,使右半部壓力上升,與前方未擾動的空氣區形成明顯的壓力界限;而向左的膨脹波則以音速傳播,使左半部壓力下降。

(2)由不同時刻巷道內沖擊氣流速度曲線(圖3(b))可知,突出發生瞬間巷道內的氣流流速是超音速流動;根據流體力學理論,超音速流動中,壓力的傳播速度還沒有流體運動的速度快,就可能出現壓力無法及時釋放的情況,這時,流場中會出現明確的波,流體經過這些波時壓力會產生躍升或突降,即壓縮波和膨脹波。這也解釋了圖3(a)中沖擊氣流壓力曲線形成的原因。同時,由于巷道壁面的摩擦和限制作用,沖擊氣流在傳播過程中壓力和速度都是在不斷衰減的,至0.01 s時刻,激波波陣面的壓力衰減至190.9 kPa,速度衰減至289 m/s。

(3)由瓦斯濃度分布曲線(圖3(c))可知,突出發生后的一段時間內,突出瓦斯氣體在巷道內的運移擴散方式主要為驅替運移。在驅替運移階段,由于高壓瓦斯初始噴出具有一定的初動量,在靠近突出口附近區域,瓦斯氣體的驅替運移作用較強,在巷道內形成了高濃度瓦斯區域。同時,通過與沖擊氣流壓力曲線以及沖擊氣流速度曲線對比可以看出,突出瓦斯的運移擴散速度要遠小于沖擊氣流的傳播速度。

2.2 各監測點沖擊氣流壓力隨時間變化規律

不同瓦斯壓力條件下發生突出后,巷道內各監測點沖擊氣流壓力隨時間變化規律曲線如圖4所示。突出發生后,靠近突出口的監測點1處氣流壓力瞬間升高,在到達峰值之后快速下降,前期下降速率快,后期下降速率慢,在同一測點處的壓力衰減隨時間呈現減緩趨勢;最后隨著時間的推移,巷道內的氣流壓力在經歷反復震蕩后,逐漸恢復為突出前的常壓狀態。

圖4 各監測點沖擊氣流壓力隨時間變化規律Fig.4 Variation law of impact airflow pressure at each monitoring point with time

突出沖擊氣流沖量大小就是沖擊氣流壓力對作用時間的積分,即壓力曲線與時間坐標軸所圍成的面積大小。比較同一測點處3種不同瓦斯壓力的沖擊氣流壓力變化曲線可知,瓦斯壓力越大,沖擊氣流壓力峰值越大,其與時間坐標軸圍成的面積越大,沖擊氣流沖量也越大,當井下發生突出時,其對井下作業工人以及巷道設施造成的傷害也越大[16-17]。

利用Origin軟件獲取各監測點處沖擊氣流壓力峰值見表2。由表2可知,在同一瓦斯壓力條件下,不同測點的沖擊氣流壓力曲線可知,越靠近突出口的沖擊氣流壓力越大,且沖擊氣流在直巷道內的傳播是一個不斷衰減的過程。分析其原因是沖擊氣流在巷道內傳播時不斷與巷道壁面發生摩擦產生摩擦熱,并同時持續壓縮巷道前方的空氣發生能量損耗,導致沖擊氣流壓力不斷衰減。

表2 不同瓦斯壓力下監測點沖擊氣流峰值壓力Tab.2 Peak pressure of impact airflow at monitoring points under different gas pressures

2.3 各監測點瓦斯濃度隨時間變化規律

不同瓦斯壓力條件下各監測點瓦斯濃度隨時間變化規律曲線如圖5所示。當突出發生后,在突出口附近的區域,突出瓦斯氣體的運移方式以驅替運移為主。監測點1距離突出口1 m,突出瓦斯氣體在此處的驅替運移最為明顯,而0.5 MPa相較0.1 MPa和0.3 MPa而言,突出區域內積聚的瓦斯量更多,突出發生后,突出瓦斯氣體的初動能也更大。所以,在0.5 MPa瓦斯壓力條件下,監測點1處的瓦斯濃度較高,且持續時間較長。隨著突出的不斷進行,瓦斯壓力更大的實驗組由于突出區域瓦斯氣體的持續膨脹,監測點1、監測點2處瓦斯濃度在最初一段時間內會處于較高值,但當突出區域內瓦斯氣體全部膨脹做功后,突出瓦斯氣體的運移速度開始下降,突出瓦斯氣體在巷道內的驅替運移開始減弱,而突出瓦斯氣體在巷道內的自由擴散開始占據主導地位。在0.1 MPa瓦斯壓力條件下,由于瓦斯壓力較低,突出區域內的瓦斯量不足,在突出發生后,監測點1處的瓦斯濃度首先急劇升高,然后迅速下降,最后穩定在0.4%附近繼續自由擴散;當突出瓦斯氣體運移至監測點2以及監測點3處時,突出瓦斯濃度以及速度已經很低,但此時卻最危險,由于瓦斯的爆炸極限在5%～16%,監測點3處的瓦斯濃度剛好處于這個范圍內,如果此時出現一個電火花等火源,那么極有可能發生瓦斯爆炸等事故,從而造成嚴重后果。

圖5 各監測點瓦斯濃度隨時間變化規律Fig.5 Changes of gas concentration at each monitoring point with time

3 結論

(1)突出發生后,突出區域內的高壓瓦斯急劇膨脹壓縮巷道內的空氣形成沖擊氣流,沖擊氣流在巷道內超音速流動,產生一道沿突出巷道向巷道口移動的壓縮波,壓縮波厚度極薄,大約為幾百納米,是沖擊氣流與前方未擾動空氣區的分界面,穿過此界面的氣體壓力以及速度跳躍式升高。

(2)突出瓦斯氣體的運移擴散速度要遠小于沖擊氣流的傳播速度,沖擊氣流從產生之初便與突出瓦斯介質發生分離,自始至終都將是不同步的。

(3)沖擊氣流壓力與突出區域內的瓦斯壓力成正比,瓦斯壓力越大,沖擊氣流壓力越大,沖擊氣流的沖量越大;且沖擊氣流在巷道內的傳播是一個不斷衰減的過程。

(4)突出瓦斯氣體在無風巷道內的運移方式為驅替運移和自由擴散。在靠近突出口處,瓦斯氣體初始噴出,具有較大的初動能,瓦斯氣體的運移方式以驅替運移為主;當突出區域內的高壓瓦斯全部膨脹做功后,在巷道壁面的限制作用下,瓦斯氣體的動能減小,瓦斯氣體的運移方式以自由擴散為主。