掘进工作面突出瓦斯运移扩散特性模拟研究∗

孙晓元董利辉孙英峰关 城付 帅韦善阳

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.太原科技大学环境与安全学院,山西省太原市,030024; 3.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,101601)

★煤矿安全★

掘进工作面突出瓦斯运移扩散特性模拟研究∗

孙晓元1,2董利辉1孙英峰1关 城1付 帅1韦善阳3

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.太原科技大学环境与安全学院,山西省太原市,030024; 3.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,101601)

为准确探究掘进工作面突出瓦斯扩散运移时的参数特性,利用Navier-stokes方程和扩散方程构建了突出瓦斯运移模型。应用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析工具研究了突出瓦斯与空气混合后其参数随时间和位置变化的特征规律,并探讨了风筒风速和瓦斯突出速度对瓦斯气团运移特性的影响。研究结果表明:突出瓦斯气团在风流和浓度扩散的作用下整体向巷道出口运移,突出瓦斯气团影响范围逐渐变大,运移速度变慢,持续时间变长,且峰值浓度随时间和空间均按幂函数规律衰减,突出瓦斯在掘进巷道中的峰值衰减特性受瓦斯突出速度和风筒风速等因素的综合作用。

瓦斯突出 扩散运移 时空分布 风筒风速 瓦斯突出速度 COMSOL Multiphysics

作为一种复杂的煤岩动力灾害现象,煤与瓦斯突出极易造成人员的重大伤亡和财产的严重损失。究其原因,除突出的煤岩体直接打击作业人员和发生煤流埋人之外,更关键的因素在于涌向采掘空间的突出瓦斯气流具有极大的破坏性,可诱导风流逆转,使瓦斯充满几十至上千米的巷道,甚至会扩散至整个矿井。大量浓度较高的瓦斯短时间内难以稀释,不仅会造成人员中毒窒息,在一定条件下遇到机电设备等还可能发生矿井火灾、瓦斯爆炸等次生事故,酿成不可估量的后果。因此,煤与瓦斯突出所造成的异常涌出并扩散运移的瓦斯是酿成重大事故的主要原因。由于近七成的瓦斯突出都发生在煤巷掘进工作面,故突出瓦斯往往对掘进头及巷道中作业人员和机电设备的安全威胁最大。因此,掌握掘进工作面突出瓦斯在直巷中传播时的特征指标和分布参数,探究其运移与扩散规律,对于灾前人员、机电设备的布置与防灾抗灾系统的建设,灾变时应急救援和防止事故扩大措施的实施,具有重要的理论与现实意义。

国内外学者从理论分析、试验研究和数值模拟3个角度探讨了掘进工作面突出瓦斯的运移和扩散规律,取得了丰硕的成果。就数值模拟而言,胡为民、王海桥、高建良、韦善阳等人进行了相关方面的研究。但纵观上述文献,前人的模拟侧重于探讨掘进巷道中突出瓦斯与风流混合后的整体流动特性,未充分考虑高浓度瓦斯气团在巷道不同时间和不同位置的运移扩散特征,故得出的结论缺乏足够的定量结果支持。鉴于此,本文尝试在理论分析的基础上,借助COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析工具,着重分析掘进巷道中突出瓦斯与空气混合后其特征参数随时间和位置变化的时空分布规律,并探讨不同风流和瓦斯突出速度下的高浓度气团运移扩散特性,从而为灾前预防和灾变控制等工程措施的应用提供理论支持。

1 掘进面突出瓦斯运移模型的建立

当掘进面发生突出时,大量瓦斯气体涌入巷道空间。由于气体冲击波持续时间极短,为便于分析,暂不考虑突出过程中冲击波的影响,重点探讨突出后高浓度瓦斯团与正常风流混合后在掘进直巷中的运移规律,则模型简化为流体在巷道空间中的传播运移与物质交换的过程,其满足连续性特征及运移扩散规律,具体分析过程如下。

1.1 掘进面突出瓦斯混合气流的运动方程

由于掘进巷道正常通风和瓦斯喷出速度均远大于临界雷诺数,其物理性质可采用Navier-stokes方程来进行描述,该方程反映的是粘性流体动量守恒的运动规律。笔者曾探讨过忽略体积力时三维空间的Navier-stokes的表达式为:

式中:Pns——流体压力,Pa;

η——流体的动力粘度,Pa·s;

uns——流体速度矢量,m/s;

ρ——流体密度,kg/m3。

显然,当研究区域掘进工作面时,作用于混合流体的体积力主要是重力。若忽略掘进巷道在高度上的变化,即认为该巷道为水平的,则重力对混合流体的作用局限于气流因为风流和浓度、密度差异所引起的瓦斯升浮过程中,此时重力对突出气体的作用是微乎其微的,因此突出瓦斯流运移的运动方程可近似地利用式(1)来进行描述。

1.2 掘进面突出瓦斯混合气流的运移扩散规律

当突出冲击波过后,高浓度的混合瓦斯气流在巷道内发生运移,其所承受的作用力包括两个方面:其一,矿井中原有且未被摧毁的通风动力,其作用方向与瓦斯混合气流的运动方向相同或者相反,表现为瓦斯混合气流沿巷道风流方向传播或逆流扩散两种形式;其二,高浓度的瓦斯流与正常风流交汇,由于两者之间密度差的存在导致瓦斯风压的产生,这也是瓦斯逆流扩散的重要动力。在掘进巷道的压入式通风中,风流经过风筒输送至掘进头,此时的正常通风往往成为了瓦斯混合气流运移的动力。分析其中一个平行六面体微小单元,其运移扩散规律如图1所示。

图1 突出瓦斯流微元体运移扩散规律

假定平行微元体其边长分别为Δx、Δy和Δz,且单位时间内沿x方向有平均流速为U的流体从左侧界面进入该微元体,流体的浓度为C,由于浓度差异所导致的扩散系数为K,则单位时间内由风流和浓度扩散作用进入微元体的流体质量m1为:

由此同时,从微元体右侧界面流出的质量为:

需要说明的是,在运移扩散过程中,微元体内所含有的瓦斯质量并非是恒定不变的,其质量m为:

由上述分析可知,单位时间沿x方向流入和流出的瓦斯质量差为:

式中:C——瓦斯浓度,mol/m3;

U——微元体平均流速,m/s;

K——扩散系数,m2/t;

k——扩散衰减常数。

将式(5)简化,同时取Δx为无穷小,引入微分的概念,则式(5)可改写为:

当突出瓦斯气流与空气完全混合为均匀流场时,U与K都是常数,则式(6)可以写作:

对于式(7),假定高浓度瓦斯团为瞬时源,突出的瓦斯量为M,忽略运移过程中生物、物理和化学作用对瓦斯含量的影响,对其进行拉氏变换所求的解析解为:

式中:M——突出瓦斯量,mol;

J——巷道截面积,m2。

式(8)为瞬时一维运移扩散条件下的瓦斯浓度分布模型,它较好揭示了突出瓦斯在掘进巷道中的运移规律,可见瓦斯浓度受突出瓦斯量、平均流速和扩散系数等综合因素的影响。在扩散运移和风流稀释的作用下,瓦斯气团的影响范围不断扩大,运移速度和浓度不断减小。

2 数值模型

通过上述分析,可知式(8)虽然给出了一维运移扩散条件下的瓦斯浓度分布的解析解,但其中扩散系数K值为紊流弥散系数、紊流扩散系数和分子扩散系数三者共同作用的结果。然而,准确刻画上述3个要素是十分困难的,文献计算是忽略了紊流弥散和分子扩散的结果。实际上,由于上述方程绝大部分都含有一阶或二阶偏微分项,这就增加了求得掘进工作面瓦斯与空气混合流场控制方程解析解的困难程度。因此,可专门采用基于偏微分方程的有限元求解平台——COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析工具来进行模拟研究。

学生思考一段时间后，给出回答：在研究二次函数性质的基础上，想到可以研究三次函数的奇偶性，比如是奇函数；对称性，包括对称轴、对称中心等；单调性；函数的范围，即函数的定义域、值域等；函数的零点；函数的周期性；函数是否有极值点，如果有，有几个……

2.1 几何模型

本次模拟属于概念研究,没有实际的算例作为原型。参照国内大部分掘进工作面的实际情况,选择巷道断面尺寸为4 m×4 m。为充分研究突出瓦斯气流在掘进面直巷中的传播规律,模拟巷道长度确定为100 m。掘进巷道采用压入式通风机供风,风筒直径为0.25 m,位于巷道上部3.75 m处,风筒端部出口距离掘进头0.5 m。为便于分析,设定瓦斯突出口为尺度0.5 m×0.5 m的正方形,其位置位于掘进头中央。

为研究突出瓦斯在掘进面流场中的运移特性与扩散规律,在掘进巷道中布置2条监测线和6个监测点,见图2所示。图2中监测线1(line1)位于巷道中心线(高度2 m),在该监测线上距离掘进头3 m、5 m、10 m、20 m、40 m和80 m处设置了6个监测点;监测线2(line2)位于与中心线平行的纵轴线,其距底板高度为1 m;数字1～6表示监测点。

图2 掘进工作面监测点和监测线布置图

2.2 初始值和边界条件

数值模拟的初始条件包括温度、气体压力、动力粘度等参数。正常通风条件下,掘进巷的风流为紊流状态。为简化分析,将整个过程视为等温过程,并忽略巷道内的阻力变化。为考察不同初始条件下瓦斯气体运移规律的差异,风筒的风速选择为5 m/s、6 m/s和7 m/s,突出瓦斯气体的平均速度为20 m/s、30 m/s和40 m/s。模型相关初始条件的取值:空气密度1.29 kg/m3,瓦斯密度0.7168 kg/m3,空气动力粘度5×10－5Pa·s,瓦斯动力粘度1.34×10－5Pa·s,掘进面初始气体压力0.1 MPa,掘进面初始空气浓度0.3 mol/m3。

3 模拟结果分析

3.1 正常通风时的流场参数

图3 正常通风时流场参数分布云图及监测线分布曲线图

3.2 瓦斯突出时的流场参数

设定瓦斯突出口为尺度0.5 m×0.5 m的正方形,其位置位于掘进头中央,采用高斯脉冲函数来控制突出口的开关,持续时间1.2 s,其表述形式如图4所示。

图4 瓦斯突出开关高斯脉冲控制函数图gp1(t)

定义高斯脉冲的函数表达式为gp1(t),则突出口处的瓦斯初始速度为UCH4·gp1(t)。显然,图4显示的控制函数有效速度的持续时间为0～1.2 s,峰值出现在0.6 s处。为重点研究突出后瓦斯速度随时间和空间的变化规律,在速度分析时暂不考虑风筒中压入风流的作用,突出速度设定为40 m/s,则1.5 s内掘进头附近的速度分布云图及两监测线的速度分布曲线如图5所示。

图5(a)～(c)显示的是0 s、0.6 s和1.5 s时掘进头附近的突出瓦斯速度分布云图,图5(d)～(f)显示的是该时刻两监测线的速度分布曲线,从图5中可以明显看出所研究区域的速度差异。在模拟的第一步,仅掘进头附近出现较小的初始速度,其余位置未受到突出瓦斯的影响,这一点可通过图5(d)测线2(靠近底板处)的速度分布曲线近似为零来佐证;当t＝0.6 s时,根据高斯脉冲控制函数可知,此时突出瓦斯达到最大值,同时通过图5(b)可以看出,由于掘进断面较小,气体在巷道顶底板出现了速度转向,进而形成了与巷道中部相同的速度增大区,对比图5(e)的分布曲线,可以发现监测线2从两速度增大区之间穿过,进而形成了较为明显的速度转折阶段;当t＝1.5 s时,突出口已不再有瓦斯喷出,流体在惯性作用下向前运动,其速度较t＝0.6 s时出现明显下降,由于受到巷道风筒障碍物等的影响,此时的速度分布场较为复杂,同时在图5(f)中的速度分布曲线上同时出现了双峰值的情况。

图5 突出时流场参数分布云图及监测线分布曲线图

3.3 突出瓦斯混合流体的运移规律

当突出停止后,涌向采掘空间的瓦斯气团将与风筒射出的正常风流交汇,并在风流和浓度扩散作用下逐渐向巷外移动。同时考虑风筒中压入风流和突出速度,其中风筒压入速度设定为6 m/s,突出设定为40·gp1(t)m/s。为简便分析,假定突出的瓦斯为纯量的甲烷气体,则整个过程中的瓦斯浓度分布情况如图6所示。

图6 突出后巷道内瓦斯浓度的时空分布情况

图6模拟的是当瓦斯突出停止后,与风筒射出的正常风流交汇的瓦斯团浓度随时间和空间位置的变化情况。从图中可以看出,瓦斯气团在风流和浓度扩散的作用下整体向巷道出口运移,其最大浓度不断下降,影响区域不断扩大。与此同时,瓦斯气团浓度最高点的位置也经历了由底板向顶板的集中,这是由风流和瓦斯的升浮特性共同决定的。

图6仅能从整体上反映突出后巷道内的瓦斯浓度的时空分布情况。为探讨瓦斯气团的具体运移特性,分析不同时刻监测线1和瓦斯经过图3所示的各监测点处的浓度参数,并研究其各峰值点,将结果汇总如图7所示。

图7(a)和图7(c)为瓦斯浓度在监测线1和各监测点对应于时间和空间的分布曲线,图7 (b)和图7(d)为由此所拟合的衰减曲线。从图7 (a)可以看出,随着监测时间的增加,曲线逐渐右移,其覆盖范围增大,曲线峰值降低,对应于瓦斯气团逐渐向外移动、影响范围逐渐增大和瓦斯峰值浓度随之下降;图7(b)为采集各曲线峰值点的瓦斯浓度而拟合的曲线,反映的是瓦斯的浓度峰值随时间的衰减规律,可以发现其与幂函数y＝0.1797t－0.446的拟合程度较好;图7(c)反映的是瓦斯团在巷道内运移经过某一监测点时的浓度变化曲线,通过分析可以发现,由于监测点1恰好位于工作面前方涡旋区的核心位置,且突出后气团浓度集中于底板附近,故监测点1浓度较低且衰减缓慢,从测点2开始,随着监测距离的增大,瓦斯气团流经每个监测点的时间也在随着增长,这同样反应瓦斯气团影响范围的增大和速度的减小;类似地,各监测点的浓度峰值也在不断降低,取各峰值进行拟合也可以得出瓦斯浓度峰值随距离增大而呈现幂级数衰减的规律。由上述分析可知,突出瓦斯气团的运移速度、影响范围随时间和空间的变化而改变,且瓦斯浓度峰值随时间和空间均呈幂函数衰减规律。

图7 瓦斯浓度分布及时空衰减拟合曲线(风筒风速6 m/s,突出速度40 m/s)

3.4 不同风速和突出速度下瓦斯混合流体的运移规律

图7显示的是风筒风速为6 m/s,瓦斯喷出速度为40 m/s时的瓦斯浓度分布及时空衰减拟合曲线。类似地,当风筒风速不变、瓦斯喷出速度为20 m/s和30 m/s,瓦斯喷出速度不变、风筒风速为5 m/s和7 m/s时的瓦斯运移特征可采用COMSOL Multiphysics参数化扫描的方式来进行求解。上述组合形式下监测线1所计算的瓦斯浓度峰值随时间衰减拟合曲线如图8所示。

图8 不同风筒风速和突出速度下监测线1瓦斯气体峰值浓度的时空衰减拟合曲线

图8显示的是不同风筒风速和突出速度下监测线1瓦斯气体峰值浓度的时空衰减拟合曲线,可得出以下结论:由于瓦斯突出开关高斯脉冲控制函数相同,突出速度的增大同样意味着进入巷道瓦斯量的增大,当风筒风速不变时,瓦斯气团的初始浓度和整体浓度也随之升高,衰减系数却不断下降,这表明瓦斯气团的整体浓度上升、在巷道中持续时间增长、浓度衰减变慢,从而突出的危险性增大;当突出速度不变时,随着风筒压入风流速度的增加,横坐标持续时间变短,拟合曲线a值下降,b值上升,对应瓦斯气团运移的速度明显加快,整体瓦斯气团的浓度降低,且瓦斯衰减速度加快。换言之,在相同的瓦斯涌出量条件下,风筒输入的新鲜风量越大,掘进巷道内瓦斯浓度降低到安全浓度所需的时间也就越短。

4 结论

(1)采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析工具可较好的刻画掘进工作面正常通风时的速度场、湍流和静压分布特征,也可利用该工具来对突出时的流场参数进行分析,加入物质传递模块后又可准确模拟突出瓦斯气流的运移扩散规律。

(2)突出瓦斯气团在风流和浓度扩散的作用下整体向巷道出口运移,其影响范围逐渐变大,运移速度变慢,持续时间变长,且峰值浓度随时间和空间均按幂函数规律衰减。

(3)突出瓦斯气团的峰值衰减特性受风筒风速和突出速度等因素的综合作用。风筒风速越小、突出速度越大,则瓦斯气团的整体浓度越大、在巷道中持续时间增长、浓度衰减越慢,突出的危险性也越大。

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(责任编辑 张艳华)

财政部明确企业改制重组有关土地增值税政策

继不久前企业兼并重组获得所得税优惠之后,财政部、国家税务总局日前又送上暂免三年土地增值税的税收大红包。

财政部、国家税务总局近日对外公布的《关于企业改制重组有关土地增值税政策的通知》指出,按照《公司法》规定,非公司制企业整体改建为有限责任公司或者股份有限公司,有限责任公司(股份有限公司)整体改建为股份有限公司(有限责任公司)。对改建前的企业将国有土地、房屋权属转移、变更到改建后的企业,暂不征土地增值税。

按照法律规定或者合同约定,两个或两个以上企业合并为一个企业,且原企业投资主体存续的,对原企业将国有土地、房屋权属转移、变更到合并后的企业,暂不征土地增值税;企业分设为两个或两个以上与原企业投资主体相同的企业,对原企业将国有土地、房屋权属转移、变更到分立后的企业,暂不征土地增值税。此外,单位、个人在改制重组时以国有土地、房屋进行投资,对其将国有土地、房屋权属转移、变更到被投资的企业,暂不征土地增值税。通知明确,暂免土地增值税的期限为2015年1月1日至2017年12月31日。不过,并非所有改制重组企业都能享受税收优惠。两部门规定,所有改制重组有关土地增值税政策不适用于房地产开发企业。

Numerical simulation of diffusion characteristic of outburst gas at working face

Sun Xiaoyuan1,2,Dong Lihui1,Sun Yingfeng1,Guan Cheng1,Fu Shuai1,Wei Shanyang3
(1.Faculty of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.College of Environment and Safety,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China 3.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Sanhe,Hebei 101601,China)

To exactly investigate the parameter characteristics for outburst-gas diffusion and migration,the model of outburst-gas migration was set up by Navier-stokes equation and diffusion equation.The law of characteristic parameters varied with time and position after the mix of gas and air was studied by using COMSOL Multiphysics software.In addition,the influences of wind speed in the blasting tube and the maximum initial speed of outburst gas on the gas migration were discussed.The results showed that the outburst gas mass migrated towards the exit of roadway under the action of wind flow and concentration diffusion.The range of influence of outburst gas mass increased gradually,the migration rate slowed down,the duration was prolonged and the peak concentration decreased with time and space in a power function.So the decrease of peak concentration of outburst gas in the driving roadway was controlled by the combination of the maximum initial speed of outburst gas and the wind speed in the blasting tube.

gas outburst,diffusion and migration,spatial and temporal distribution,wind speed in blasting tube,initial speed of gas outburst,COMSOL Multiphysics

TD712.5

A

孙晓元(1987－),男,山东德州人,教师,在读博士,主要从事煤岩动力灾害的预测与防治工作。

国家自然科学基金资助项目(51274206),国家自然科学青年基金资助项目(51404277),河北省矿井灾害防治重点实验室开放基金资助项目(KJ2H2013K08)