圆筒煤仓仓下部分瓦斯分布规律研究

王兵建，张亚伟，席国军,2

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.陕西彬长胡家河矿业有限公司 生产工程部，陕西 咸阳 710065)

圆筒煤仓仓下部分瓦斯分布规律研究

王兵建1，张亚伟1，席国军1,2

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.陕西彬长胡家河矿业有限公司 生产工程部，陕西 咸阳 710065)

为掌握长平煤矿选煤厂圆筒煤仓仓下部分瓦斯分布规律，了解其主要影响因素，依据质量、动量、组分守恒定律建立数学模型，采用Fluent软件对其进行模拟分析。研究表明：由于内砼檐结构的影响，煤仓仓下通风不畅，当环境风力等级较低或冬季通风窗关闭后，仓下部分处于微风状态，瓦斯浓度普遍超过安全浓度范围，严重影响选煤厂的安全生产。该研究有利于深入认识圆筒煤仓仓下瓦斯积聚原因和分布规律，为选煤厂及时制订安全防范措施提供理论依据。

圆筒煤仓；瓦斯分布规律；Fluent模拟；内砼檐结构；风力等级

随着煤矿机械化程度的提高，矿井生产能力和运输能力大幅提升，井下煤炭运输周期大大缩短，煤体中更多的吸附瓦斯来不及释放就进入煤仓，且仓内煤炭储量大，储存时间长，下部压力大，煤中的吸附瓦斯不易释放。放煤时吸附的瓦斯随煤在出煤口处释放，往往使出口处瓦斯浓度增高，如果此时通风不畅，就会使仓下部分瓦斯积聚，遇到火源时易引发燃烧或爆炸事故[1]。瓦斯作为厂矿的环境风险源[2]越来越受人们的重视。美国矿业局组织专家研究了储煤仓瓦斯释放特性[3]，并对其危险性进行了评估，发现释放的绝大部分瓦斯滞留在煤仓煤粒间的空隙中[4]。加拿大矿业与能源技术中心也开展了煤仓瓦斯积聚的现场调查，发现原煤仓煤堆中的瓦斯浓度在1 h内可达到4%，精煤仓煤堆中的瓦斯浓度则可达20%，甚至高达40%[5]。张盼福[6]通过利用自然通风原理设计的焚风塔对屯兰矿选煤厂的瓦斯进行治理。李树军[7]针对成庄矿选煤厂提出了利用直通管的负压抽吸作用，实现依靠自然通风系统排放和控制块煤仓的瓦斯。郭雅迪等[8]利用Fluent开展了煤仓瓦斯超限治理效果的模拟研究。

山西省高平市长平煤矿选煤厂为了减少煤尘污染，将块精煤和末精煤产品均采用封闭式圆筒仓储存。近年来，由于煤矿开采深度的增加，煤层瓦斯含量不断增大，煤炭吸附的瓦斯量也在增加[9]。根据瓦斯监测系统显示，该厂煤仓仓下部分瓦斯浓度超限现象时有发生，严重影响选煤厂的安全生产。因此，需要研究瓦斯分布规律和影响其浓度超限的主要因素，以提高企业的安全生产水平。

由于受放煤口处的放煤速度、仓下结构和设备、瓦斯源释放流量、机械抽排瓦斯系统、当地季风风向和风力等级、仓下通风窗和其他通风口的数量及其位置和尺寸等的影响，煤仓仓下部分瓦斯流场分布比较复杂。建立煤仓仓下部分空气与瓦斯混合流动的数学模型，借助Fluent软件对其积聚原因和分布规律进行研究，为确定瓦斯防治方案提供理论依据。

1 数学模型的建立

长平煤矿选煤厂圆筒仓按其内部空间结构可分为仓上、仓中、仓下三部分(图1)，仓上设有给煤刮板机，外接运煤皮带；仓中部分是储煤的主要场所，也是瓦斯和粉尘产生的主要场所；仓下设有给煤机，直接连接产品外运皮带。

图1 圆筒仓外观和结构示意图

1.1 建模依据与条件

煤仓仓下部分气体的流动状态为湍流，为简化数学模型，忽略对仓下部分流场影响较小的次要因素，为此做如下假设：①仓下部分的空气和瓦斯为粘性不可压缩流体；②太阳辐射、煤流温度、仓下照明设备及机械设备等与仓下气流的热交换对流场分布影响很小；③空气和瓦斯在仓下流动过程中，不发生化学反应，混合气体的密度根据内部气体所占体积百分比进行加权计算。

在此条件下，空气和瓦斯在仓下的流动遵循连续性、动量守恒、组分守恒定律，结合湍流k方程和ε方程，建立空气和瓦斯流动的控制方程组[10-11]。

式中：ρ为气体密度，kg/m3；ui为i方向上的速度分量，m/s；xi为三维空间中i方向上的长度，m。

式中：xj为三维空间中j方向上的长度，m；uj为j方向上的速度分量，m/s；p为气流微元上的压力，Pa；τij(i≠j)为因分子作用产生并作用于气体微元的切向应力，Pa；gi为i方向上的重力体积力，Pa；u为作用于流体单元的动力粘度，Pa·s；δij为常量矩阵。

式中：CA为组分A的浓度；DAB为组分A与B之间的扩散系数。

式中：k为湍流动能，m2/s2；μt为湍流粘性系数，kg/(m·s)；cμ为常数，取0.09；ε为湍流动能耗散率，m2/s3。

式中:σk、σε为脉动动能和脉动动能耗散率的Prandtl数，分别取1.0、1.3；C1、C2为常量，分别取1.44、1.92。

1.2 煤仓仓下部分结构的物理参数

根据末精煤仓的实际尺寸和现场生产条件，建立末精煤仓仓下部分的物理几何模型，如图2所示。煤仓仓下部分高度为17.5 m，直径为22 m，共有四个通风窗，均沿煤仓仓壁均匀分布；给煤机放煤口距地面高度为3 m，通风窗距地面高度为1.2 m，通风窗窗口几何尺寸为1.5 m×2.1 m。根据几何模型尺寸划分网格，网格单元约有900 000个。

1—厢式走廊；2—通风窗；3—门；4—放煤设备；5—放煤漏斗；6—预留风机口；7—仓中储煤部分；8—内砼檐

1.3 边界条件

(1)壁面条件。煤仓仓下各墙壁面均为等温无滑移壁面，假设仓下门关闭时密闭性很好，不存在漏风情况。

(2)放煤口瓦斯流量与浓度。从放煤口处进入煤仓仓下部分的瓦斯流量取决于仓内煤堆孔隙率、放煤口放煤有效截面积、煤流流量、瓦斯浓度。按照文献[5]计算方法，该末精煤仓仓内瓦斯浓度已达到12%，煤流平均流量约为1 000 t/h，瓦斯流量约为0.019 m3/s。

(3)通风窗入口风速与环境风力等级。根据2013年高平市风力等级统计结果，该地区风力等级小于3级(<3.4 m/s)的百分比为90.68%。由于缺乏更详细的平均风速资料，重点分析冬季恶劣条件下，风窗关闭后仓下处于微风状态时的瓦斯流场分布情况。为此，假设通风窗入口风速与环境风速一致，并按照等流量原则计算出等效风速值，将其作为边界条件。

2 数值模拟结果与分析

2.1 仓下部分风流速度与瓦斯流场的影响

按照相关条件设置有关参数，采用Fluent软件对仓下部分风流速度和瓦斯流场进行模拟分析，结果如图3所示。

图3 仓下部分速度矢量和瓦斯分布图(z=1.2 m)

由图3可知：由于内砼檐结构的影响，仓下进风窗的入风沿着内砼檐流动，与皮带走廊的进风相互影响，使风流较快地流向出风窗，导致内砼檐内风流速度较小，难以有效稀释仓下瓦斯。内砼檐内的瓦斯浓度在5%以上，内砼檐外下风侧的瓦斯浓度也相对较高(在1.5%～4.5%)，说明内砼檐结构是导致仓下部分通风不畅和影响瓦斯分布的主要因素之一。

2.2 仓下通风量的影响

仓下通风量受通风窗数量和单通风窗风量的影响，当放煤口煤流量和瓦斯涌出浓度一定时，通风窗风量直接影响煤仓仓下部分瓦斯浓度的分布，而通风窗风量取决于通风窗开放面积和风速大小。北方冬季温度较低，为防止精煤冻结[12]，常常需要将精煤仓通风窗关闭，导致仓内空气流通不畅。假设此时通风窗仍存在部分漏风，考察不同环境风力等级(0～3级)条件下的仓下部分瓦斯分布。建立通风窗风量与监测点瓦斯浓度之间的对应关系，按照等流量原则计算等效漏风风量值，0～3级环境风力对应的通风窗漏风风量值为0.000 22、0.014 87、0.037 07、0.051 06 m3/s。

在中间两个放煤口形成的上隅角内建立监测点，坐标位置为(0,0,5)，略高于现场瓦斯检测仪悬挂位置。风窗密封严实时的通风窗风流速度接近于0，此时仓下大部分区域的瓦斯浓度在6.5%以上，监测点处的瓦斯浓度在7.5%以上(图4)。只有在风力等级大于3级时，监测点处的瓦斯浓度才处于安全浓度范围内，说明冬季关闭风窗会导致仓下部分通风不畅，瓦斯浓度升高。这也是影响仓下部分瓦斯分布的主要因素之一。

图4 风窗风量与监测点瓦斯浓度关系

3 结论

利用数值模拟手段研究长平煤矿选煤厂圆筒煤仓仓下部分瓦斯分布规律和影响因素发现：

(1)由于圆筒仓内砼檐结构的影响，仓下进风窗的入风与皮带走廊的进风相互影响，使风流较快地流向出风窗，难以有效稀释仓下瓦斯浓度，说明内砼檐结构是影响瓦斯分布的主要因素之一。

(2)通风窗风量直接影响煤仓仓下部分瓦斯浓度分布，当环境风力等级较低或冬季通风窗关闭后仓下处于微风状态时，瓦斯浓度普遍较高，严重影响安全生产。

(3)圆筒仓的内砼檐结构和风量是造成瓦斯浓度较高的两个主要因素，防止煤仓仓下部分瓦斯灾害应从这两方面考虑。

[1] 赵世铎,李霄尖,王聪利,等.浅谈加强洗煤厂煤仓的瓦斯治理[J]. 矿业安全与环保,2001,28(1):33-34.

[2] 谢 娟，康静文. 煤矿环境风险源的识别探析[J]. 矿业安全与环保,2013,40(6):111-113.

[3] J E Matta, J C LaScola, Fred N Kissell. Methane emissions from gassy coals in storage silos[R]. USA: Bureau of Mines, 1978.

[4] John C LaScola, Joseph E Matta, Fred N Kissell. Assessing the methane hazard of gassy coals in storage silos[R]. USA:Bureau of Mines,1981

[5] Kolada R J. Investigations Into Methane Accumulation In Coal Storage Silos[R]. Canada Littleton, CO: Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. 1985

[6] 张盼福,吕爱平. 屯兰矿选煤厂瓦斯治理的实践[J]. 选煤技术，2009(3):60-64.

[7] 李树军. 依靠自然通风治理地面煤仓瓦斯[J]. 山西焦煤科技，2011(11):21-25.

[8] 郭雅迪,张人伟,刘曰帅,等. 基于FLUENT模拟的选煤厂煤仓瓦斯超限治理研究[J]. 安全与环境工程,2014(3):148-153.

[9] 尹传理,李化敏. 我国煤矿深部开采问题探讨[J]. 煤矿设计,1998(8):7-11.

[10] 陶文铨. 计算流体力学与传热学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1991.

[11] 温 正，任毅如. FLUENT流体计算应用教程[M]. 北京:清华大学出版社,2009.

[12] 冯 杰，刘杰修，陈 杰. 洗煤厂精煤仓瓦斯燃烧浅析[J]. 煤矿安全，2006(3):52-53.

Research on the law of methane distribution in reclaiming area of silo in coal preparation plant

WANG Bing-jian1, ZHANG Ya-wei1, XI Guo-jun1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003, China;2.Production Engineering Department, Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Co Ltd,Xianyang, Shaanxi 710065, China )

To grasp methane distribution in reclaiming area of silo in Changping mine coal preparation plant and its influence factors, a mathematical model was built according to the laws of mass, momentum and component conservation, and Fluent was used to simulate and analyze methane distribution. The result indicates that methane concentration is more than safety limit due to interior concrete eaves, when air velocity is low, or windows are closed in winter, which affects seriously normal safe production. The research result is helpful for coal enterprises to know the reason and law of methane accumulation in reclaiming area coal silo in the preparation plant, and to support to draw up safety and protection system basically in time.

coal silo；law of methane distribution; Fluent simulation；interior concrete eaves; wind scale

1001-3571(2015)01-0001-04

TD948.8；TD724

A

2015-01-17

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.001

王兵建(1978—)，男，河南省周口市人，副教授，博士，从事煤矿“一通三防”及地面煤仓瓦斯灾害机理与防治方面的研究与教学工作。

E-mail：wangbj@hpu.edu.cn Tel：18603914490