掘进工作面局部通风参数对瓦斯分布影响研究

贾 静，顾 亮，刘宇轩(.华北理工大学，河北 唐山 060；.开滦(集团)有限责任公司东欢坨矿业分公司，河北 唐山 06000；.河北工程大学，河北 邯郸 05608)

煤矿瓦斯事故发生极易造成人员伤亡和财产损失，严重影响矿井安全生产，其中掘进工作面尤为严重，需要对掘进工作面的瓦斯运移分布规律以及通风参数优化做深入研究，以便采取有效措施减少瓦斯事故的发生[1-5]。目前掘进工作面广泛采用压入式局部通风方式，风流从风筒出口射出后，受独头巷道局限空间的限制和风流的连续性影响，会出现与射流方向相反的流动[6-11]。研究瓦斯气体运移分布规律，对于瓦斯灾害防治、降低事故损失具有重要意义。

国内外学者对矿井瓦斯灾害进行了大量研究，高建良等[12]研究不同瓦斯涌出量工作面风流和瓦斯浓度分布，结果表明，随着瓦斯涌出量的增大和风速的降低，瓦斯对流场的影响越明显。周爱桃等[13]通过实验手段研究了突出后冲击波及高瓦斯气体运移规律。杨涛等[14]基于有限体积法的C-N格式离散方法，编制程序并对移动掘进工作面巷道周围瓦斯压力分布、煤体透气性变化及瓦斯涌出速率变化情况等进行了数值模拟。孙晓元等[15]、高建良等[16]、代江娇等[17]分别对掘进巷道风筒参数对于瓦斯运移进行了数值优化模拟实验。美国学者KONDURI[18]模拟了采用辅助通风设备的独头巷道风流流动情况，与利用实验方法的结论进行比较，发现模拟结果与实验结论基本相同。日本学者TOMITA[19]对掘进工作面瓦斯涌出做相似模拟实验，测得瓦斯的浓度分布，同时得到风筒出口的位置对风流流场的影响比较大。

掘进工作面地质构造复杂，瓦斯涌出不均匀，局部通风要求更为严格。本文针对唐山某矿掘进工作面生产现状：瓦斯涌出量为0～1.5 m3/min、2台局扇供风量分别为5.9 m3/s、11.2 m3/s，利用Fluent软件模拟研究不同条件下瓦斯分布情况，得出不同风筒布置情况下瓦斯浓度分布以及通风参数最优方案，为掘进工作面瓦斯异常涌出时期局部通风提供技术支撑。

1 模型建立

1.1 巷道风流控制微分方程

矿井巷道风流遵循流体流动基本守恒定律，同时巷道内气体的流动遵循组分守恒定律，各守恒定律建立控制方程如下所述[20]。

质量守恒方程见式(1)。

(1)

动量守恒方程见式(2)～式(4)。

(2)

(3)

(4)

组分质量守恒方程见式(5)。

(5)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；u为速度矢量，m/s；u、v、w为u在x方向、y方向、z方向上的分量，m/s；μ为流体动力黏度，Pa·s；p为流体微元体上的压力，Pa；Su、Sv、Sw为广义源项，kg/(m3·s)；cs为组分s的体积浓度，ppm；ρcs为组分的质量浓度，mg/m3；Ds为组分扩散系数，m2/s；Ss为组分生产率，kg/(m3·s)。

1.2 物理模型及边界条件

掘进工作面巷道断面尺寸为4 m×4 m，巷道长度选取50 m，通风方式选用压入式局部通风，分析风筒参数影响条件下巷道瓦斯分布情况，三维模型如图1所示。根据瓦斯涌出量大小设置瓦斯源项，两者关系公式见式(6)。

S=ρQ/Vt

(6)

式中：S为瓦斯质量源项，kg/(m3·s)；ρ为瓦斯密度，kg/m3；V为瓦斯涌出单元的体积，m3；t为时间，s。瓦斯源项设置在掘进头断面第一层网格处，用来替代掘进巷道瓦斯涌出量；风筒为速度入口，左侧为压力出口，壁面设为绝热无滑移壁面。

死刑是否真的可以满足民众的报应诉求？人死已经不能复生，即使一命抵一命，但这样真正的价值在哪儿？对于被害人及其家属而言，所受到的伤害不可能得到真正的补偿；对于罪犯而言，死亡反而是一了百了，其生前所负的债务也都一笔勾销，这就是我们执行死刑所希望得到的法律效果与社会效果吗？答案自然是否定的。既然死刑不能够达到理性的状态，我们也不必一味地要求杀人者偿命，更好的方式在于寻找死刑的可替代性措施。这种可替代性措施不仅要满足民众的报应诉求，也需要能够满足民众的安全需求。有鉴于此，我们可以对各国的可替代性措施进行考察，并从中寻找可以为我国所借鉴的经验。

2 数值模拟结果分析

利用Fluent软件模拟不同瓦斯涌出量、风筒悬挂高度和距迎头不同距离等参数条件下矿井瓦斯分布情况。

2.1 瓦斯运移分布规律

通过模拟分析风筒风量为11.2 m3/s、瓦斯涌出量为0.7 m3/min时巷道中心垂直断面瓦斯运移情况和风流稳定时(1 200 s时)巷道不同断面瓦斯分布情况，如图2所示。

由图2可以看出，初期瓦斯在巷道下方，由于风流作用，瓦斯向出口方向运移，瓦斯密度小于空气，在浮力作用向上方运移；时间为1 200 s时，巷道风流趋于稳定，瓦斯浓度也趋于稳定，稳定时由于风筒射流作用，风筒出口瓦斯浓度最低，巷道底部靠近掘进迎头位置有瓦斯的积聚，瓦斯浓度较高；可以看出风流稳定后巷道前方瓦斯分布不均匀，后方瓦斯浓度趋于均匀。

图1 巷道三维模型Fig.1 3D model of roadway

图2 巷道断面瓦斯浓度分布Fig.2 Gas concentration distribution in roadway section

不同因素对于巷道瓦斯分布的影响不同，通过模拟研究单一风筒作用下瓦斯不同涌出量、风筒悬挂高度(风筒最高位置距底板高度)和距迎头不同距离等参数条件下1 200 s内掘进迎头瓦斯浓度和巷道出口测点瓦斯浓度变化情况(图3)。利用掘进迎头瓦斯浓度和出口测点瓦斯浓度表征巷道前方瓦斯分布和回风流瓦斯浓度情况，得到风流稳定后不同条件下瓦斯分布情况，见表1～表3。

风筒风流未到达掘进迎头时，掘进迎头瓦斯浓度增大，风流到达后，瓦斯浓度骤减，随着掘进面瓦斯涌出，迎头瓦斯浓度开始增大，巷道风流稳定后，迎头瓦斯浓度趋于一个稳定值；巷道出口刚开始瓦斯浓度为0，之后瓦斯随着风流向出口方向运移，出口瓦斯浓度增大，风流稳定后瓦斯浓度趋于稳定。

瓦斯涌出量越大，巷道瓦斯浓度越大；风筒布置参数对于掘进迎头附近瓦斯分布影响较大，对于回风流瓦斯浓度影响较小，回风流瓦斯浓度受巷道供风量影响较大；风筒高度在巷道上部时，掘进迎头瓦斯浓度较低，整体瓦斯分布较为均匀；风筒在距掘进迎头距离5 m时掘进迎头附近和出口瓦斯浓度较低。

图3 不同条件下掘进迎头和出口测点瓦斯浓度分布Fig.3 Gas concentration distribution in heading face and outlet detection point under different conditions

表1 不同瓦斯涌出量条件下瓦斯浓度分布Table 1 Gas concentration distribution of differentgas emission amounts conditions

表2 不同风筒悬挂高度条件下瓦斯浓度分布Table 2 Gas concentration distribution at differentair duct hanging heights conditions

表3 不同风筒出口距离迎头距离条件下瓦斯浓度分布Table 3 Gas concentration distribution at differentduct outlet distance from head conditions

2.2 唐山某矿风筒实际布置参数研究

唐山某矿局部通风风筒直径规格为600 mm和800 mm，根据2.1部分综合比较，选取瓦斯涌出量为0.7 m3/min、风筒悬挂高度为3.8 m、距掘进迎头距离为5 m时对2种风筒直径下矿井瓦斯分布进行模拟，得到1 200 s内掘进迎头瓦斯浓度和巷道出口测点瓦斯浓度分布情况(图4)。

由于局部风机供风量有限，瓦斯涌出量较大时单台局扇无法满足矿井局部通风要求，该矿工作面配备2种规格的风机，一种风机功率为2×45 kW，供风量为11.2 m3/s，风筒直径为800 mm；另一种风机功率为2×30 kW，供风量为5.9 m3/s，风筒直径为600 mm。 选取10种工况条件下风筒布置方式，模拟分析两台局扇布置最优方案，如图5所示(其中，工况一、工况二、工况三为两种风筒布置在中间和侧壁；工况四、工况五、工况六为布置在侧边上部不同位置；工况七和工况八为风筒出风口距离迎头距离不同；工况九和工况十为布置在侧边不同高度)。

图4 风筒直径不同时瓦斯浓度分布Fig.4 Gas concentration distribution at different duct diameters

图5 不同工况风筒布置方式Fig.5 Air duct layout in different working conditions

通过模拟分析不同工况条件下，掘进巷道迎头1 200 s内瓦斯浓度分布情况，如图6所示。

风筒布置方式不同时，巷道迎头瓦斯浓度分布不均匀，可以看出，工况一条件下瓦斯浓度较高，巷道内环境也较为危险，通过分析巷道出口瓦斯浓度变化情况，得到风流稳定时10种不同工况条件下掘进迎头瓦斯浓度分别为0.341%、0.256%、0.239%、0.261%、0.236%、0.259%、0.253%、0.243%、0.255%、0.249%，由图6分析可以得出，2个风筒都布置在侧边上部，风量较大风筒布置在上方，风量较小风筒布置在下方时巷道瓦斯浓度较低，即工况五效果最好。

2.3 矿井实际通风方案

唐山某矿瓦斯涌出量不均匀，涌出量为0～1.5 m3/min，矿井使用不同规格风机时瓦斯分布情况不同。通过模拟得到供风量不同时，瓦斯涌出量与矿井出口瓦斯浓度关系，如图7所示。

风筒布置对于出口瓦斯浓度影响小，巷道回风流瓦斯浓度受风机供风量影响大，矿井瓦斯涌出量不同时所需供风量也不同；瓦斯涌出量较小时，单台风机就可保证矿井通风安全，瓦斯涌出量较大时，单台风机不能使回风流瓦斯浓度降低到0.5%以下(该矿井局部通风要求)，应增加风机对巷道供风，若最大风量仍不能保证巷道通风安全，应采取抽采等措施降低瓦斯涌出量。

图6 不同工况掘进迎头瓦斯浓度分布Fig.6 Gas concentration distribution in heading face under different working conditions

图7 不同供风时瓦斯涌出量与回风流瓦斯浓度关系Fig.7 Relationship between gas emission and gas concentration in return air flow under different air supply conditions

通过大量模拟分析确定风机以2×30 kW额定功率供风时，瓦斯涌出量为0.4 m3/min时巷道回风流瓦斯浓度为0.502%；2×45 kW功率风机以额定功率供风时，瓦斯涌出量为0.75 m3/min时，回风流瓦斯浓度为0.496%；2台风机同时供风时，瓦斯涌出量为1.13 m3/min时，回风流瓦斯浓度为0.497%。

3 结 论

本文针对唐山某矿地质构造复杂，瓦斯涌出不均匀的生产现状，利用Fluent软件模拟研究了风筒布置方案不同时瓦斯浓度分布及局部通风最优方案，为掘进工作面瓦斯异常涌出时期局部通风提供技术支撑,主要得到以下结论。

1) 瓦斯涌出后，初期聚集在巷道底部，由于浮力和风流作用，瓦斯向巷道上方和出口方向运移，风流稳定后迎头附近下方有较高浓度瓦斯积聚，后方瓦斯分布均匀。

2) 2个风筒同时布置在侧边上部且风量较大的风筒在风量较小风筒上方时巷道前方瓦斯分布浓度较低，稀释瓦斯效果较好。

3) 根据唐山某矿掘进巷道瓦斯和风量实测数据，瓦斯涌出量在0.4 m3/min以下时，可使用2种任意规格局扇，瓦斯涌出量在0.75 m3/min以下时，可单独使用2×45 kW功率局扇供风，瓦斯涌出量在0.75～1.13 m3/min时可使用2台局扇同时供风。瓦斯涌出量大于1.13 m3/min时，2台局扇无法满足矿井通风需求，应更换较大风量局扇或采取瓦斯抽采等手段，确保矿井通风安全。