煤与瓦斯突出气体逆流影响模式研究*

高布桐，韦善阳，曲日红，张 林，张 勇，黄 聪

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025)

0 引言

煤炭工业是我国国民经济的基础产业，在今后较长的时期内，我国以煤为主的能源安全基本战略不会发生改变。我国煤与瓦斯突出等灾害严重，比如贵州90%以上的大中型煤矿为煤与瓦斯突出矿井，严重制约了煤炭工业可持续安全发展[1]。从大量的煤与瓦斯突出事故案例中得知，煤与瓦斯突出灾害事故会破坏井下通风系统，造成突出的高浓度瓦斯逆流运移，并在主要通风机负压的作用下沿井下巷道大面积运移扩散，从而酿成重大、特别重大事故[2]。

近百年来，许多学者致力于矿井瓦斯防治与利用的研究，尤其在瓦斯涌出预测和机理方面的系统研究已获显著成果，对于突出机理提出了几十种假说，对煤层内瓦斯气体的运移从不同角度在试验室和井下工作面进行探索研究，对瓦斯抽放的研究日渐深入，采用理论模型、试验研究、数值模拟等手段，在煤岩层内的瓦斯流动、运移、放散规律方面取得了许多成果[3-5]。随着数值模拟等技术应用于煤矿领域，在实现数字化矿山目标的过程中，不少学者使用数值模拟方法研究矿井通风和瓦斯气体运移，取得了一定的成果，但由于小范围的突出瓦斯气体逆流现象在监测上存在一定难度，且由于瓦斯逆流本身并不属于矿井动力灾害，多数煤矿对于此现象的监测重视性还不够，对于其逆流运移过程的研究还不是很多。

鉴于前人对瓦斯逆流影响因素缺乏系统性研究，且研究结果尚未考虑到实际工程应用中。本文根据已有成果，用数值模拟探究风速对瓦斯逆流的影响[6]，在此基础上，采用理论分析、相似试验、数值模拟和案例验证的方法，研究煤与瓦斯突出气体逆流影响模式，研究结果可为预防瓦斯爆炸、窒息等二次灾害事故的发生提供理论帮助。

1 理论分析

1.1 基础理论方程

1.1.1 连续性方程

以文献[7]为基础，假设气体为理想流体，整个气体运移过程中视为连续流。将气体运移过程中的巷道压力视为无变化。忽略密度变化，得式(1)：

(1)

式中：vx，vy，vz为x，y，z方向上气体流速，m/s。

1.1.2 能量方程

为方便计算，忽略气体运移阻力，假设作用在气体上的力只有重力，即X=0，Y=0，Z=-g，得式(2)：

(2)

式中：PA为气体压力，Pa；g为重力加速度，m/s2；ρ为气体密度，g/m3。

1.1.3 组分质量守恒方程

本文研究的巷道中流体组分为甲烷—空气，这里可单独列出瓦斯的组分质量方程[7]。忽略密度的变化，令ρ=KM，则有式(3)：

(3)

式中：CM为组分M的体积浓度，%；DM为组分M的扩散系数；SM为组分M的生产率。

1.2 突出后瓦斯气体扩散运移规律

巷道中发生瓦斯突出后气体的流动形态属于紊流，气体在紊流作用下会发生扩散和弥散，本文分为只考虑扩散作用、考虑扩散和弥散作用2种情况进行研究。

1.2.1 忽略弥散作用仅考虑扩散作用的气体浓度变化规律

对于不可压缩流体，在扩散过程中瓦斯的总体积变化较小可忽略，瓦斯浓度随时间变化。在一维流动的流场中取任意一微元，沿x轴方向流入流场内的瓦斯气体流量如式(4)：

(4)

同理得沿x轴方向流出流场内的瓦斯气体流量如式(5)：

(5)

则瓦斯气体变化量如式(6)：

(6)

式中：δW为任意时间段内瓦斯气体流量的变化量；C为瓦斯平均体积浓度，%；v为流场内平均风速，m/s；Dm为瓦斯运移过程中的分子扩散系数；Dt为紊流扩散系数。

忽略瓦斯气体受物理化学作用引起的改变，由质量守恒定律推导得瓦斯气体一维流动扩散规律如式(7)：

(7)

根据文献[8]，通常情况下Dt>>Dm，因此，计算时忽略Dm，根据菲克第二定律对式(7)积分得瓦斯气体在第n个小区域时的一维浓度分布规律如式(8)：

(8)

式中：Q为瓦斯气体生成量，m3；x0为该点据瓦斯涌出点的距离，m；tm为瓦斯气体首次到达该区域的时间，s。

1.2.2 考虑弥散作用的气体浓度变化规律

根据式(8)，当考虑气体在巷道中的弥散作用时，瓦斯一维流动的浓度分布规律如式(9)：

(9)

式中：D为混合系数，即紊流弥散系数、紊流扩散系数和分子扩散系数之和。根据文献[9-10]，从数值方面考虑，在计算时可仅考虑紊流弥散系数。

根据李恩良[11]提出的作图法得紊流弥散系数如式(10)：

(10)

式中：DL为紊流弥散系数；tA,tB为取任意浓度为平行于t轴的直线与文献[11]所作曲线的交点对应的时刻，s。

则考虑弥散作用时瓦斯浓度分布规律如式(11)：

(11)

1.2.3 2种方法对比

引用文献[12]对考虑弥散作用和仅考虑扩散作用2种情况下瓦斯浓度变化规律进行对比，如图1所示。

图1 有、无弥散作用影响2种情况下瓦斯浓度变化规律

由图1可以看出，有、无弥散作用时瓦斯浓度随时间的变化规律趋势一致，迅速上升至峰值后缓慢下降趋于平稳。为方便计算本文仅考虑扩散作用。

2 相似试验

2.1 试验原理

根据相似理论建立模拟巷道模型，具体取值如下。

1)几何相似参数：所选巷道原型为尺寸3 m×3 m×180 m的一段水平贯通巷道，取几何相似比λL=30，θ0=0，建立试验模型尺寸为0.1 m×0.1 m×6 m。

2)运动相似参数：根据规定煤矿井下巷道允许风速区间为0.15～4 m/s。取气体速度比值λv=1，加速度比值λa=1，流量比值λq=λvλL2=900。

3)动力相似参数：巷道内的风流状态均为湍流，根据尼古拉兹 “自模化状态”，建立相似试验的模型时不要求与原巷道模型雷诺数一致[13]。

2.2 试验内容及方案

2.2.1 试验内容

为避免危险，在试验时以少量黑火药爆炸瞬间产生的大量氮氧化物气体模拟瓦斯突出瞬间大量涌出的高浓度瓦斯气体。满足相似原理时，氮氧化物气体在巷道中运移规律与瓦斯相似[13]。模拟掘进工作面发生瓦斯突出，通过改变试验样品量和风速，研究瓦斯突出后气体在通风状态下的运移扩散规律以及不同因素对气体运移过程和浓度变化的影响。试验模型为亚克力板搭建的一段水平贯通巷道，主要试验设备为130FLJ5型离心式风机、风速测试仪、浓度传感器、压力传感器和ZDKT-1型煤岩动力灾害试验模拟系统，组成试验系统如图2所示。放入不同量的黑火药，使用风机进行压入式通风，在距离黑火药爆炸0.35，1.55，2.75，3.95 m处布置监测点。

图2 试验系统示意

2.2.2 试验方案

1)气体运移扩散规律试验

取0.1 g样品，在风速1.0 m/s时研究气体在通风状态下的运移扩散规律。

2)相关因素影响效应的对照试验

引用文献[14]试验数据与本文形成2组对照试验。

①同一时刻，固定风速，气体量不同，具体参数见表1。

表1 相同风速下不同试验样品量参数

②同一时刻，气体量相同，风速不同，具体参数见表2。

表2 相同试验样品量下不同风速参数

2.3 结果分析

2.3.1 气体扩散规律

利用Origin拟合工具，对选取0.1 g样品爆炸后气体在0.35，3.95 m处的浓度变化数据与前文公式(11)进行拟合，如图3所示。

图3 0.1 g黑火药爆炸产生气体浓度变化的拟合曲线

由图3可知，各曲线拟合效果良好，说明拟合具有实际意义，达到了前文扩散模型和相似试验的双向验证。从变化趋势看，爆炸后气体浓度先上升后下降，且上升速度大于下降速度。气体在运移过程中气体量逐渐减小，距离越远，气体初至时间越长，浓度越小。随距离增加，气体浓度峰值逐渐减小，且减小速率随距离增加逐渐变缓。

2.3.2 相关因素影响效应的对照试验

1)同时刻，风速1.0 m/s时，不同样品量(0.02，0.08，0.2 g)在0.35，3.95 m处气体浓度如图4所示。

图4 风速1 m/s时不同样品量的气体浓度对比

从图4可看出，风速、时刻和测点位置相同时，气体量越大，气体浓度越高。随时间推移，气体浓度均下降且速度减缓。

2)同时刻，0.08 g样品在不同风速下(0.8，1.0，1.2 m/s)的气体运移情况如图5所示。

图5 0.08 g黑火药不同风速气体浓度对比

从图5可看出，随时间推移，气体在通风状态下运移时浓度逐渐降低，其他条件一致，风速越大，气体浓度降低速率越快，降幅越大。当巷道模型中气体流动稳定后，风速越大，气体浓度越小。

由对照试验可知：瓦斯涌出量和风速影响突出后气体逆流运移过程。其他条件一定，瓦斯涌出量越大，巷道内瓦斯浓度越高，浓度下降速率越慢；风速越大浓度变化幅值越大，降低速率越快，在同一时刻的浓度越小。

3 数值模拟

利用Fluent软件模拟不同风速、瓦斯涌出量下瓦斯突出后气体逆流过程，观察其影响模式。

3.1 模型建立及网格划分

按前文相似试验系统的巷道模型尺寸1∶1比例建立瓦斯突出后气体逆流运移的几何模型。利用Fluent Meshing软件对该模型进行非结构化网格划分，经检验网格质量良好，可进行后续计算。

以风筒代替试验系统中的局部风机，采用压入式通风，构建1个凸台作为瓦斯突出口，瓦斯从左至右进入，空气从右至左进入。在模型中z=50 mm处布置1条监测线，监测线上x=0.35，1.55，2.75，3.95 m处布置4个监测点，简化后的几何模型二维示意如图6所示。

图6 简化后几何模型示意

3.2 参数设置

选择标准k-ε湍流模型，CH4-空气组分运输模型。进风口和瓦斯突出口均选择Velocity-Inlet作为入口边界，出口边界选择Outflow，巷道内初始流体为Air，初始温度293.15 K，初始压强93.25 kPa。

3.3 不同风速对逆流的影响

设置瓦斯喷出速度为10 m/s，喷出时间固定为0.1 s，模拟瓦斯在风速2，5，8 m/s时逆流过程及瓦斯浓度变化情况。

3.3.1 风速为2 m/s

如图7所示，巷道发生瓦斯突出后迅速聚集形成瓦斯团，在通风状态下向风流反方向运移，瓦斯影响范围逐渐变大，浓度范围也逐渐减小，说明瓦斯逆流运移时会发生扩散。

图7 风速为2 m/s时不同时刻的瓦斯浓度分布

监测线和监测点上不同时刻的瓦斯浓度曲线如图8～9所示。

图8 监测线上不同时刻的瓦斯浓度

图9 各监测点瓦斯浓度随时间变化

从图8～9可看出，随瓦斯逆流距离增大，瓦斯的初至时间也增长，上升至峰值浓度的时间也越来越长，而气体浓度的变化幅度逐渐减小。各时刻瓦斯浓度先上升后下降，且上升速度远高于下降速度。随时间增大，瓦斯浓度峰值也逐渐减小，符合试验结果。

3.3.2 风速为5，8 m/s

风速为5，8 m/s时，不同时刻的瓦斯浓度分布云图如图10所示。

图10 风速为5,8 m/s时不同时刻的瓦斯浓度分布

3.3.3 对比分析

根据前文模拟结果，风速对瓦斯逆流的运移过程、速度及浓度变化情况均会产生影响。由图7，10可看出，风速越大，瓦斯逆流时的聚集效果越明显，说明增大风速可以抑制瓦斯扩散，缩小致灾范围。对比同一时刻(t=5 s)3种风速下瓦斯运移情况如图11，可看出，风速8 m/s时，瓦斯团主体部分已经运移至3.5 m处，而在风速2 m/s时瓦斯整体部分运移的最远距离在1.5 m处，由此说明，风速越大，瓦斯逆流速度越快。

图11 t=5 s时3种风速下的瓦斯浓度曲线

对比不同风速下同一测点和同一时间的瓦斯峰值浓度变化如图12～13，可看出，其他条件一定，风速越大，同一位置或同一时间的瓦斯浓度峰值越小，瓦斯降至安全浓度的时间就越短。

图12 不同风速同一测点瓦斯浓度峰值变化曲线

图13 不同风速同一时间瓦斯浓度峰值变化曲线

3.4 不同瓦斯涌出量对瓦斯逆流的影响

设置风速2 m/s，瓦斯喷出速度10 m/s，利用瓦斯喷出时间的长短来控制瓦斯涌出量的大小，模拟瓦斯喷出时间在0.5，1.0 s时逆流运移的过程及瓦斯浓度的变化情况如图14，并与上一节瓦斯喷出0.1 s时对比。

图14 瓦斯喷出时间为0.5,1.0 s时不同时刻的瓦斯浓度分布

对比图7和图14可知，瓦斯喷出0.1 s时气体在60 s时即将运移出巷道，而瓦斯喷出1 s时气体运移到同一位置需140 s，由此说明，当风速不变时，瓦斯涌出量越大，瓦斯逆流速度越慢，持续时间越长。

对比不同瓦斯涌出量在0.35，3.95 m处气体浓度如图15所示。

图15 不同瓦斯涌出量在不同测点的浓度变化

由图15可知，从时间上看，瓦斯涌出量越大，其在巷道内逆流运移时在同一测点时的初至时间越短，浓度上升至峰值的时间越短；从浓度变化来看，瓦斯涌出量越大，气体浓度峰值越大，变化幅度也越大，对比3种瓦斯涌出量的浓度曲线斜率可看出，瓦斯涌出量大时气体浓度上升速度较快，而下降速度较慢。

4 案例验证

查阅相关事故案例资料，对上述试验和模拟结果进行验证，增强其结论可靠性。

4.1 群力煤矿“11·8”特别重大煤与瓦斯突出事故

群力煤矿“11·8”特别重大煤与瓦斯突出事故[15]是瓦斯逆流引发爆炸的典型案例，瓦斯逆流波及到了整个矿井，矿井各处的瓦斯浓度变化具体情况见表3。

表3 矿井各处瓦斯浓度变化情况

结合表3和文献[15]可以看出，瓦斯逆流距离随瓦斯涌出量的增大而增大。随着时间推移，瓦斯浓度先迅速上升后逐渐缓慢降至原浓度，这一变化符合瓦斯逆流运移规律的试验和数值模拟结果。

4.2 新兴煤矿“11·21”特别重大瓦斯爆炸事故

对新兴煤矿“11·21”特别重大瓦斯爆炸事故[16]发生瓦斯逆流后的具体情况统计见表4。

表4 新兴煤矿逆流具体参数统计

从表4可看出，发生逆流时巷道内的风量越大，瓦斯逆流速度越快，且随时间推移发生扩散。瓦斯逆流可以在巷道中持续一段时间，瓦斯逆流距离随瓦斯涌出量的增大而增大，距离越远，波及范围越广。验证了上述试验与模拟的准确性。

4.3 案例总结

据统计，群力煤矿“11·8”特别重大煤与瓦斯突出事故中突出瓦斯37 283 m3，逆流距离近600 m；新兴煤矿“11·21”特别重大瓦斯爆炸事故中突出瓦斯1.6×105m3，逆流距离2 000 m。由此可看出，瓦斯涌出量越大，瓦斯逆流距离越远，波及范围越广。

5 结论

1)在前人研究基础上，优化得出适用于本文研究前提的连续性方程、能量方程和组分质量方程。推导得出考虑弥散和扩散作用、仅紊流扩散作用时的瓦斯浓度分布规律。

2)通过相似试验验证前文推导的瓦斯浓度分布规律，并得出风速和气体量对瓦斯逆流运移产生影响：气体量越大，气体浓度越高，浓度下降速率越慢；风速越大，浓度变化幅值越大，降低速率越快，同一时刻的浓度越小。

3)通过数值模拟得出风速越大，瓦斯逆流速度越快，同一位置或同一时间的瓦斯浓度峰值越小；瓦斯涌出量越大，同一位置上升至峰值时间越短，且瓦斯涌出量大时气体浓度上升速度大于下降速度，符合试验结果。

4)通过对群力煤矿“11·8”特别重大煤与瓦斯突出事故和新兴煤矿“11·21”特别重大瓦斯爆炸事故的案例分析，验证试验和模拟结果的可靠性。