掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：教育部“创新团队发展计划”项目（）作者简介：安勇（），男，辽宁盘锦人，工程师，年毕业于河北工程大学，现从事防爆电气本安类产品的技术审查和产品检验工作。引用格式：安勇，曹明亮，康建宏，等 掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟安勇，曹明亮，康建宏，韩来颖（中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 ；中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 ）摘要：掘进工作面作为煤矿井下重要的作业地点，良好的通风状况对于除尘和排瓦斯至关重要。基于粉尘与瓦斯气固两相流动理论模型，数值模拟不同风筒布置和不同风速情况下，粉尘和瓦斯在掘进巷道的时空运移规律以及最大浓度分布，定量比较不同送风参数对除尘和排瓦斯效果的影响，对局部通风机的布置和瓦斯治理具有指导意义。关键词：掘进巷道；数值模拟；粉尘分布；瓦斯分布中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：机械通风方法是防治掘进巷道煤尘和瓦斯灾害的主要手段，而巷道中的瓦斯和粉尘分布规律是评价通风效果的重要因素。因此，掌握巷道中粉尘与瓦斯在不同工况下分布规律对防治煤矿粉尘与瓦斯灾害具有重要意义。在煤矿井下粉尘与瓦斯运移方面，取得了很多有意义的研究成果。李成武等 分析了高浓瓦斯井巷运移规律及其致灾特征，建立了灾害气体一维运移扩散模型；高保彬等 运用达西定律和 方程建立了回采工作面、采空区与被保护层的二维模型，研究中远距离下保护层回采后的保护效果和瓦斯运移规律；周福宝等 建立了煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源技术，有效解决了上隅角、回风巷等地点精准定量溯源的重大工程难题，在粉碎分布规律研究方面，通过气固两相流数值模拟方法对爆破后粉尘的分布及扩散规律进行了研究；胡方坤等 建立了压入式通风条件下掘进面全尺寸巷道模型，采用非定常离散相模型解算分析了掘进面粉尘的运移规律。上述研究的建模方法从一维或者二维出发，且未将粉尘与瓦斯的分布规律与风流场耦合起来研究，尚需进一步研究。以矿井掘进巷道为研究对象，借助 数值模拟软件，基于粉尘和瓦斯的气固两相流动模型，研究在不同风筒至掘进面布置距离和不同风速下粉尘书书书 年第 期安勇，等：掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟第 卷和瓦斯浓度的三维分布规律，定量分析通风除尘和风排瓦斯效果。粉尘与瓦斯两相流动控制方程为了方便建模与计算，做如下基本假设：煤矿井下用风地点风流为湍流，流体都是粘性不可压的经典牛顿流体，流动属于非定常流动；不考虑壁面热辐射的问题，巷道内无热源，并且不考虑掘进机在流场中的影响 。粉尘与瓦斯两相流动所涉及的方程为动量守恒方程、离散相的受力平衡方程和质组分量守恒方程。瓦斯与空气混合气体流动的动量守恒方程为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，为动力黏度；为气体密度；（，）为三维风流速度场；、为动量守恒方程的广义源项。粉尘在井下流动气固两项模拟采用离散相模型，粉尘作为颗粒相，气体作为连续相。离散项受力平衡方程为：（）（）（）式中，为连续相速度；为颗粒相速度；为颗粒相密度；（）为颗粒的单位质量曳力；为质量力。瓦斯在掘进巷道的流动使用组分运输模型，质组分量守恒方程为：（）（）（）（）式中，为组分 的体积浓度；为组分 的扩散系数；为单位体积单位时间化学反应产生该组分 的质量。几何模型及参数选取 掘进工作面建模掘进工作面采用矩形巷道，巷道长 ，宽 ，高 。风筒直径为 ，距巷道边壁和顶板分别为 、。风筒入口与掘进面距离为变量，分别取、。采用 数值模拟软件，使用 进行非结构化网格剖分，风筒距掘进面 的模型和网格划分如图 所示。图 掘进工作面模型和网格划分示意 粉尘流场设置掘进工作面粉尘数值模拟风筒采用速度入口，巷道出口为自由边界。气固两项模拟采用离散相模型，粉尘在掘进面释放近壁面处的边界层采用标准壁面函数处理。模型在巷道掘进面设置了粉尘面喷射源，该密度按煤尘中间值取算，直径为 ，呈正态分布。粉尘的初始速度为 ，质量流量为 。在进出口处粉尘是可以逃脱的，即轨道运算终止；在壁面处粉尘是反射状态，颗粒又由反弹系数确定出动量发生变化。瓦斯流场设置掘进工作面瓦斯数值模拟风筒采用速度入口，巷道出口为自由边界。瓦斯与空气混合采用组分运输模型，瓦斯在掘进面释放。风筒入口处空气的质量分数为 ，掘 进 面 处 甲 烷 的 质 量 分 数 为 ，均采用速度入口，在掘进面的瓦斯释放量为 。结果与讨论分别模拟了风筒距掘进面 、两种风筒布置方式，每种布置方式分别选择 组入口风速为 、，一共 种工况，研究 、轴向的粉尘和瓦斯的分布规律。掘进工作面粉尘浓度的变化规律 风筒距掘进面 时风速对粉尘浓度分布的影响风筒距掘进面时风速对粉尘分布的影响如图 图 所示。由图 可以看出，在不同风速下，粉尘沿程浓度的趋势是相同的。由于粉尘在掘进面释放，风筒出风口至掘进面的射流体内粉尘浓度基本为 ，粉尘在掘进面底部有堆积的情况。粉尘在中部处于完全扩散状态，浓度分布基本是均匀的。粉尘在巷道出口部分整体有减弱趋势，在巷道上部 年第 期煤炭科技第 卷粉尘变得极少，尤其是风筒靠近顶板与边壁的一侧。图 不同风速下 方向粉尘剖面 由图 可看出，在 轴方向上，近壁处粉尘浓度大、易堆积，原因是巷道边壁的边界层对风流起到阻碍作用，导致风速较小，不易排出粉尘 。由于巷道出口风筒对粉尘以及风流的遮挡，左上角处粉尘浓度几乎为 ，粉尘没能扩散开来。但是图 （）中受风筒遮挡的效果较小，是因为此时风速较大，风速优势占主导地位，粉尘在此处有浓度。图 处不同风速粉尘剖面 从图 可得，风筒出风口到掘进面处风速很大，该区域几乎没有粉尘。图 中，左上角有粉尘浓度为 的区域，是由于在出风口处风速已经衰减的很小，而且风筒遮挡，粉尘在此没有扩散。图 （风筒中心）不同风速粉尘剖面 （）图 是不同风速条件下粉尘沿程浓度，可以看出在掘进面处粉尘堆积情况非常明显，是巷道平均粉尘浓度的 倍左右，但是粉尘下降的浓度很快，在距掘进面处基本进入平缓下降的阶段。在巷道中心位置粉尘浓度较为平稳，属于充分混合状态，风速由大到小粉尘巷道平均浓度分别为 、。在距出风口 处三者又呈现不同状态。风速为 时，粉尘浓度没有明显下降趋势，与巷道中间位置保持一致的状态。而风速为 、时，在出口处有下降趋势，原因是由于风速小导致粉尘在巷道内滞留状况明显；风速大时，使得粉尘在所有位置浓度相近。当风筒距掘进面 时，粉尘浓度与风速大小呈负相关关系。在风筒出风口处粉尘浓度最小，在巷道出口上角，被风筒遮挡处粉尘浓度也较小。在掘进面底端粉尘浓度最大，甚至大于粉尘源释放的质量流量，相当于粉尘在此堆积。图 不同风速条件下粉尘沿程浓度 年第 期安勇，等：掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟第 卷 风筒距掘进面 时风速对粉尘浓度分布的影响当风筒距掘进面 布置时，风筒距掘进面距离较远，不仅出现粉尘在掘进面底部堆积的情况，而且在掘进面上部的粉尘没有明显被吹走的现象，如图 所示。在风筒出风口至掘进面，扩张段粉尘浓度基本为零，收缩段风速减小，粉尘浓度逐渐增大。在巷道中部，粉尘基本处于完全扩散状态，底部看出有粉尘沉积情况。粉尘在巷道出口部分没有明显减弱趋势，与中部分布情况相似。图 轴粉尘浓度剖面 在 轴上不同风速下不同位置粉尘分布规律如图 所示。可以看出，靠近风筒侧壁面粉尘附着现象严重，绿色区域粉尘浓度达到 ，高于巷道中心的 。在风筒截面处，能够看出回流段风流从巷道掘进面吹出粉尘，由于风速不同，排尘效果也不一样。风速为 时，高浓度粉尘堆积较少。在巷道中心处，粉尘处于充分混合状态，除掘进面与底板外，粉尘浓度相差不多，在图中较难定量分辨。风筒距掘进面 时不同风速粉尘沿程浓度如图 所示。综合比较图 和图 可知，风筒距掘进面时，掘进面处是粉尘浓度最大的地方，不同风速最大值差别较大；风速由大到小，粉尘浓度最大值分别是平均值的 、倍。风筒距掘进面 时，掘进面粉尘最大浓度是风筒距掘进面 时的 倍左右。风筒距掘进面 时，距离掘进面 处粉尘已经下降到粉尘平稳波动状态。整体上风筒距掘进面 ，在沿程粉尘浓度低于风筒距掘进面 时的情况。可以看出，（风筒入口处）粉尘浓度平均较小，而 （出口处）粉尘略有回升。图 （风筒中心）不同风速粉尘浓度剖面 （）图 不同风速粉尘沿程浓度 掘进工作面瓦斯浓度的变化规律 风筒距掘进面 时风速对瓦斯浓度分布的影响风筒中心剖面（）处瓦斯浓度分布等值线如图 所示。掘进面瓦斯释放源处浓度最高，在风筒出风口处浓度最低，且向外瓦斯浓度逐渐降低。可以看出，风速 、数据反常，风速大瓦斯浓度反而高，这是由于风流在出风口处发生了逆转，瓦斯与空气耦合场性质造成的 。风速 下 轴剖面瓦斯分布等值线如图 年第 期煤炭科技第 卷所示。释放源处浓度接近 ，出口处浓度在低到 。在进气口处瓦斯浓度最低，在到释放源处浓度逐级递增，在巷道中心达到基本混合状态。由于瓦斯密度较低，出现了明显的分层现象。上方瓦斯浓度高，下方瓦斯浓度低。因此，与风速 、相比，风速 为布置风筒的最佳方案。图 风筒距掘进面 不同风速 轴剖面瓦斯浓度分布等值线 图 风筒距掘进面 风速 下 轴剖面瓦斯浓度分布等值线 风筒距掘进面 时风速对瓦斯浓度分布的影响对于风筒距掘进面 的情况，由 图中可以看出，瓦斯分层状况明显。掘进面瓦斯释放源处浓度最高达 ，在风筒出风口处浓度可降至 。风筒出风口到掘进面瓦斯浓度逐渐升高，风筒风速射流向下瓦斯浓度应当逐渐升高。可是入口风速 、数据反常，风速大时出口瓦斯浓度反而高，同样是因为风流在出口处方向逆转。图 风筒距掘进面 不同风速 轴剖面瓦斯浓度分布等值线 由图 可以看出，风筒距掘进面 、风速 时，瓦斯浓度最小处出现在风筒出风口附近。巷道底板瓦斯浓度明显小于上部瓦斯浓度，由掘进面瓦斯释放源到出风口处瓦斯浓度分层逐渐减低。因此，与风速 和 相比，风速为 是最佳选择。图 风筒距掘进面 风速 下 轴剖面瓦斯浓度分布等值线 结论数值模拟了 种工况下掘进工作面流场以及粉 年第 期安勇，等：掘进巷道粉尘与瓦斯两相流动三维数值模拟第 卷尘和瓦斯浓度分布规律，定量比较了不同风速下除尘和排瓦斯的效果。（）粉尘易在在底板堆积，尤其是释放源下方和风流下风处，从掘进面到出口呈平稳波动状况。风筒距掘进面时掘进面粉尘最大浓度是风筒距掘进面 时的倍左右。整体上，风筒距掘进面 时沿程粉尘浓度低于风筒距掘进面 时的粉尘浓度。（）瓦斯易在顶板处易聚集，整体呈明显分层，掘进面上方瓦斯浓度最大。入口风速较大时，掘进面内压力低，外部压力大，空气与瓦斯被卷吸进去，导致出口处风流回流，瓦斯回流不易排出。参考文献（）：李成武，付帅，崔永国，等 高浓瓦斯井巷运移规律及致灾时空特征研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：高保彬，李回贵，王晓蕾 下保护层开采保护效果与瓦斯运移规律 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：周福宝，刘宏，刘应科，等 煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理与技术 煤炭科学技术，（）：，（）：廖贤鑫，蒋仲安，牛伟，等 采场爆破粉尘运移规律的 数值模拟 安全与环境学报，（）：，（）：蒋宜宸，金龙哲，王天眑 梅山铁矿采场爆破粉尘运移规律数值模拟研究 矿业研究与开发，（）：，（）：任国辉 复杂条件下长大斜井隧道爆破期粉尘运移及除尘技术研究 青岛：山东科技大学，刘琦，孙亮 长距离掘进巷道爆破粉尘非稳态分布规律 陕西煤炭，（）：，（）：，乔力伟 风幕通风方式下施工隧道粉尘浓度场相似模化实验与数值模拟 成都：西南交通大学，马红柯 会宝岭铁矿采场爆破粉尘浓度分布及运移规律模拟研究 淮南：安徽理工大学，蒋仲安，陈梅岭，陈举师 巷道型采场爆破粉尘质量浓度分布及变化规律的数值模拟 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