综采工作面瞬时涌出灾害气体弥散规律试验研究.pdf

扫码阅读下载雷柏伟,王劲博,吴兵,等.综采工作面瞬时涌出灾害气体弥散规律试验研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):1-6.LEI Baiwei,WANG Jinbo,WU Bing,et al.Experimental study on the dispersion law of disaster gas emitted instantaneously in fully mechanized mining faceJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):1-6.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.001试试试验验验研研研究究究综采工作面瞬时涌出灾害气体弥散规律试验研究雷柏伟1,2,王劲博1,吴 兵1,2,党素娜1(1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室,北京 100083)摘要:为研究综采工作面灾害气体的运移弥散规律,分析灾害气体运移过程中峰值体积分数及分布的影响因素,在综采工作面内开展示踪气体(SF6)现场试验,应用一维对流弥散模型定量分析示踪气体运移特征,使用粒子群算法(PSO)对数学模型中的巷道平均风速和纵向弥散系数进行最优参数估计。结果表明:综采工作面监测到的示踪气体呈现偏态分布,随着运移距离的增加,示踪气体分布影响区域增大;影响监测点处的示踪气体浓度曲线峰值和波形的主要因素是平均风速,其次是纵向弥散系数。对比模拟与试验测试值可以看出,使用一维对流弥散模型可以准确描述灾害气体在综采工作面内的弥散运移规律。关键词:综采工作面;示踪试验;对流弥散模型;粒子群算法中图分类号:TD711 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0001-06收稿日期:2022-05-21;2022-07-21 修订基金项目:中央基本科研业务费项目(2022YQAQ09)作者简介:雷柏伟(1987),男,山东枣庄人,工学博士,副教授,硕士研究生导师,从事矿井通风优化及应急救援方面的研究工作。E-mail:leibws 。Experimental study on the dispersion law of disaster gas emitted instantaneously in fully mechanized mining faceLEI Baiwei1,2,WANG Jinbo1,WU Bing 1,2,DANG Suna1(1.School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)Abstract:In order to study the migration and dispersion law of disaster gas in fully mechanized mining face and analyze the influencing factors of peak volume fraction and distribution of disaster gas during migration,using the method of field test of tracer gas(SF6)in fully mechanized mining face,a one-dimensional convection-dispersion model was used to quantitatively analyze the migration characteristics of tracer gas.Particle swarm optimization(PSO)was used to estimate the average wind speed and longitudinal dispersion coefficient of roadway in the mathematical model.The results show that the tracer gas in fully mechanized mining face shows a skewed distribution,and the influence area of tracer gas distribution increases with the increase of migration distance.The main influencing factor of the peak value and waveform of the tracer gas concentration curve at the monitoring point is the average wind speed,followed by the longitudinal dispersion coefficient.By comparing the simulation and test values,it can be seen that the dispersion migration law of disaster gas in fully mechanized mining face can be accurately described by using one-dimensional convection-dispersion model.Keywords:fully mechanized mining face;tracer test;convective dispersion model;particle swarm optimization 综采工作面容易发生瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等灾害1-3,研究灾害气体在综采工作面的运移弥散规律,对制订灾变控风措施具有重要意义。1第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023灾害气体在巷道内的传播过程是分子扩散、紊流扩散、随风流平移和弥散作用的综合叠加,其中弥散作用远大于分子扩散和紊流扩散的影响,因此通常仅考虑随风流平移和弥散作用4。WIDIATMOJO等5-7研究了示踪气体在全矿井中的运移特征并估算了相应纵向弥散系数;陈开岩等8对示踪气体应用于矿井风量测量进行了理论研究,排除综采工作面漏风影响有助于更准确地分析灾害气体运移弥散影响因素;徐会军等9-12采用数值模拟研究了不同通风方式下采空区流场规律;吴中立等13-15基于示踪气体恒定释放试验分析了工作面漏风状况。综上分析可知,当前针对综采工作面灾害气体运移弥散规律的试验研究较少,且对综采工作面漏风流场的定量分析以数值模拟研究为主,缺乏现场试验测试。笔者以综采工作面为研究对象,开展现场示踪气体试验测试,分析综采工作面漏风流场,通过粒子群优化算法计算对流弥散运移模型参数,验证一维对流弥散模型模拟计算灾害气体运移过程的准确性。1 数学模型灾变气体(该气体在流动过程中无衰减)在巷道内的一维对流弥散方程为:ct+ucx=Ex2cx2(1)式中:c 为灾害气体的体积分数;t 为时间,s;u 为巷道内的平均风速,m/s;x 为巷道长度,m;Ex为纵向弥散系数,m2/s。1.1 瞬时点源释放假设巷道内风量稳定不变,风流为不可压缩流体,巷道断面积为 A,当 t=0 时,在巷道 x=0 处瞬时释放体积为 V 的特征气体,则式(1)的解析解为6:c(x,t)=VA4Extexp-(x-ut)24Ext()(2)式中:A 为巷道断面积,m2;V 为瞬时释放的灾害气体体积,m3。1.2 连续点源释放在分析巷道内灾害气体云团的运移规律时,可以将灾害气体云团视为某固定位置瞬时点源的连续释放。例如,已知巷道某一位置灾害气体体积分数监测曲线 c(x1,t),假设灾害气体在断面内分布均匀,则可将体积分数曲线 c(x1,t)等间隔分割为n 份,当时间差足够短时,可视为瞬时点源的连续释放,采用积分叠加的方法将 c(x1,t)每个时刻灾害气体运移到 x2处形成的灾害气体体积分数曲线叠加,即可获得 x2处体积分数曲线 c(x2,t):c(x2,t)=-uc(x1,t1)4Ex(t2-t1)exp-(x2-x1-u(t2-t1)24Ex(t2-t1)dt(3)当已知巷道平均风速和弥散系数时,可以通过式(3)计算风流下游任意位置、任意时刻的灾害气体体积分数变化。2 试验方案2.1 试验区域概况岱庄煤矿位于山东省济宁煤田北部,核定生产能力 320 万 t/a,为低瓦斯矿井。试验工作面为32503 工作面,开采山西组 3下煤层,该工作面标高为-324-356 m,埋深-356-393 m,回采区域开采煤层平均煤厚为 3.9 m,煤层倾角 3,使用综合机械化工艺开采煤层,一次采全高。工作面采用一进、一回单“U”型通风方式,无地表漏风,进风巷有效通风断面积为15.3 m2,回风巷有效通风断面积为 13.2 m2,进、回风巷风量为 1 164 m3/min,工作面长 170 m。2.2 测试装置监测仪器采用 CSH1000 煤矿用 SF6测定器,量程为 05010-6,响应时间为 1 s,分辨率为 0.0110-6,能够实现在线监测数据实时存储;瞬时定量释放器容积为 2.5 L,最大充气压力为 1 MPa。2.3 试验步骤1)试验共设置 4 个监测点,命名为 A、B、C 和 D监测点,其中 AC 监测点位于工作面风流下游,分别距离上隅角上风侧 60、40、20 m,SF6测定器放置于前溜挡板上方;D 监测点位于回风巷道中部 1 m高处,该监测点位于上隅角下风侧8.5 m。各监测点位置如图 1 所示。3 2 5 0 3 采空区漏风流场8.5 m监测点释放点进风巷回风巷1 7 0 m2 0 m2 0 m2 0 m1 5 mS F6图 1 示踪气体释放点及测点布置示意图2Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月2)示踪气体瞬时释放点设置在进风巷道中部,释放点距离 32503 工作面下隅角 15 m。3)将 4 台 CSH1000 煤矿用 SF6测定器校准后,放置在图 1“监测点”位置。4)将体积分数 99.99%的 SF6充入瞬时定量释放器内,瞬时释放 SF6气体 35 L。5)待 D 点 SF6测定器监测到的 SF6体积分数小于 110-6,并稳定 10 min 后,试验结束。3 数据分析与讨论3.1 数据分析及校正以示踪气体瞬时释放时刻为 0 点,绘制 A D 4 个监测点 SF6体积分数时间曲线,如图 2 所示。图 2 不同测点处的 SF6体积分数监测曲线由图 2 可知,AD 点处的 SF6体积分数监测曲线均为偏态分布曲线,其曲线上升段较陡,下降段较缓。随着监测点与释放点之间距离增加,AD 测点SF6体积分数峰值迅速下降,A D 测点 SF6体积分数曲线上升到达峰值的时间增加,曲线偏度逐渐减小,示踪气体通过监测点的时间逐渐增加。即灾变发生后,随着运移距离的增大,灾害气体体积分数峰值会逐渐下降,同时灾害气体的滞留时间会增加,这主要是由于巷道断面风速分布不均匀使灾害气体发生纵向弥散16,致使灾害气体影响区域变大。3.2 漏风分析与数据校正由图 2 可知,A 测点 SF6体积分数曲线围成的面积是 B 测点的 1.073 倍、C 测点的 1.219 倍和D 测点的 1.343 倍,这是由于 AD 测点均位于综采工作面下风侧,而采空区向工作面漏风导致示踪气体体积分数降低。为了利用示踪气体体积分数监测数据反算综采工作面弥散系数,需要排除采空区漏风对示踪气体体积分数的影响。示踪气体在工作面上风侧运移时,由于工作面向采空区的漏风作用,示踪气体运移不满足连续性方程,而示踪气体运移至工作面下风侧时,只存在采空区向工作面内漏风,因此流经 A 至D 测点的示踪气体是质量守恒的。已知 D 点巷道风量为 1 164 m3/min,则根据 AD 测点 SF6体积分数曲线围成的面积关系及示踪气体质量守恒定律,可以计算各测点断面风量,结果如表 1 所示。表 1 A、B、C、D 测点断面风量单位:m3/minA 点断面风量B 点断面风量C 点断面风量D 点断面风量8679301 0561 164由表 1 可知,采空区向综采工作面 A B 之间漏入风量为 63 m3/min、B C 之间漏入风量为126 m3/min、C D 之间漏入风量为 108 m3/min。为消除漏风对示踪气体稀释影响,假设 AC 测点处的风量均为 867 m3/min,根据示踪气体质量守恒定律,对 B、C 和 D 测点 SF6体积分数曲线进行校正,如图 3 所示。图 3 不同测点处的 SF6体积分数校正曲线3.3 模型参数求解3.3.1 求解方法及约束条件为验证一维对流弥散模型描述巷道内灾害气体运移规律的准确性,首先以校正后的 SF6体积分数监测曲线为基础进行弥散运移模型中平均风速 u和弥散系数 Ex估计。采用最优化算法求解 u 和 Ex,即基于 A 点监测曲线,通过不断调整 u 和 Ex模拟 B点和 C 点 SF6体积分数变化,比较分析模拟值和监测值的匹配效果,当其匹配效果最好时对应的 u 和Ex值即为最优参数估计值。约束条件:0.3u1.5(4)0.2Ex20.0(5)3第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.20233.3.2 最优估计参数求解粒子群优化算法(PSO)是一种全局优化算法17,首先在参数约束区域内初始化一群随机粒子(每个粒子代表一组模型参数),然后通过计算每个粒子找到的最优解和群体粒子寻找到的最优解来搜索更优解,直至结束,该算法已经被应用于很多模型的参数反演求解18-19。笔者选用粒子群优化算法对 u 和 Ex进行求解。选取 B 点和 C 点 SF6体积分数监测曲线中的3 个标志性点作为匹配对象,这 3 个点分别为,依据时序关系累加体积分数值占全部体积分数累加和的10%、90%和峰值体积分数点。通过计算,最优估计参数结果如表 2 所示,B 点和 C 点的 SF6体积分数监测值和最优计算值如图 4 所示。表 2 参数估计结果巷道区域平均风速/(m s-1)弥散系数/(m2 s-1)AB0.702.01AC0.581.78(a)B 点(b)C 点图 4 各监测点 SF6体积分数实测值与最优估计参数计算值由表 2 可知,A B、A C 测点之间的巷道平均风速分别为 0.70 m/s 和 0.58 m/s,结果并不一致,这主要是由于受综采工作面设施分布及采煤作业的影响,巷道断面积并不一致所致;最优化计算的弥散系数变化幅度较小,分别为 2.01、1.78 m2/s。通过观察图 4 可知,使用最优化估计参数计算的 SF6体积分数曲线与测试曲线匹配性较好,因此,本次对于u 和 Ex的最优估计值是可靠的。由于巷道平均风速的获取较为容易,因此纵向弥散系数的准确性是分析灾害气体在巷道内运移传播规律的核心。当前关于矿井巷道内的纵向弥散系数计算方法以文献20介绍的计算公式为主:Ex=7.07urf(6)式中:r 为巷道水力半径,m;f 为巷道的摩擦阻力系数,N s2/m4。由于综采工作面的摩擦阻力系数范围通常为0.0580.10820,设综采工作面的当量直径为 4.4 m,风速范围为 0.580.70 m/s,则计算出来的弥散系数最小值为 2.17 m2/s,最大值为 3.61 m2/s。3.4 平均风速对示踪气体运移的影响为研究工作面内平均风速变化对灾害气体运移的影响,以 A 点监测曲线为基础,保持 B 点和 C 点的弥散系数不变,将表 2 中的平均风速做20%和50%变化,运用公式(3)分别计算 B 点和 C 点 SF6体积分数变化,计算结果如图 5 所示。(a)B 点(b)C 点图 5 同一弥散系数不同平均风速示踪气体 SF6体积分数计算值与实测值将 B 点和 C 点计算曲线中的 SF6体积分数峰值与实测体积分数峰值进行绝对误差率分析,如图 6所示。4Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月图6 不同风速变化率计算与实测SF6峰值体积分数绝对误差率由图 56 可知,在弥散系数一定时,巷道内平均风速对灾害气体运移影响较大,风速变化率越大,监测点 SF6体积分数曲线波形及峰值体积分数变化越剧烈,在相同风速变化率条件下,风速减小对计算准确性的影响较大,SF6峰值体积分数误差率为34.07%。在平均风速变化幅度相同时,随着计算监测点的距离增加,计算值与实测值的误差增大。因此,利用公式(3)预测灾害气体在风流下游的 SF6体积分数变化时,准确输入巷道平均风速对保证计算结果的准确性十分重要。3.5 弥散系数对示踪气体运移的影响为研究综采工作面弥散系数对灾害气体运移的影响,以 A 点监测曲线为基础,保持 B 点和 C 点的平均风速不变,将表 2 中的弥散系数做 20%和50%变化,分别计算 B 点和 C 点 SF6体积分数变化,计算结果如图 7 所示。(a)B 点(b)C 点图 7 同一流速不同弥散系数示踪气体 SF6体积分数计算值与实测值将 B 点和 C 点计算曲线中的 SF6体积分数峰值与实测体积分数峰值进行绝对误差率分析,结果如图 8 所示。图 8 不同弥散系数变化率计算与实测 SF6峰值体积分数绝对误差率由图 78 可知,在巷道平均风速一定时,弥散系数变化对灾害气体运移分布的影响较小,计算曲线的波形变化较小,但随着弥散系数变化率的增加,计算 SF6峰值体积分数的变化率较大,其中当弥散系数减小 50%时,计算曲线与测试曲线的波形基本一致,但峰值体积分数误差率最大可达 10.11%。在弥散系数变化幅度相同时,随着监测点距离的增加,计算值与实测值的误差增大。相较于平均风速,弥散系数对计算值的准确性影响较小,即弥散对流模型中,平均风速对模型的敏感性大于弥散系数。4 结论1)由于弥散作用,灾害气体在巷道内运移过程中,随着运移距离的增大,其体积分数最大值逐渐减小,影响区域逐渐增大。2)由于综采工作面巷道断面不规则引起的风速分布不均匀,以及设备设施的阻碍作用,致使工作面监测到的示踪气体体积分数曲线呈现拖尾现象,但随着灾害气体运移距离的增大,其拖尾现象逐渐减弱。3)基于现场示踪气体试验,将测试数据作为观测数据,利用粒子群算法(PSO)可以较为准确地对综采工作面平均风速和弥散系数进行最优参数估计,计算结果显示综采工作面的弥散系数值与公式的理论估计值接近。4)理论模型计算和试验数据验证表明,对流弥散运移数学模型能够较好地模拟灾害气体在综采工作面的弥散运移规律,其计算值与实测值的偏差较小。对流弥散模型中,参数值的设置对灾害气体运移计算结果的影响较大,其中巷道平均风速的5第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023敏感性优于弥散系数。参考文献(References):1 石政锋.大采高煤层综采工作面采空区自燃“三带”立体分布规律研究J.矿业安全与环保,2019,46(2):47-50.2 江丙友,林柏泉,朱传杰,等.瓦斯爆炸冲击波在采煤工作面巷网中传播特性的数值模拟J.煤炭学报,2011,36(6):968-972.3 褚廷湘,李品,余明高.工作面推进下采空区煤自燃进程的动态模拟研究J.中国矿业大学学报,2019,48(3):529-537.4 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第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月