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摘 要:为了找出Y型通风工作面采空区中瓦斯流场的分布规律,为采空区瓦斯治理提供理论依据,应用流体力学模拟软件Fluent对两进一回Y型通风工作面采空区流场、瓦斯浓度场的分布进行了模拟研究,得到采空区瓦斯流动及浓度分布规律为:沿走向向采空区深部瓦斯浓度逐渐增大,沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大,沿空留巷的末端是能位的最低点,漏风向沿空留巷末端方向流动,可以解决上隅角瓦斯积聚问题。
关键词:Y型通风;采空区;瓦斯场;数值模拟
中图分类号:TD753.6 文献标识码:A
文章编号:1672-1098(2010)03-0029-03
收稿日期:2010-08-04
作者简介:徐钧(1965-),男,安徽石台县人,高级工程师,主要从事煤炭工程勘察设计与研究等方面的工作。
Numerical Simulation of Gas Field in Goaf with Y-type Ventilation System
XU Jun1, QI Liang-feng2
(1. Hefei Design Research Institute for Coal Industry, Hefei Anhui 230041, China; 2. Huainan Branch, China Merchants Bank, Huainan Anhui 232007, China )
Abstract::In order to find out regularity of gas flow field distribution in goaf with Y-type ventilation system and provide theoretical basis for gas control in goaf, gas flow field and gas concentration distribution field in goaf of fully mechanized loangwall with top coal caving with Y-type ventilation system of one air inlet and two air outlets were simulated by CFD software Fluent. The regularity of gas flow and gas concentration distribution field in the goaf was obtained. gas concentration gradually increases along the strike from exploitation front to the deep in goaf, along the slope gas concentration increases from downside to upside. The lowest air dynamic potential point is at the end of roadway retained in the goaf and air leakage flows to the end of roadway retained in the goaf, the problem of gas accumulation in the upper corner can be solved.
Key words:Y-type ventilation system; goaf; gas field; numerical simulation
瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。传统的U型通风系统,不能很好的解决巷道瓦斯超限问题,尤为是工作面上隅角,瓦斯浓度常常超标。造成这种现象的最根本原因是采空区漏风流场易于引起上隅角瓦斯积聚。虽然可以采用各种技术手段对U型通风系统进行改进,但效果并不特别明显。对于瓦斯涌出量较大的工作面,采用两进一回Y型通风系统可以很好地解决回风流中瓦斯浓度过高和上隅角瓦斯积聚的问题。
两进一回Y型通风系统可以在采煤工作面的上、下巷同时进风,而其中的副进风巷在采空区的部分变为回风巷,并在巷旁充填支护。这种形式的工作面通风方式不仅可以从根本上解决上隅角瓦斯积聚问题,而且运煤、各种管道、设备都在新风中,在回风巷中无轨道、管路及电缆等,大大提高了回风巷的安全性。研究表明,Y型通风工作面能位最低点是留巷的末端(而U型通风工作面上隅角是能位的最低点),因此不会产生上隅角瓦斯积聚现象,如果主、副进风巷风量分配合理,两进一回Y型通风方式完全可以彻底解决上隅角瓦斯超限问题。本文采用计算机模拟方法,对两进一回Y型通风采空区瓦斯流场进行了分析和研究。
1 工作面概况
顾桥矿1115(1)工作面采用混凝土膏体材料充填沿空留巷技术,并形成Y型通风系统。工作面走向长度为2 709.9 m,倾斜长为220.54 m。根据顾桥矿煤柱预留实际情况,本工作面南与F87断层间留煤柱50 m,运输顺槽与1116(1)工作面轨道顺槽留净煤柱7 m,轨道顺槽为一次沿空留巷,留巷后作为下一工作面1114(1)工作面轨道顺槽。工作面采用两巷加一借用巷道(三巷)布置方式,巷道分别为1115(1)运输顺槽、轨道顺槽和借用巷1114(1)运输顺槽前期作为该面回采时总回风巷,三巷为平行布置方式,其中运输顺槽为机轨合一。
2 采空区瓦斯流场模拟
采用通用的流体力学数值模拟软件FLUENT,对顾桥矿1115(1)工作面采空区进行模拟,以研究Y型通风方式下采空区内瓦斯流场分布情况。
2.1 假设与简化
假设与简化的原则是:解算模型反映所研究工作面及采空区的主要特征,尽量与实际情况相符合;同时使模型可以在Fluent中进行模拟计算。
简化后取工作面倾斜长225 m。由于采空区倾斜向非常长,受工作面通风影响的区域主要在靠近工作面一侧150 m范围内,适当延长后,截取采空区工作面一侧300 m作为研究对象。采空区内部区域按多孔介质处理。采空区内部气体只含有N2、O2和CH4,其他成分很少,对所求结论也没有直接的关系,不予考虑。本文所做模拟,在采空区未抽采瓦斯的条件下进行。
2.2 采空区模型的建立
顾桥矿1115(1)工作面采空区的物理模型 (数值解算模型) 如图1所示。
图1 采空区数值解算模型
采用Fluent公司的Gambit软件建立计算模型和划分网格,模型分为两个部分:工作面和回风巷为一个面,采空区为一个面。划分完成的网格如图2所示。
图2 网格划分结果
2.3 边界条件
(1) 巷道风流出、 入口边界 采空区气体流动为二维均匀孔隙介质稳定流, 由于稳定流动的流动状况与时间无关,因此,只需给出边界条件。 所求的有关采空区气体流场问题的解,即是要求出这样的函数H (H为待求函数), 它一方面满足采场气体流动微分方程,另一方面又满足采空区的边界条件。 这类问题的求解又称定解问题。 二维定解条件分为两种:风压边界条件和风量边界条件。 本文中的研究按图1所示选取风量边界条件,主进风和副进风按近似1∶3的较优配风比例选取风量: 轨道顺槽风量Q1=574 m3/min,运输顺槽风量 Q2 =1 591 m3/min。
巷道风流出口设为自由出口。
(2) 瓦斯边界 包括煤壁瓦斯边界、 采空区底板边界和采空区深部边界。 煤壁瓦斯涌出设为质量边界, 单位面积质量流量为0.172 kg·s-1; 采空区深部和采空区底板均设为瓦斯涌出源项: 采空区深部瓦斯涌出量设为常数0.229 kg·s-1 , 采空区底板遗煤瓦斯涌出量根据瓦斯衰减规律随其在采空区内浓度不同而变化, 符合公式q(x)=0.00572(1+x10)-0.5,其中x为采空区距离工作面长度。采空区深部和采空区底板的瓦斯涌出由UDF函数输入。采空区瓦斯模型采用UDF主要定义了以下内容:定义了底煤的瓦斯源项;定义了渗透率倒数、孔隙率、风阻等参数。
(3) 内部边界 工作面与采空区交界面以及回风巷与采空区交界面均设为内部边界,流体可通过此界面流进、流出。
(4) 固体壁面边界 上述边界以外的壁面均设为固体边界。
2.4 模型解算参数的设置
选择标准k-epsilon双方程模型,对瓦斯运移采用组分输运无化学反应方式。动量方程湍流动能以及湍流耗散率都用一阶迎风格式离散,压力耦合采用SIMPLE算法。选择非耦合、隐式稳态求解方法。
3 模拟结果及分析
当轨道顺槽Q1=574 m3/min、运输顺槽 Q2 =1 591 m3/min时,采空区内瓦斯分布等值线、风压等值线、速度场等值线、漏风流线分别如图3～图5所示。图4揭示了Y型通风条件下采空区风压的分布特征:能位低点位于采空区沿倾向与沿空留巷末端的交汇处。结合图3可知,采空区瓦斯浓度分布为:沿走向靠近采空区内部瓦斯浓度较大,沿倾向靠近沿空留巷瓦斯浓度较大。由于有沿空留巷的存在,采空区瓦斯随漏风直接涌向沿空留巷,避免了瓦斯涌向工作面上隅角,彻底解决了上隅角瓦斯的积聚问题。图5~图6描绘出了漏风的流向。
4 结论
两进一回Y型通风系统采空区瓦斯浓度分布规律为:沿走向向采空区深部瓦斯浓度逐渐增大,沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大,靠近沿空留巷瓦斯浓度最大。两进一回Y型通风,沿空留巷的末端是能位的最低点,漏风向沿空留巷末端方向流动,在风量分配合理的前提下,采空区里的瓦斯不会被带至工作面及上隅角。因此瓦斯不会在上隅角积聚,彻底解决了上隅角瓦斯超限问题。
参考文献:
[1] 章梦涛.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J]. 煤炭学报,1983,8(3):46-54.
[2] 刘卫群. 破碎岩体的渗流理论及其应用研究[D]. 北京:中国矿业大学,2002.
[3] 蒋曙光, 张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算[J]. 煤炭学报,1998,23(3):258-261.
[4] 李宗翔,题正义,赵国忱. 回采工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J]. 中国地质灾害与防治学报,2005,16(4):42-46.
(责任编辑:何学华,吴晓红)
关键词:Y型通风;采空区;瓦斯场;数值模拟
中图分类号:TD753.6 文献标识码:A
文章编号:1672-1098(2010)03-0029-03
收稿日期:2010-08-04
作者简介:徐钧(1965-),男,安徽石台县人,高级工程师,主要从事煤炭工程勘察设计与研究等方面的工作。
Numerical Simulation of Gas Field in Goaf with Y-type Ventilation System
XU Jun1, QI Liang-feng2
(1. Hefei Design Research Institute for Coal Industry, Hefei Anhui 230041, China; 2. Huainan Branch, China Merchants Bank, Huainan Anhui 232007, China )
Abstract::In order to find out regularity of gas flow field distribution in goaf with Y-type ventilation system and provide theoretical basis for gas control in goaf, gas flow field and gas concentration distribution field in goaf of fully mechanized loangwall with top coal caving with Y-type ventilation system of one air inlet and two air outlets were simulated by CFD software Fluent. The regularity of gas flow and gas concentration distribution field in the goaf was obtained. gas concentration gradually increases along the strike from exploitation front to the deep in goaf, along the slope gas concentration increases from downside to upside. The lowest air dynamic potential point is at the end of roadway retained in the goaf and air leakage flows to the end of roadway retained in the goaf, the problem of gas accumulation in the upper corner can be solved.
Key words:Y-type ventilation system; goaf; gas field; numerical simulation
瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。传统的U型通风系统,不能很好的解决巷道瓦斯超限问题,尤为是工作面上隅角,瓦斯浓度常常超标。造成这种现象的最根本原因是采空区漏风流场易于引起上隅角瓦斯积聚。虽然可以采用各种技术手段对U型通风系统进行改进,但效果并不特别明显。对于瓦斯涌出量较大的工作面,采用两进一回Y型通风系统可以很好地解决回风流中瓦斯浓度过高和上隅角瓦斯积聚的问题。
两进一回Y型通风系统可以在采煤工作面的上、下巷同时进风,而其中的副进风巷在采空区的部分变为回风巷,并在巷旁充填支护。这种形式的工作面通风方式不仅可以从根本上解决上隅角瓦斯积聚问题,而且运煤、各种管道、设备都在新风中,在回风巷中无轨道、管路及电缆等,大大提高了回风巷的安全性。研究表明,Y型通风工作面能位最低点是留巷的末端(而U型通风工作面上隅角是能位的最低点),因此不会产生上隅角瓦斯积聚现象,如果主、副进风巷风量分配合理,两进一回Y型通风方式完全可以彻底解决上隅角瓦斯超限问题。本文采用计算机模拟方法,对两进一回Y型通风采空区瓦斯流场进行了分析和研究。
1 工作面概况
顾桥矿1115(1)工作面采用混凝土膏体材料充填沿空留巷技术,并形成Y型通风系统。工作面走向长度为2 709.9 m,倾斜长为220.54 m。根据顾桥矿煤柱预留实际情况,本工作面南与F87断层间留煤柱50 m,运输顺槽与1116(1)工作面轨道顺槽留净煤柱7 m,轨道顺槽为一次沿空留巷,留巷后作为下一工作面1114(1)工作面轨道顺槽。工作面采用两巷加一借用巷道(三巷)布置方式,巷道分别为1115(1)运输顺槽、轨道顺槽和借用巷1114(1)运输顺槽前期作为该面回采时总回风巷,三巷为平行布置方式,其中运输顺槽为机轨合一。
2 采空区瓦斯流场模拟
采用通用的流体力学数值模拟软件FLUENT,对顾桥矿1115(1)工作面采空区进行模拟,以研究Y型通风方式下采空区内瓦斯流场分布情况。
2.1 假设与简化
假设与简化的原则是:解算模型反映所研究工作面及采空区的主要特征,尽量与实际情况相符合;同时使模型可以在Fluent中进行模拟计算。
简化后取工作面倾斜长225 m。由于采空区倾斜向非常长,受工作面通风影响的区域主要在靠近工作面一侧150 m范围内,适当延长后,截取采空区工作面一侧300 m作为研究对象。采空区内部区域按多孔介质处理。采空区内部气体只含有N2、O2和CH4,其他成分很少,对所求结论也没有直接的关系,不予考虑。本文所做模拟,在采空区未抽采瓦斯的条件下进行。
2.2 采空区模型的建立
顾桥矿1115(1)工作面采空区的物理模型 (数值解算模型) 如图1所示。
图1 采空区数值解算模型
采用Fluent公司的Gambit软件建立计算模型和划分网格,模型分为两个部分:工作面和回风巷为一个面,采空区为一个面。划分完成的网格如图2所示。
图2 网格划分结果
2.3 边界条件
(1) 巷道风流出、 入口边界 采空区气体流动为二维均匀孔隙介质稳定流, 由于稳定流动的流动状况与时间无关,因此,只需给出边界条件。 所求的有关采空区气体流场问题的解,即是要求出这样的函数H (H为待求函数), 它一方面满足采场气体流动微分方程,另一方面又满足采空区的边界条件。 这类问题的求解又称定解问题。 二维定解条件分为两种:风压边界条件和风量边界条件。 本文中的研究按图1所示选取风量边界条件,主进风和副进风按近似1∶3的较优配风比例选取风量: 轨道顺槽风量Q1=574 m3/min,运输顺槽风量 Q2 =1 591 m3/min。
巷道风流出口设为自由出口。
(2) 瓦斯边界 包括煤壁瓦斯边界、 采空区底板边界和采空区深部边界。 煤壁瓦斯涌出设为质量边界, 单位面积质量流量为0.172 kg·s-1; 采空区深部和采空区底板均设为瓦斯涌出源项: 采空区深部瓦斯涌出量设为常数0.229 kg·s-1 , 采空区底板遗煤瓦斯涌出量根据瓦斯衰减规律随其在采空区内浓度不同而变化, 符合公式q(x)=0.00572(1+x10)-0.5,其中x为采空区距离工作面长度。采空区深部和采空区底板的瓦斯涌出由UDF函数输入。采空区瓦斯模型采用UDF主要定义了以下内容:定义了底煤的瓦斯源项;定义了渗透率倒数、孔隙率、风阻等参数。
(3) 内部边界 工作面与采空区交界面以及回风巷与采空区交界面均设为内部边界,流体可通过此界面流进、流出。
(4) 固体壁面边界 上述边界以外的壁面均设为固体边界。
2.4 模型解算参数的设置
选择标准k-epsilon双方程模型,对瓦斯运移采用组分输运无化学反应方式。动量方程湍流动能以及湍流耗散率都用一阶迎风格式离散,压力耦合采用SIMPLE算法。选择非耦合、隐式稳态求解方法。
3 模拟结果及分析
当轨道顺槽Q1=574 m3/min、运输顺槽 Q2 =1 591 m3/min时,采空区内瓦斯分布等值线、风压等值线、速度场等值线、漏风流线分别如图3～图5所示。图4揭示了Y型通风条件下采空区风压的分布特征:能位低点位于采空区沿倾向与沿空留巷末端的交汇处。结合图3可知,采空区瓦斯浓度分布为:沿走向靠近采空区内部瓦斯浓度较大,沿倾向靠近沿空留巷瓦斯浓度较大。由于有沿空留巷的存在,采空区瓦斯随漏风直接涌向沿空留巷,避免了瓦斯涌向工作面上隅角,彻底解决了上隅角瓦斯的积聚问题。图5~图6描绘出了漏风的流向。
4 结论
两进一回Y型通风系统采空区瓦斯浓度分布规律为:沿走向向采空区深部瓦斯浓度逐渐增大,沿倾向从下向上瓦斯浓度逐渐增大,靠近沿空留巷瓦斯浓度最大。两进一回Y型通风,沿空留巷的末端是能位的最低点,漏风向沿空留巷末端方向流动,在风量分配合理的前提下,采空区里的瓦斯不会被带至工作面及上隅角。因此瓦斯不会在上隅角积聚,彻底解决了上隅角瓦斯超限问题。
参考文献:
[1] 章梦涛.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J]. 煤炭学报,1983,8(3):46-54.
[2] 刘卫群. 破碎岩体的渗流理论及其应用研究[D]. 北京:中国矿业大学,2002.
[3] 蒋曙光, 张人伟.综放采场流场数学模型及数值计算[J]. 煤炭学报,1998,23(3):258-261.
[4] 李宗翔,题正义,赵国忱. 回采工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究[J]. 中国地质灾害与防治学报,2005,16(4):42-46.
(责任编辑:何学华,吴晓红)