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煤与瓦斯突出过程模拟实验室瓦斯通风安全数值模拟

文档作者：吴鑫一许江文档来源： 1．四川师范大学 2．重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年01月09日
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2010年12月 矿业安全与环保 第37卷第6期
煤与瓦斯突出过程模拟实验室
瓦斯通风安全数值模拟
吴 鑫 一，许 江
(1．四川师范大学_T-学院，四川成都610101；2．重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030)
摘 要：煤与瓦斯突出模拟实验台能模拟多种不同实验条件下的煤与瓦斯突出过程，但每次突出的
大量瓦斯气体所带来的安全隐患不容小视。为定量分析瓦斯气体在煤与瓦斯突出发生后的运移富集规
律及其潜在危险程度，采用计算流体力学软件Fluent模拟了煤与瓦斯突出后的瓦斯运移富集状态，并依
据数值计算结果提出了相应的安全对策措施。数值计算结果与实验现场测得的瓦斯浓度的对比分析发
现，两者具有较好的一致性，为实验室的安全建设提供了科学依据。
关键词：瓦斯；运移富集；安全；实验室；数值模拟
中图分类号：TD713 ．2 文献标志码：A 文章编号：1008—4495(2010)06—0005—04
煤与瓦斯突出是发生在煤矿井下的一种及其复
杂的动力失稳现象 ，突出作用的破坏性严重地
威胁着煤矿的安全生产。为此，国内很多研究机构，
如煤炭科学研究总院抚顺分院、中国科学院力学研
究所、中国矿业大学等 ，都进行了煤与瓦斯突出
的实验室模拟。重庆大学西南资源开发及环境灾害
控制工程教育部重点实验室自主研发了具有国内先
进水平的煤与瓦斯突出大型模拟实验台，可模拟不
同地应力、瓦斯压力、不同煤粉粒径等突出的条
件 ]。
图1为粒度40～80目煤粉在1 MPa瓦斯压力、
4 MPa垂直地应力、2．4 MPa水平地应力作用下煤与
瓦斯突出实验全过程气压一温度演化曲线。该煤与
瓦斯突出实验过程主要包括以下3个步骤：① 首先
对煤样抽取真空，使煤粉吸附的各种大气分子解吸
出来，由于空气的解吸吸热，使煤层温度大约降低
0．5℃ ；② 然后进行瓦斯吸附，充分的瓦斯吸附才能
较好地模拟现场条件，实验时打开CH 解压阀至
1 MPa并保持吸附时压力恒定，在此过程中由于瓦斯
吸附放热，温度上升了接近5 ；③ 最后迅速打开
收稿日期：2010—01—19；2010—07—28修订
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50534080)；国家
重大专项(2008ZX05034—002)；国家自然科学基金项目
(50974141)
作者简介：吴 鑫(1983一)，男，四川遂宁人，硕士研究
生，2010年毕业于重庆大学安全工程专业，四川师范大学工
学院助教，主要从事煤与瓦斯突出机理及预测研究。
突出口，模拟煤与瓦斯突出过程。
出
舞
时间／s
图1 煤与瓦斯突出实验全过程气压一温度演化曲线
煤与瓦斯突出过程模拟实验可为研究煤与瓦斯
突出影响因素提供实验数据支撑，但由于该模拟实验
用煤样尺寸达到0．57 m x0．32 m×0．375 m，在1 MPa
压力下储存的游离瓦斯及吸附态瓦斯在突出过程中
释放出的瓦斯量相对较多，在实验室局部区域的瓦斯
积聚有可能达到使人窒息或瓦斯爆炸的程度，存在严
重的安全隐患，为此有必要考虑实验室的环境安全。
基于以上原因，笔者拟采用Gambit建立煤与瓦斯突出
实验室集合模型并划分计算网格，用Fluent流体计算
软件分析煤与瓦斯突出后瓦斯在实验室空间中的流
场分布，并提出相应的安全对策措施。
1 突出实验室数学模型和几何模型
1．1 数学模型
针对瓦斯气体在实验室空间扩散及分布的问
· 5 ·
2010年12月 矿业安全与环保 第37卷第6期
题，利用Fluent解质量、动量和能量守恒方程，以及
指定的组分输运方程，湍流模型选择常用的标准
一 模型。由于突出过程仅涉及瓦斯大量突出，并
没有发生燃烧或化学反应，可利用Fluent定义数学
模型为“组分输运和反应模型” ：
Fluent通过第 种物质的对流扩散方程预估每
种物质的质量分数 ，守恒方程采用以下的通用
形式：
3
(pE)+V·(pvYi)=一V·J +R +．s (1)
o
式中： 为第i种组分的质量分数；尺 为第i种产品净
产生速率； 为离散相及用户定义的源项导致的额
外产生速率；p为气体密度； 为物质i的扩散通量。
将N一1(N为系统内部物质组分总数，此处除去空
气中最大的组分N )种组分，分别代人该方程得到
(c)空间网格化
N一1个方程、N 一1个未知数。由于没有发生燃烧和
其他化学反应，所以R ，S 都为0，只考虑．，；。由于质
量分数的和必须为1，第，v种物质的质量分数通过
1减去Ⅳ 一1个已解得的质量分数得到。为使数值误
差最小，第Ⅳ种物质必须选择质量分数最大的，如空
气中的N2。
1．2 几何模型
利用Fluent的前处理软件Gambit建立实验室以
及突出实验台的几何模型，突出实验室内部尺寸长
9．20 m、宽5．40 m、高4．20 m，包括2扇2．05 m×
1．38 m的双开门，2扇1．05 m X 1．57 m的窗户。突出
实验台长2．86 m、宽0．40 m、高2．50 m，突出模具尺
寸长0．57 m，宽0．32 m、高0．37 m。瓦斯气体和煤粉
从突出口快速突出，为达到计算目的并简化模型，仅
考虑单相的瓦斯气体。Gambit几何建模如图2所示。
(b)突出模拟实验
图2 Gambit几何建模
1．3 网格划分及边界条件设定
网格划分的好坏直接关系着计算速度和准确
性，网格单元类型选取(TeVHybird)，在空间网格类
型选取四面体(Tgrid)，共产生网格体142 209个。
边界条件设置：进风门采用速度进口(Velocity—
inlet)，进风速度0．1 m／s，另一门和窗户为压力出口
(Pressure—outlet)，其余为墙条件(Wal1)。煤与瓦
斯突出口采用速度进口，由于煤与瓦斯突出涉及瓦
斯解吸过程，其本身还需要进一步研究，为简化模
型，这里认为突出瓦斯总量等于瓦斯的总消耗量。
一般每次实验后钢瓶瓦斯压力下降约5 MPa(40 L
标准瓦斯钢瓶)，通过计算消耗瓦斯体积大约等于常
压下的2 m ，近似认为突出的瓦斯气体为不可压缩
气体，结合实验观测经验设定：突出发生3 S内瓦斯
· 6 ·
(d)瓦斯报警仪位置图
突出模拟
实验台
突出模具
速度200 m／s，4～27 S内完全排除剩余瓦斯气体，排
出速度约4 m／s。湍流指定方法采用湍流强度和水
力直径，计算公式如下：
水力直径d =4A／S (2)
湍流强度 ，=u'／瓦=0．16(如 )。。 (3)
式中：d 为水力直径，m；A为过流断面面积，m ；Js为湿
周，m；，为湍流强度；u 和瓦分别为湍流脉动速度和平均
速度，m／s；Re 为按水力直径计算的Reynolds数¨卜”j。
2 数值计算结果
2．1 室内瓦斯浓度模拟计算
实验采用Se~egated非耦合求解法瞬态求解，突
出开始后3，l0，30，600 S时的瓦斯浓度分布见图3。
在t=3 S时突出的瓦斯在实验室中央位置形成了体
2010年12月 矿业安全与环保 第37卷第6期
积浓度达到瓦斯爆炸极限的瓦斯气团，运移方向向
左上角；t=10 S时，瓦斯气团扩散到实验室左上角，
其浓度仍在爆炸下限左右，瓦斯气体向右边扩散；
t=30 S时左上瓦斯气团扩散至较低浓度，突出模具
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(a)t-=3 s时瓦斯浓度分布
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FLUENT 6 2(3d，
(C)t=30 s时瓦斯浓度分布
上方由于解吸余气形成了较高浓度带； =600 S时，
瓦斯浓度迅速衰减，瓦斯浓度最高点一直保持在右
下方的实验室顶部。
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(b)t=lO s时瓦斯浓度分布
(d1 t=600 s时瓦斯浓度分布
图3 突出后各时间点瓦斯浓度分布
从上述分析可知，危险性最大的时期是突出3 s
内，接着是4～30 S内，瓦斯浓度均能达到或接近爆
炸极限，因此在实验前必须完善警示标志，清空实验
室内无关或可能引发火星的设备和物品，有专人在
门外看守，杜绝一切人员在突出时进入实验室。
2．2 计算模拟值与数值结果对比
为验证数值模拟的准确性，在实验室突出口正
上方(h=3．2 ITI)设置了一个便携式瓦斯报警仪，监
测突出后的瓦斯浓度值，瓦斯监测点的实测值与数
值模拟值对比见图4。瓦斯浓度实测值要稍微高于
数值计算值，原因在于几何模型(实验室内存在杂
物)和边界条件的理想化，但其规律与瓦斯在突出后
600 S内的演化规律基本一致，误差属于可以接受
范围
3 安全对策分析
3．1 安全对策及模型
经数值模拟分析发现，突出约30 s后瓦斯浓度
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舞
目寸-J j／s
图4 瓦斯监测点的实测值与数值计算值对比
基本低于爆炸下限，发生瓦斯爆炸事故概率较小，但
为进一步提高本质性安全水平，降低事故风险水平，
实验室应采用经济可行的方案来加快室内瓦斯稀释
和扩散。结合实验室实际情况，预定在窗户上方安装
2台风压160 Pa排风扇进行抽出式通风(见图5)，为
预先分析安装排气扇后的效果是否能达到设想目标，
对其进行了数值模拟。数值模拟时增加2个直径
0．5 in排风扇，边界条件设为排气扇(exhaust—fan)，
· ，7 ．
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进气门条件不变，其余门窗设为相应的压力进口。
舞
图5 增加排气扇位置
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2 88e 03
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3．2 增加排气扇后的数值计算结果
t为10，600 s时的瓦斯浓度分布见图6，与未安装
排气扇相比，在相同时间点瓦斯浓度都有较明显的、
整体的下降，但瓦斯浓度在实验室内的形态分布基本
相似。
室内流场线分布见图7，未安装排气扇时从进气
门进入的新鲜空气大部分直接从另一个门流出，只有
少部分参与稀释瓦斯气体；安装排气扇后在排气扇负
压的带动下，大部分气体参与稀释瓦斯气体并携带其
从排气扇排除，这也解释了加快稀释的原因。增加排
气扇前后瓦斯监测点的浓度演化数值计算结果显示
(见图8)，增加排气扇后瓦斯浓度下降速度明显加快。
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(a)t=lO s时瓦斯浓度分布 (a)t=600 s时瓦斯浓度分布
图6 增加排气扇后各时间点瓦斯浓度分布
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FLUENT 6 2(3d
(a)未安装排气扇
Path LinesColored byMolefraction ofch4(Time=6 0000e+0I1
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FLUENT 6 2(3d．segregated．spe．ske，unsteady)
fb)安装排气扇后
图7 t：60 S时粒子流线对比
时间／s
网8 增加排气扇前后监测点瓦斯浓度数值结果对比
· 8 ·
4 结论
1)根据数值模拟计算，煤与瓦斯突出过程中瓦
斯浓度最高的时刻发生在突出瞬间，在突出孔前方大
约3 1TI的范围内瓦斯浓度极高，已经远超过5％ 的瓦
斯爆炸下限，应特别注意在突出实验前杜绝一切可能
引火的物品和人员进入。
2)突出发生后，瓦斯快速向整个实验室扩散，
(下转第12页)
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2010年12月 矿业安全与环保 第37卷第6期
覆厚岩层随工作面推进的变化过程，结果表明：
1)厚层直接顶初次来压步距长，破断时动压现
象非常明显，厚顶已垮岩块在切眼处和工作面端互
相咬合形成类似三铰拱的不稳定结构；周期破断时，
在工作面后方整厚切落。
2)受回采工作面的采动影响，工作面前方的上
覆岩层应力不断按照增高一降低一稳定一增高重新
分布；而工作面后方，由于铺设模型时材料搅拌均匀
程度不同，岩层垮落时松散程度的随机性，应力变化
分布有增高有降低。
3)上覆所有岩层的破断运动受到厚顶及薄硬
岩层的控制作用，在厚顶破断前其上覆岩层随之同
步协调运动，当厚顶破断后，上覆岩层同步破断。
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(责任编辑：吕晋英)
(上接第8页)
瓦斯浓度迅速衰减，突出约30 S后除突出口还有少
量瓦斯解吸外，其余地方瓦斯浓度降低至爆炸下限
内，危险性迅速降低。
3)对瓦斯报警点采用数值模拟方法分析了在
突出发生600 S之内该点的瓦斯浓度演化趋势，经与
现场实测数据对比，其规律有较好的一致性，说明建
立的模型准确。
4)由于实验室自然通风条件不良，为提高实验
室本质化安全水平，选用2个风压160 Pa的排气扇
进行通风改造，并用数值模拟的方法对安装排气扇
后瓦斯浓度演化进行了模拟，结果显示该措施能够
达到大幅提高室内瓦斯稀释速度，为合理安装通风
设备提供科学依据。
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(责任编辑：李琴)

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