戴林超

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

煤與瓦斯突出是一種井工煤礦在開展采掘作業(yè)時(shí)可能會(huì)遇到的動(dòng)力現(xiàn)象。突出發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的高速含煤粉或巖粉瓦斯流具有很高的能量,能夠在巷道內(nèi)形成具有較大破壞性的沖擊氣流及沖擊波,摧毀巷道設(shè)施,破壞通風(fēng)系統(tǒng),甚至?xí)斐娠L(fēng)流逆轉(zhuǎn)。同時(shí),突出的高濃度瓦斯能夠充滿巷道空間,造成人員窒息,有時(shí)還會(huì)伴生瓦斯燃燒或爆炸,嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)及煤礦工人的人身安全[1-2]。

從第1次有記錄的煤與瓦斯突出開始,國內(nèi)外學(xué)者就對(duì)突出產(chǎn)生的機(jī)理及其防治做了大量研究工作并取得了顯著的成果[3-5],大型以及特大型煤與瓦斯突出已經(jīng)很少出現(xiàn),但由于煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性,至今也無法完全消除煤與瓦斯突出這一重大煤礦災(zāi)害,煤礦井下突出事故仍時(shí)有發(fā)生[6-7]。針對(duì)這一客觀現(xiàn)實(shí),近些年來部分學(xué)者開始對(duì)煤與瓦斯突出發(fā)生后的致災(zāi)特征進(jìn)行探索,試圖通過深入研究煤與瓦斯突出發(fā)生后高速瓦斯流的運(yùn)移規(guī)律來降低或者消除煤與瓦斯突出災(zāi)害的影響[8-10]。

煤與瓦斯突出具有極大的破壞性,在井下人為誘發(fā)突出不具可行性,大部分學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)裝置模擬煤與瓦斯突出這一動(dòng)力現(xiàn)象[11-13]。但由于突出過程中的不可控制因素太多,一次實(shí)驗(yàn)的成功率往往不高。而數(shù)值模擬作為理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的補(bǔ)充,在對(duì)一些無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或者實(shí)驗(yàn)成本過高的情況下,考慮問題更加復(fù)雜、全面,從而獲取的信息也更加豐富[14]。因此,筆者擬運(yùn)用ANSYS Fluent數(shù)值模擬軟件,研究突出發(fā)生后巷道內(nèi)沖擊氣流的時(shí)空演化規(guī)律及瓦斯?jié)舛确植记闆r,為煤與瓦斯突出災(zāi)害的有效防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

1.1 控制方程

煤與瓦斯突出發(fā)生時(shí),高壓瓦斯氣體急劇膨脹壓縮巷道內(nèi)的空氣,產(chǎn)生的沖擊氣流流動(dòng)控制方程是建立在以下自然界普遍適用的基本守恒定律基礎(chǔ)之上的。二維突出沖擊氣流流動(dòng)控制方程如下:

1.2 物理模型

針對(duì)煤與瓦斯突出腔體大多呈現(xiàn)口小腔大的特征,構(gòu)建的幾何模型如圖1所示。模型主要包括高壓瓦斯區(qū)域和模擬巷道區(qū)域,高壓瓦斯區(qū)域尺寸設(shè)定為0.3 m×0.7 m,模擬巷道長為8 m,高為0.1 m。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測模擬巷道內(nèi)沖擊氣流的傳播規(guī)律,本次模擬在巷道內(nèi)創(chuàng)建1條監(jiān)測線以及3個(gè)監(jiān)測點(diǎn),其中原點(diǎn)(0,0)設(shè)置在突出口處,3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)分別為監(jiān)測點(diǎn)1(1,0),監(jiān)測點(diǎn)2(3,0),監(jiān)測點(diǎn)3(5,0),監(jiān)測線的具體位置為(0

圖1 幾何物理模型Fig.1 Geometric physical model

1.3 網(wǎng)格劃分

在確定了幾何模型后,為了使幾何模型變成有限元,將整個(gè)高壓瓦斯區(qū)域和模擬巷道區(qū)域設(shè)為計(jì)算區(qū)域,利用網(wǎng)格劃分工具ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式,一共劃分四邊形網(wǎng)格9 300個(gè),如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

1.4 基本假設(shè)

由于突出的發(fā)生過程極為復(fù)雜,在進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí),需要對(duì)突出過程進(jìn)行一些理想化的假設(shè)。假設(shè):突出臨界狀態(tài)時(shí),突出區(qū)域內(nèi)為高壓純瓦斯氣體,速度為0,巷道內(nèi)為常壓狀態(tài)下的空氣,速度也為0(相較突出時(shí)的高速運(yùn)動(dòng)的瓦斯氣流,巷道中的風(fēng)速可以忽略不計(jì));突出發(fā)生后,突出區(qū)域內(nèi)的高壓瓦斯氣體瞬間涌入巷道,形成沖擊氣流[15]。模型初始化參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 模型初始化參數(shù)設(shè)置Tab.1 Model initialization parameter settings

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 突出沖擊氣流沿巷道傳播特征

0.5 MPa瓦斯壓力條件下,發(fā)生突出后巷道內(nèi)不同時(shí)刻各處沖擊氣流壓力、速度以及瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線如圖3所示。

圖3 0.5 MPa瓦斯壓力條件下巷道內(nèi)各處沖擊氣流模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of impact airflow in roadway under the condition of 0.5 MPa gas pressure

(1)由沖擊氣流壓力曲線(圖3(a))可知,當(dāng)突出發(fā)生后,突出區(qū)域內(nèi)的高壓瓦斯氣體急劇膨脹產(chǎn)生一道向右的激波(一種特殊的壓縮波)和一系列向左的膨脹波,向右的激波相對(duì)波前氣體以超音速傳播,使右半部壓力上升,與前方未擾動(dòng)的空氣區(qū)形成明顯的壓力界限;而向左的膨脹波則以音速傳播,使左半部壓力下降。

(2)由不同時(shí)刻巷道內(nèi)沖擊氣流速度曲線(圖3(b))可知,突出發(fā)生瞬間巷道內(nèi)的氣流流速是超音速流動(dòng);根據(jù)流體力學(xué)理論,超音速流動(dòng)中,壓力的傳播速度還沒有流體運(yùn)動(dòng)的速度快,就可能出現(xiàn)壓力無法及時(shí)釋放的情況,這時(shí),流場中會(huì)出現(xiàn)明確的波,流體經(jīng)過這些波時(shí)壓力會(huì)產(chǎn)生躍升或突降,即壓縮波和膨脹波。這也解釋了圖3(a)中沖擊氣流壓力曲線形成的原因。同時(shí),由于巷道壁面的摩擦和限制作用,沖擊氣流在傳播過程中壓力和速度都是在不斷衰減的,至0.01 s時(shí)刻,激波波陣面的壓力衰減至190.9 kPa,速度衰減至289 m/s。

(3)由瓦斯?jié)舛确植记€(圖3(c))可知,突出發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi),突出瓦斯氣體在巷道內(nèi)的運(yùn)移擴(kuò)散方式主要為驅(qū)替運(yùn)移。在驅(qū)替運(yùn)移階段,由于高壓瓦斯初始噴出具有一定的初動(dòng)量,在靠近突出口附近區(qū)域,瓦斯氣體的驅(qū)替運(yùn)移作用較強(qiáng),在巷道內(nèi)形成了高濃度瓦斯區(qū)域。同時(shí),通過與沖擊氣流壓力曲線以及沖擊氣流速度曲線對(duì)比可以看出,突出瓦斯的運(yùn)移擴(kuò)散速度要遠(yuǎn)小于沖擊氣流的傳播速度。

2.2 各監(jiān)測點(diǎn)沖擊氣流壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

不同瓦斯壓力條件下發(fā)生突出后,巷道內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)沖擊氣流壓力隨時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖4所示。突出發(fā)生后,靠近突出口的監(jiān)測點(diǎn)1處氣流壓力瞬間升高,在到達(dá)峰值之后快速下降,前期下降速率快,后期下降速率慢,在同一測點(diǎn)處的壓力衰減隨時(shí)間呈現(xiàn)減緩趨勢;最后隨著時(shí)間的推移,巷道內(nèi)的氣流壓力在經(jīng)歷反復(fù)震蕩后,逐漸恢復(fù)為突出前的常壓狀態(tài)。

圖4 各監(jiān)測點(diǎn)沖擊氣流壓力隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.4 Variation law of impact airflow pressure at each monitoring point with time

突出沖擊氣流沖量大小就是沖擊氣流壓力對(duì)作用時(shí)間的積分,即壓力曲線與時(shí)間坐標(biāo)軸所圍成的面積大小。比較同一測點(diǎn)處3種不同瓦斯壓力的沖擊氣流壓力變化曲線可知,瓦斯壓力越大,沖擊氣流壓力峰值越大,其與時(shí)間坐標(biāo)軸圍成的面積越大,沖擊氣流沖量也越大,當(dāng)井下發(fā)生突出時(shí),其對(duì)井下作業(yè)工人以及巷道設(shè)施造成的傷害也越大[16-17]。

利用Origin軟件獲取各監(jiān)測點(diǎn)處沖擊氣流壓力峰值見表2。由表2可知,在同一瓦斯壓力條件下,不同測點(diǎn)的沖擊氣流壓力曲線可知,越靠近突出口的沖擊氣流壓力越大,且沖擊氣流在直巷道內(nèi)的傳播是一個(gè)不斷衰減的過程。分析其原因是沖擊氣流在巷道內(nèi)傳播時(shí)不斷與巷道壁面發(fā)生摩擦產(chǎn)生摩擦熱,并同時(shí)持續(xù)壓縮巷道前方的空氣發(fā)生能量損耗,導(dǎo)致沖擊氣流壓力不斷衰減。

表2 不同瓦斯壓力下監(jiān)測點(diǎn)沖擊氣流峰值壓力Tab.2 Peak pressure of impact airflow at monitoring points under different gas pressures

2.3 各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化規(guī)律

不同瓦斯壓力條件下各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化規(guī)律曲線如圖5所示。當(dāng)突出發(fā)生后,在突出口附近的區(qū)域,突出瓦斯氣體的運(yùn)移方式以驅(qū)替運(yùn)移為主。監(jiān)測點(diǎn)1距離突出口1 m,突出瓦斯氣體在此處的驅(qū)替運(yùn)移最為明顯,而0.5 MPa相較0.1 MPa和0.3 MPa而言,突出區(qū)域內(nèi)積聚的瓦斯量更多,突出發(fā)生后,突出瓦斯氣體的初動(dòng)能也更大。所以,在0.5 MPa瓦斯壓力條件下,監(jiān)測點(diǎn)1處的瓦斯?jié)舛容^高,且持續(xù)時(shí)間較長。隨著突出的不斷進(jìn)行,瓦斯壓力更大的實(shí)驗(yàn)組由于突出區(qū)域瓦斯氣體的持續(xù)膨脹,監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2處瓦斯?jié)舛仍谧畛跻欢螘r(shí)間內(nèi)會(huì)處于較高值,但當(dāng)突出區(qū)域內(nèi)瓦斯氣體全部膨脹做功后,突出瓦斯氣體的運(yùn)移速度開始下降,突出瓦斯氣體在巷道內(nèi)的驅(qū)替運(yùn)移開始減弱,而突出瓦斯氣體在巷道內(nèi)的自由擴(kuò)散開始占據(jù)主導(dǎo)地位。在0.1 MPa瓦斯壓力條件下,由于瓦斯壓力較低,突出區(qū)域內(nèi)的瓦斯量不足,在突出發(fā)生后,監(jiān)測點(diǎn)1處的瓦斯?jié)舛仁紫燃眲∩?然后迅速下降,最后穩(wěn)定在0.4%附近繼續(xù)自由擴(kuò)散;當(dāng)突出瓦斯氣體運(yùn)移至監(jiān)測點(diǎn)2以及監(jiān)測點(diǎn)3處時(shí),突出瓦斯?jié)舛纫约八俣纫呀?jīng)很低,但此時(shí)卻最危險(xiǎn),由于瓦斯的爆炸極限在5%～16%,監(jiān)測點(diǎn)3處的瓦斯?jié)舛葎偤锰幱谶@個(gè)范圍內(nèi),如果此時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電火花等火源,那么極有可能發(fā)生瓦斯爆炸等事故,從而造成嚴(yán)重后果。

圖5 各監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 Changes of gas concentration at each monitoring point with time

3 結(jié)論

(1)突出發(fā)生后,突出區(qū)域內(nèi)的高壓瓦斯急劇膨脹壓縮巷道內(nèi)的空氣形成沖擊氣流,沖擊氣流在巷道內(nèi)超音速流動(dòng),產(chǎn)生一道沿突出巷道向巷道口移動(dòng)的壓縮波,壓縮波厚度極薄,大約為幾百納米,是沖擊氣流與前方未擾動(dòng)空氣區(qū)的分界面,穿過此界面的氣體壓力以及速度跳躍式升高。

(2)突出瓦斯氣體的運(yùn)移擴(kuò)散速度要遠(yuǎn)小于沖擊氣流的傳播速度,沖擊氣流從產(chǎn)生之初便與突出瓦斯介質(zhì)發(fā)生分離,自始至終都將是不同步的。

(3)沖擊氣流壓力與突出區(qū)域內(nèi)的瓦斯壓力成正比,瓦斯壓力越大,沖擊氣流壓力越大,沖擊氣流的沖量越大;且沖擊氣流在巷道內(nèi)的傳播是一個(gè)不斷衰減的過程。

(4)突出瓦斯氣體在無風(fēng)巷道內(nèi)的運(yùn)移方式為驅(qū)替運(yùn)移和自由擴(kuò)散。在靠近突出口處,瓦斯氣體初始噴出,具有較大的初動(dòng)能,瓦斯氣體的運(yùn)移方式以驅(qū)替運(yùn)移為主;當(dāng)突出區(qū)域內(nèi)的高壓瓦斯全部膨脹做功后,在巷道壁面的限制作用下,瓦斯氣體的動(dòng)能減小,瓦斯氣體的運(yùn)移方式以自由擴(kuò)散為主。