蔡繼濤，張志晶，王杰峰，呂偉，張衛(wèi)東

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西長治 046205

近年來，隨著我國煤礦機(jī)械化水平的不斷提高，煤礦開采技術(shù)得到迅速發(fā)展，煤炭資源開發(fā)由淺層向深層發(fā)展是必然趨勢[1]。隨著煤礦開采深度的加深和采煤強(qiáng)度的加強(qiáng)，瓦斯災(zāi)害成為煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要危險(xiǎn)之一。負(fù)壓瓦斯抽采管道作為一種治理煤礦瓦斯災(zāi)害和輸運(yùn)清潔瓦斯的有效手段，在我國得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于井下環(huán)境惡劣、管道老化、人為破壞等原因，瓦斯抽采管道被腐蝕甚至破裂泄漏的現(xiàn)象難以避免。當(dāng)瓦斯抽采管道泄漏后，由于管道內(nèi)部的負(fù)壓特性，巷道空氣會(huì)被卷吸進(jìn)入瓦斯抽采管道，不僅會(huì)造成瓦斯能源的浪費(fèi)，還會(huì)在管道內(nèi)瓦斯?jié)舛冉抵帘O限范圍內(nèi)遇明火或管道靜電火花時(shí)導(dǎo)致爆炸等災(zāi)難性事故。因此，了解和研究煤礦瓦斯抽采管道泄漏機(jī)理具有重要現(xiàn)實(shí)意義，可以為煤礦瓦斯抽采管道事故的預(yù)防及應(yīng)急策略的制定提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

目前，針對(duì)瓦斯抽采系統(tǒng)的研究主要包括現(xiàn)場應(yīng)用、理論建模等方法。為解決高瓦斯采區(qū)中瓦斯抽采和輸運(yùn)問題，王大軍[2]采用理論分析和煤礦現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合的方法對(duì)瓦斯抽采管網(wǎng)布置方式、管材管徑等方面進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證取得了較好的實(shí)用效果。劉興亮[3]、李敏[4]分別研究了不同煤礦中所安裝瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，將井下瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為瓦斯抽采管網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)可以為瓦斯抽采效果的評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。隨著煤礦開采深度的加深，人工檢漏效率大大降低，瓦斯抽采管道泄漏后如果不能準(zhǔn)確高效地確定漏點(diǎn)位置，會(huì)進(jìn)一步加大各類事故或衍生災(zāi)難發(fā)生的可能性。張麗娜和白珊[5]、焦志遠(yuǎn)等[6]采用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)煤礦瓦斯抽采管網(wǎng)進(jìn)行建模，分析瓦斯抽采管路泄漏后漏點(diǎn)前后端壓力的變化以確定漏點(diǎn)位置，并通過瓦斯抽采管路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了元胞自動(dòng)機(jī)方法在漏點(diǎn)定位上的準(zhǔn)確性。此外，還有學(xué)者對(duì)瓦斯解析過程和采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移特性進(jìn)行研究[7-8]。當(dāng)前研究主要針對(duì)集中于瓦斯流動(dòng)理論分析、瓦斯抽采監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化和泄漏點(diǎn)定位[9-13]等領(lǐng)域，煤礦瓦斯抽采管道不同泄漏情境下的三維建模分析較少，因此有必要進(jìn)一步研究。李宗翔[14]利用Ansys Fluent模擬了三維采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律并指出采空區(qū)內(nèi)瓦斯的上浮是風(fēng)流移動(dòng)、組分?jǐn)U散和含瓦斯風(fēng)流密度差綜合作用的結(jié)果。程遠(yuǎn)平等[15]采用Comsol Multiphysics軟件通過簡化二維平面物理模型，分析了擴(kuò)散、滲流和負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了提高瓦斯資源化利用的技術(shù)措施。周福寶等[16]提出抽采安全度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬分析具體瓦斯抽采工程中影響抽采安全度的因素，并給出了提高抽采安全度的技術(shù)措施。

由以上研究現(xiàn)狀可看出，針對(duì)大尺度煤礦瓦斯抽采管道的直接三維建模和各物理場的全局分布研究十分有限。本文基于有限體積法模擬軟件Ansys CFX對(duì)煤礦瓦斯抽采主系統(tǒng)管道泄漏情景進(jìn)行三維數(shù)值建模計(jì)算，并對(duì)比分析了不同泄漏位置、不同泄漏強(qiáng)度以及不同抽采負(fù)壓對(duì)抽采管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)特性的影響。研究成果有助于為煤礦瓦斯抽采管道泄漏事故的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全防控提供技術(shù)支撐。

1 瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏數(shù)值建模

模擬場景為山西五陽煤礦瓦斯抽采主系統(tǒng)管道，前處理利用Ansys ICEM建立瓦斯抽采管網(wǎng)物理模型并進(jìn)行計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格的離散；模型計(jì)算設(shè)置均在Ansys CFX中進(jìn)行；模擬結(jié)束后使用CFD-Post對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理。

1.1 物理模型建立

模型主要包括兩種不同管徑的高負(fù)壓抽采管道組成的瓦斯抽采管網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。物理模型詳細(xì)參數(shù)見表1。

表 1 物理模型參數(shù)

1.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

除去管道交接處和彎曲處，瓦斯抽采管道幾何外形十分規(guī)則。物理模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格：管道交接處和彎曲處使用幾何適應(yīng)性更好地四面體網(wǎng)格，在規(guī)則管道處使用計(jì)算效率更高的結(jié)構(gòu)“O”網(wǎng)格。同時(shí)，由于在泄漏口附近各物理量梯度變化較大，故對(duì)泄漏口附近的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理。根據(jù)Ansys ICEM內(nèi)置的網(wǎng)格優(yōu)化和質(zhì)量檢測工具，瓦斯抽采管道網(wǎng)格質(zhì)量(1表示最好)在0.7以上和0.7以下的網(wǎng)格數(shù)量分別為76.83%和23.17%，使用30萬和50萬網(wǎng)格分別模擬計(jì)算抽采泵站出口速度，其相對(duì)誤差為11.76%。綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度的要求，選取30萬的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的研究和分析。圖2為所構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格的總體和局部視圖。

圖1 瓦斯抽采主系統(tǒng)

圖2 瓦斯抽采管道計(jì)算網(wǎng)格

1.3 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型作為工業(yè)流動(dòng)數(shù)值模擬最常用的湍流模型，以其良好的穩(wěn)定性、適中的計(jì)算效率和較為精確的計(jì)算結(jié)果被廣泛應(yīng)用于模擬各類流動(dòng)問題。同時(shí)，該湍流模型在各類流動(dòng)問題中的適用性也得到了有效的驗(yàn)證。例如，Wang等[17]基于Ansys Fluent軟件包采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，模擬了綜合管廊中燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散過程并完成了燃?xì)夤艿佬孤┑膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.4 初始及邊界條件設(shè)置

初始條件：在0時(shí)刻，瓦斯抽采主系統(tǒng)管道內(nèi)為穩(wěn)定瓦斯流，瓦斯含量為10%，溫度為293 K。

瓦斯抽采管道進(jìn)口條件：兩個(gè)高壓管道入口均設(shè)置為壓力入口：

pinlet1=70 kPa
pinlet2=70 kPa

瓦斯抽采管道泄漏口條件：假定泄漏發(fā)生時(shí)抽采管道內(nèi)壓力穩(wěn)定，泄漏口處設(shè)置為巷道環(huán)境壓力，根據(jù)不同的工況，泄漏口直徑分別為

D1=205.0 mm
D2=157.5 mm

瓦斯抽采管道出口(井上泵站)條件：根據(jù)實(shí)地測量出口壓力，出風(fēng)口處的邊界條件設(shè)置為靜壓出口，根據(jù)不同的工況，瓦斯主系統(tǒng)抽采管道出口分別為

poutlet1=62.775 kPa
poutlet2=55.000 kPa

瓦斯抽采管道壁面：均設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證

為保證所建數(shù)值模型的有效性與準(zhǔn)確性，根據(jù)山西五陽煤礦提供的瓦斯抽采系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模型的穩(wěn)態(tài)模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采主系統(tǒng)瓦斯流動(dòng)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果

由圖3(a)可知，模擬結(jié)果在出口位置(抽采泵站)的速度為15.45 m/s左右，根據(jù)山西五陽煤礦實(shí)地?cái)?shù)據(jù)(混合流量=355 m3/min)計(jì)算，出口處的速度為18 m/s左右，模擬結(jié)果與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的相對(duì)誤差在14.16%左右，考慮到較大尺寸的瓦斯抽采管道場景以及抽采管道腐蝕、積水、堵塞等問題，認(rèn)為本文模擬結(jié)果較為合理。

由圖3(b)可知，瓦斯抽采管道內(nèi)壓力梯度穩(wěn)定，符合負(fù)壓抽采的實(shí)際情況。

2.2 泄漏強(qiáng)度對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為了研究不同泄漏強(qiáng)度對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取了泄漏口大小的2組工況(工況1：泄漏口為205 mm；工況2：泄漏口為410 mm)進(jìn)行比較分析，2組工況的瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏云圖如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采主系統(tǒng)泄漏云圖

由兩組工況壓力云圖可以看出，工況2管道內(nèi)部壓力均在92 kPa以上，而工況1壓力僅為80 kPa；由瓦斯?jié)舛仍茍D可知，工況2管道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺挥绊懙姆秶笥诠r1，分別為300 m和130 m。因此，大泄漏口導(dǎo)致了更高的泄漏強(qiáng)度，對(duì)管道內(nèi)瓦斯的流動(dòng)產(chǎn)生了更大的影響。

2.3 抽采泵負(fù)壓對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為研究抽采泵站負(fù)壓對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取了2組不同出口壓力工況(工況1：poutlet1=62.775 kPa；工況2：poutlet2=55.000 kPa)進(jìn)行對(duì)比并分析了與抽采泵站連接管道的速度和壓力梯度。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采主系統(tǒng)速度云圖及壓力梯度

由圖5可知，當(dāng)負(fù)壓較大時(shí)在出口管段會(huì)產(chǎn)生更大的壓力梯度和氣體速度，因此高負(fù)壓在提高井下瓦斯抽采效率方面有較為顯著的作用。然而，瓦斯抽采主系統(tǒng)管道發(fā)生破裂或漏氣后，抽采負(fù)壓增大會(huì)導(dǎo)致抽采管道的漏風(fēng)量增大、瓦斯抽采濃度降低，同時(shí)會(huì)使管道內(nèi)氣體流速過高，進(jìn)而導(dǎo)致靜電積聚、產(chǎn)生放電火花，極易產(chǎn)生發(fā)生瓦斯爆炸的環(huán)境條件[18]。

2.4 泄漏位置對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響

為研究泄漏位置對(duì)瓦斯流動(dòng)特性的影響，選取2組不同泄漏位置工況(工況1泄漏位置在φ820 mm高壓抽采管道，x=-1 000 m；工況2泄漏位置在φ630 mm高壓抽采管道，x=132.5 m)分析泄漏發(fā)生后管道內(nèi)部瓦斯流動(dòng)情況。2組工況抽采管道軸向壓力和瓦斯?jié)舛惹€如圖6和圖7所示。

圖6 抽采管道軸向壓力曲線

圖7 抽采管道軸向濃度曲線

由圖6可知，抽采主系統(tǒng)管道正常運(yùn)行情況下，抽采管道泄漏事故發(fā)生后，工況1的整體壓力水平高于工況2；工況2泄漏位置靠近抽采泵站一側(cè)會(huì)產(chǎn)生更大的壓力梯度。

由圖7可以看出，受到靠近抽采泵站方向高壓力梯度的作用，工況2在靠近抽采泵站一側(cè)管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛扔绊懛秶?，而工況1由于兩側(cè)壓力梯度差別不明顯，其瓦斯?jié)舛扔绊懛秶尸F(xiàn)近似對(duì)稱分布。

綜上所述，泄漏位置越靠近抽采泵站，管道內(nèi)部物理場(壓力、瓦斯?jié)舛?的變化越明顯，其泄漏越容易被傳感器系統(tǒng)所監(jiān)測。因此，瓦斯抽采系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備可以按照由稀到密的布置方式以抽采泵站為起點(diǎn)向抽采主系統(tǒng)內(nèi)部延伸。

3 結(jié) 論

本文利用Ansys CFX對(duì)煤礦下瓦斯抽采主系統(tǒng)管道泄漏開展了數(shù)值模擬研究，對(duì)比了瓦斯抽采管道泄漏情景下不同泄漏位置、泄漏強(qiáng)度、抽采負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：

(1) 泄漏口大小是影響管道內(nèi)瓦斯流動(dòng)的重要因素。大泄漏口會(huì)導(dǎo)致更大的影響范圍，使得管道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺淮蠓秶♂專斐赡茉蠢速M(fèi)。泄漏口為1/4管徑時(shí)，瓦斯?jié)舛扔绊懛秶鸀?30 m；泄漏口為1/2管徑時(shí)，瓦斯?jié)舛扔绊懛秶鸀?00 m。

(2) 增大抽采泵站負(fù)壓有助于提高瓦斯抽采系統(tǒng)的抽采效率，但泄漏事故發(fā)生情況下高負(fù)壓抽采會(huì)導(dǎo)致更大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要根據(jù)煤礦實(shí)際瓦斯涌出量確定合理的抽采泵站裝機(jī)能力。

(3) 泄漏發(fā)生時(shí)，靠近負(fù)壓出口位置(抽采泵站)的泄漏點(diǎn)更易被監(jiān)測到異常狀態(tài)。以此為根據(jù)綜合考慮監(jiān)測設(shè)備成本等問題，可以優(yōu)化瓦斯抽采主系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備布置方式。