圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規(guī)律研究

王兵建，張亞偉，席國軍,2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)工程部，陜西 咸陽 710065)

圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規(guī)律研究

王兵建1，張亞偉1，席國軍1,2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司 生產(chǎn)工程部，陜西 咸陽 710065)

為掌握長平煤礦選煤廠圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規(guī)律，了解其主要影響因素，依據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量、組分守恒定律建立數(shù)學(xué)模型，采用Fluent軟件對其進(jìn)行模擬分析。研究表明：由于內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，煤倉倉下通風(fēng)不暢，當(dāng)環(huán)境風(fēng)力等級較低或冬季通風(fēng)窗關(guān)閉后，倉下部分處于微風(fēng)狀態(tài)，瓦斯?jié)舛绕毡槌^安全濃度范圍，嚴(yán)重影響選煤廠的安全生產(chǎn)。該研究有利于深入認(rèn)識(shí)圓筒煤倉倉下瓦斯積聚原因和分布規(guī)律，為選煤廠及時(shí)制訂安全防范措施提供理論依據(jù)。

圓筒煤倉；瓦斯分布規(guī)律；Fluent模擬；內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)；風(fēng)力等級

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，礦井生產(chǎn)能力和運(yùn)輸能力大幅提升，井下煤炭運(yùn)輸周期大大縮短，煤體中更多的吸附瓦斯來不及釋放就進(jìn)入煤倉，且倉內(nèi)煤炭儲(chǔ)量大，儲(chǔ)存時(shí)間長，下部壓力大，煤中的吸附瓦斯不易釋放。放煤時(shí)吸附的瓦斯隨煤在出煤口處釋放，往往使出口處瓦斯?jié)舛仍龈撸绻藭r(shí)通風(fēng)不暢，就會(huì)使倉下部分瓦斯積聚，遇到火源時(shí)易引發(fā)燃燒或爆炸事故[1]。瓦斯作為廠礦的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源[2]越來越受人們的重視。美國礦業(yè)局組織專家研究了儲(chǔ)煤倉瓦斯釋放特性[3]，并對其危險(xiǎn)性進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)釋放的絕大部分瓦斯滯留在煤倉煤粒間的空隙中[4]。加拿大礦業(yè)與能源技術(shù)中心也開展了煤倉瓦斯積聚的現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)原煤倉煤堆中的瓦斯?jié)舛仍? h內(nèi)可達(dá)到4%，精煤倉煤堆中的瓦斯?jié)舛葎t可達(dá)20%，甚至高達(dá)40%[5]。張盼福[6]通過利用自然通風(fēng)原理設(shè)計(jì)的焚風(fēng)塔對屯蘭礦選煤廠的瓦斯進(jìn)行治理。李樹軍[7]針對成莊礦選煤廠提出了利用直通管的負(fù)壓抽吸作用，實(shí)現(xiàn)依靠自然通風(fēng)系統(tǒng)排放和控制塊煤倉的瓦斯。郭雅迪等[8]利用Fluent開展了煤倉瓦斯超限治理效果的模擬研究。

山西省高平市長平煤礦選煤廠為了減少煤塵污染，將塊精煤和末精煤產(chǎn)品均采用封閉式圓筒倉儲(chǔ)存。近年來，由于煤礦開采深度的增加，煤層瓦斯含量不斷增大，煤炭吸附的瓦斯量也在增加[9]。根據(jù)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)顯示，該廠煤倉倉下部分瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響選煤廠的安全生產(chǎn)。因此，需要研究瓦斯分布規(guī)律和影響其濃度超限的主要因素，以提高企業(yè)的安全生產(chǎn)水平。

由于受放煤口處的放煤速度、倉下結(jié)構(gòu)和設(shè)備、瓦斯源釋放流量、機(jī)械抽排瓦斯系統(tǒng)、當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)風(fēng)向和風(fēng)力等級、倉下通風(fēng)窗和其他通風(fēng)口的數(shù)量及其位置和尺寸等的影響，煤倉倉下部分瓦斯流場分布比較復(fù)雜。建立煤倉倉下部分空氣與瓦斯混合流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，借助Fluent軟件對其積聚原因和分布規(guī)律進(jìn)行研究，為確定瓦斯防治方案提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

長平煤礦選煤廠圓筒倉按其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)可分為倉上、倉中、倉下三部分(圖1)，倉上設(shè)有給煤刮板機(jī)，外接運(yùn)煤皮帶；倉中部分是儲(chǔ)煤的主要場所，也是瓦斯和粉塵產(chǎn)生的主要場所；倉下設(shè)有給煤機(jī)，直接連接產(chǎn)品外運(yùn)皮帶。

圖1 圓筒倉外觀和結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 建模依據(jù)與條件

煤倉倉下部分氣體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，為簡化數(shù)學(xué)模型，忽略對倉下部分流場影響較小的次要因素，為此做如下假設(shè)：①倉下部分的空氣和瓦斯為粘性不可壓縮流體；②太陽輻射、煤流溫度、倉下照明設(shè)備及機(jī)械設(shè)備等與倉下氣流的熱交換對流場分布影響很?。虎劭諝夂屯咚乖趥}下流動(dòng)過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，混合氣體的密度根據(jù)內(nèi)部氣體所占體積百分比進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

在此條件下，空氣和瓦斯在倉下的流動(dòng)遵循連續(xù)性、動(dòng)量守恒、組分守恒定律，結(jié)合湍流k方程和ε方程，建立空氣和瓦斯流動(dòng)的控制方程組[10-11]。

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；ui為i方向上的速度分量，m/s；xi為三維空間中i方向上的長度，m。

式中：xj為三維空間中j方向上的長度，m；uj為j方向上的速度分量，m/s；p為氣流微元上的壓力，Pa；τij(i≠j)為因分子作用產(chǎn)生并作用于氣體微元的切向應(yīng)力，Pa；gi為i方向上的重力體積力，Pa；u為作用于流體單元的動(dòng)力粘度，Pa·s；δij為常量矩陣。

式中：CA為組分A的濃度；DAB為組分A與B之間的擴(kuò)散系數(shù)。

式中：k為湍流動(dòng)能，m2/s2；μt為湍流粘性系數(shù)，kg/(m·s)；cμ為常數(shù)，取0.09；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m2/s3。

式中:σk、σε為脈動(dòng)動(dòng)能和脈動(dòng)動(dòng)能耗散率的Prandtl數(shù)，分別取1.0、1.3；C1、C2為常量，分別取1.44、1.92。

1.2 煤倉倉下部分結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)

根據(jù)末精煤倉的實(shí)際尺寸和現(xiàn)場生產(chǎn)條件，建立末精煤倉倉下部分的物理幾何模型，如圖2所示。煤倉倉下部分高度為17.5 m，直徑為22 m，共有四個(gè)通風(fēng)窗，均沿煤倉倉壁均勻分布；給煤機(jī)放煤口距地面高度為3 m，通風(fēng)窗距地面高度為1.2 m，通風(fēng)窗窗口幾何尺寸為1.5 m×2.1 m。根據(jù)幾何模型尺寸劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元約有900 000個(gè)。

1—廂式走廊；2—通風(fēng)窗；3—門；4—放煤設(shè)備；5—放煤漏斗；6—預(yù)留風(fēng)機(jī)口；7—倉中儲(chǔ)煤部分；8—內(nèi)砼檐

1.3 邊界條件

(1)壁面條件。煤倉倉下各墻壁面均為等溫?zé)o滑移壁面，假設(shè)倉下門關(guān)閉時(shí)密閉性很好，不存在漏風(fēng)情況。

(2)放煤口瓦斯流量與濃度。從放煤口處進(jìn)入煤倉倉下部分的瓦斯流量取決于倉內(nèi)煤堆孔隙率、放煤口放煤有效截面積、煤流流量、瓦斯?jié)舛?。按照文獻(xiàn)[5]計(jì)算方法，該末精煤倉倉內(nèi)瓦斯?jié)舛纫堰_(dá)到12%，煤流平均流量約為1 000 t/h，瓦斯流量約為0.019 m3/s。

(3)通風(fēng)窗入口風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)力等級。根據(jù)2013年高平市風(fēng)力等級統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該地區(qū)風(fēng)力等級小于3級(<3.4 m/s)的百分比為90.68%。由于缺乏更詳細(xì)的平均風(fēng)速資料，重點(diǎn)分析冬季惡劣條件下，風(fēng)窗關(guān)閉后倉下處于微風(fēng)狀態(tài)時(shí)的瓦斯流場分布情況。為此，假設(shè)通風(fēng)窗入口風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速一致，并按照等流量原則計(jì)算出等效風(fēng)速值，將其作為邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 倉下部分風(fēng)流速度與瓦斯流場的影響

按照相關(guān)條件設(shè)置有關(guān)參數(shù)，采用Fluent軟件對倉下部分風(fēng)流速度和瓦斯流場進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 倉下部分速度矢量和瓦斯分布圖(z=1.2 m)

由圖3可知：由于內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，倉下進(jìn)風(fēng)窗的入風(fēng)沿著內(nèi)砼檐流動(dòng)，與皮帶走廊的進(jìn)風(fēng)相互影響，使風(fēng)流較快地流向出風(fēng)窗，導(dǎo)致內(nèi)砼檐內(nèi)風(fēng)流速度較小，難以有效稀釋倉下瓦斯。內(nèi)砼檐內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍?%以上，內(nèi)砼檐外下風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛纫蚕鄬^高(在1.5%～4.5%)，說明內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致倉下部分通風(fēng)不暢和影響瓦斯分布的主要因素之一。

2.2 倉下通風(fēng)量的影響

倉下通風(fēng)量受通風(fēng)窗數(shù)量和單通風(fēng)窗風(fēng)量的影響，當(dāng)放煤口煤流量和瓦斯涌出濃度一定時(shí)，通風(fēng)窗風(fēng)量直接影響煤倉倉下部分瓦斯?jié)舛鹊姆植?，而通風(fēng)窗風(fēng)量取決于通風(fēng)窗開放面積和風(fēng)速大小。北方冬季溫度較低，為防止精煤凍結(jié)[12]，常常需要將精煤倉通風(fēng)窗關(guān)閉，導(dǎo)致倉內(nèi)空氣流通不暢。假設(shè)此時(shí)通風(fēng)窗仍存在部分漏風(fēng)，考察不同環(huán)境風(fēng)力等級(0～3級)條件下的倉下部分瓦斯分布。建立通風(fēng)窗風(fēng)量與監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎g的對應(yīng)關(guān)系，按照等流量原則計(jì)算等效漏風(fēng)風(fēng)量值，0～3級環(huán)境風(fēng)力對應(yīng)的通風(fēng)窗漏風(fēng)風(fēng)量值為0.000 22、0.014 87、0.037 07、0.051 06 m3/s。

在中間兩個(gè)放煤口形成的上隅角內(nèi)建立監(jiān)測點(diǎn)，坐標(biāo)位置為(0,0,5)，略高于現(xiàn)場瓦斯檢測儀懸掛位置。風(fēng)窗密封嚴(yán)實(shí)時(shí)的通風(fēng)窗風(fēng)流速度接近于0，此時(shí)倉下大部分區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍?.5%以上，監(jiān)測點(diǎn)處的瓦斯?jié)舛仍?.5%以上(圖4)。只有在風(fēng)力等級大于3級時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)處的瓦斯?jié)舛炔盘幱诎踩珴舛确秶鷥?nèi)，說明冬季關(guān)閉風(fēng)窗會(huì)導(dǎo)致倉下部分通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛壬?。這也是影響倉下部分瓦斯分布的主要因素之一。

圖4 風(fēng)窗風(fēng)量與監(jiān)測點(diǎn)瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

3 結(jié)論

利用數(shù)值模擬手段研究長平煤礦選煤廠圓筒煤倉倉下部分瓦斯分布規(guī)律和影響因素發(fā)現(xiàn)：

(1)由于圓筒倉內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)的影響，倉下進(jìn)風(fēng)窗的入風(fēng)與皮帶走廊的進(jìn)風(fēng)相互影響，使風(fēng)流較快地流向出風(fēng)窗，難以有效稀釋倉下瓦斯?jié)舛龋f明內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)是影響瓦斯分布的主要因素之一。

(2)通風(fēng)窗風(fēng)量直接影響煤倉倉下部分瓦斯?jié)舛确植迹?dāng)環(huán)境風(fēng)力等級較低或冬季通風(fēng)窗關(guān)閉后倉下處于微風(fēng)狀態(tài)時(shí)，瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

(3)圓筒倉的內(nèi)砼檐結(jié)構(gòu)和風(fēng)量是造成瓦斯?jié)舛容^高的兩個(gè)主要因素，防止煤倉倉下部分瓦斯災(zāi)害應(yīng)從這兩方面考慮。

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Research on the law of methane distribution in reclaiming area of silo in coal preparation plant

WANG Bing-jian1, ZHANG Ya-wei1, XI Guo-jun1,2

(1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003, China;2.Production Engineering Department, Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Co Ltd,Xianyang, Shaanxi 710065, China )

To grasp methane distribution in reclaiming area of silo in Changping mine coal preparation plant and its influence factors, a mathematical model was built according to the laws of mass, momentum and component conservation, and Fluent was used to simulate and analyze methane distribution. The result indicates that methane concentration is more than safety limit due to interior concrete eaves, when air velocity is low, or windows are closed in winter, which affects seriously normal safe production. The research result is helpful for coal enterprises to know the reason and law of methane accumulation in reclaiming area coal silo in the preparation plant, and to support to draw up safety and protection system basically in time.

coal silo；law of methane distribution; Fluent simulation；interior concrete eaves; wind scale

1001-3571(2015)01-0001-04

TD948.8；TD724

A

2015-01-17

10.16447/j.cnki.cpt.2015.01.001

王兵建(1978—)，男，河南省周口市人，副教授，博士，從事煤礦“一通三防”及地面煤倉瓦斯災(zāi)害機(jī)理與防治方面的研究與教學(xué)工作。

E-mail：wangbj@hpu.edu.cn Tel：18603914490