地下矿井瓦斯开采辅助通风模型

地下矿井瓦斯开采辅助通风模型地下矿井瓦斯开采辅助通风模型 奥维耶多大学矿业学院采矿和土木工程研究组 马里奥 梅嫩德斯 马尔科姆 根特 朱迪思 贝拉斯科 文章信息 关键词 计算流体动力学 辅助强制通风 煤矿 甲烷 摘要 有研究在位于西班牙北部的在开拓深处煤矿的煤层巷道中进行空气流速和甲烷浓度的测量 通风和 巷道通过计算流体动力学 CFD 的甲烷行为模型显示在软件 ANSYS CFX10 0 中 较好的相关性的实 验数据和结果通过 CFD 预测中得到 然后通过常规方法获得的结果进行比较虽然考虑到甲烷稀释时 传统方法得到满意的结果 本研究证明 可能有一些区域巷道中甲烷浓度大于限制值更高 这是由 于空气流和甲烷行为在巷道带死区的存在 并且 该空气流的只由风扇提供的一部分到达工作面的 事实 CFD 模型使我们能够知道在哪个巷道的区域 可能需要通过附加的系统 如一个强制系统与 排气重叠 射流风机 喷雾风扇系统或压缩空气喷射器 以加强强制通风 1 采掘工作面中的甲烷 采掘工作面中的甲烷 1 1 绪论 甲烷是经常发现在地下煤炭开采造成严重事故 在过去和最近几年关于这个主题的文献已经广 泛的在世界各地流传 包括在发展中国家和发达国家 例如包括著名的矿业灾难 1906 年在法国 Courrieres 有超过 1000 人死亡 1995 年在圣尼古拉斯 西班 牙阿斯图里亚斯 14 矿工死亡在 8 号煤层的瓦斯爆炸 在美国 1980 年以来在 17 次瓦斯爆炸共造 成 106 矿工死亡 有四次爆炸导致超过 10 人死亡 NIOSH 2009 最近的爆炸的甲烷在俄罗斯有 2007 年 103 人死亡 2008 年 29 人死亡 乌克兰 2006 年 13 人死亡 中国 2005 年 60 人死亡 2008 年 111 人死亡 2009 年 74 人死亡 波兰 2008 年迄今为止 2009 年的 8 人死亡 hullera Vasco 莱昂内萨公司公司位于西班牙北部的列昂省 是一个具有三轴之间连接的地下煤 矿 每年的煤炭生产 2000000 吨 可开采的煤炭储量在 2009 年底 45000000 吨 煤层的开采煤炭 的平均性能在表 1 中给出 煤盆地分为 6 定义良好的形态 整个集团约 1500 米厚 形成 3 亿年前 Pastora 形成显示它所提供的 最好的经济前景和目前的煤炭生产的全部 图 1 显示了 Pastora 煤层和地层柱状图 Pastora 煤层厚度变化从 20 到 25 米 其下降 40 和 60 之间 甲烷浓度变化 7 至 10 立方米 吨煤 三个使用挖掘技术 长壁后退 短工作面和分段崩落法 图 2 展示了一天之内进化的甲烷排放监测获结 果 与瓦斯检定器位于长达 60 米 面积 9 平米和 400 米深水平巷道 挖掘钻探和爆破 Pastora 煤层 期间在巷道常规开采作业 在 24 小时期间所采取的甲烷浓度测量值的平均值分别为 0 87 当 爆破巷道的脸 还有那达 2 5 准时的增加甲烷浓度 因此 甲烷排放的最大值和平均值之间的关系 为 3 1 甲烷排放量无论是在长壁开采和死胡同的道路 根据煤的类型 并进行了的脸 Karacan 2008 的工作有很大的不同 甲烷排放量和平均值的最大值之间的关系从 1 4 到 2 5 的 范围内为巷道放顶煤技术 在 1 3 到 2 范围内的长壁后退技术 1996 甲烷排放的道路 与放顶煤技术 是源自表面和周围的巷道岩层 这影响到 1 级东巷甲烷排放量 的参数是 一个拱形截面巷道高 2 9 米和 3 6 米 面积 9 平米 平均提前年率计算为 2 米的转变 煤 炭 18 4 灰分含量和甲烷浓度的煤层气 2 64 立方米 吨 甲烷的测量是由直接研究方法获得与间 接吸附等温线方法 除了煤炭生产中的每个转变 围绕道路 14 米 的岩层和日常采矿作业过程中 的甲烷排放和甲烷排放量的最大值之间 3 1 的关系来提取已考虑在内 表 1 开采煤层的平均煤的性质 1 2 辅助通风系统的分析 图 3 显示了两个主要的辅助通风的草图 在死胡同的道路系统 强制排气 图 3A 的空气由风机 通过管道和有效的沿巷道输送到工作面 在图 3b 空气达到工作面并返回通过导管风扇撤回 至于甲 烷控制而言 排气通风系统比强制效率低 在地面收集不了清出了的甲烷 通过基塞尔和 wallhagen 1976 基塞尔 2003 哈尼登 1982 舒尔茨等人 1993 进行的研究排气通风系 统和强制通 图 1 矿煤层地层柱 风系统发现 面通风效果 FVE 或比例的新鲜空气到达 10 的排气通风系统和 39 9 的强制通 风系统 作为管道从表面的距离的增加 强迫通风效率降低 作为一个例子 在面对 0 01 立方米的 甲烷排放 传统的方法将显示在 0 2 甲烷浓度 而它实际上是排气通风甲烷浓度 0 5 为 2 2 因此 在甲烷排放或如果由于电的问题没有任何通风的异常增加 在面对危险的甲烷浓度可能发生 它是提供足够的气流稀释甲烷在巷道的所有区域的浓度水平低于法定必备 由此产生的缺陷计算辅 助通风时 用常规方法是由于气流和压力的确定 这一选择风机提供 在一个固定的时间和特定的 角度确定巷道断面 此外 计算出的甲烷浓度值为每个巷道断面的平均值 而不使不同区域之间的区别甲烷含量 如果对任何横截面和在巷道轴线方向的演变在地下工程通风辅助通风系统是有效的 这意味着 需 要的是一个三维分析 此外要牢记时间在这个通风影响的重要 4D 为了进行这项研究使用的是 计算流体动力学和实地测量一些研究人员已经得出了同样地发现上面提到的那些强制通风在排气通 风和从地面上的管道系统的理想距离的优势 这项工作的目的是通过 CFD 4D 证明它是必要的分析辅助通风系统 三标准的考虑 死区 或 低速区 在巷道风流循环和甲烷的分布 为了验证预测的 CFD 的结果是在一个操作的煤矿井下测量 非常重要 现场测量 气流速度和甲烷浓度 在 1A 级东 Pastora 上述矿井煤层 因此 它表明 该模型可以预测气流速度和实际生活中的甲烷浓度 图 2 掘进巷道内的瓦斯涌出煤层 图 3 强制排气系统中的辅助通风风机 图 4 3D 模型和网格划分的巷道部分 图 5 4 r2 湍流模型和 6 截面系数值 图 6 强制通风系统描述 图 7 定点 CFD 截面测量 图 8 面积百分比与速度低于 0 2 m s 的截面与距离 2 造型辅助通风 造型辅助通风 CFD 控制流体流动的方程 纳维斯托克斯方程 其中涉及领域的速度和压力以及密度 连续性方程 它表 达了质量守恒 最后 能量方程 涉及温度场 这些表达式创建一个微分方程组 只能解决在绝大多数的 情况下 通过数值方法 也就是说 计算流体动力学 CFD 湍流模型可用于 CFD 的范围从最简单的 零 方程模型 更复杂的模型如莱斯 大涡模拟 或 DES Dettached 涡流仿真 RANS 方法 雷诺平均 n s 中级模型广泛应用于工程 这些人之间可以利用 Spalart Allmaras 模型 添加一个方程计算 k epsilon 模型有两个方程 或剪切应力传输 SST 模型和七个方程 k epsilon 模型以其不同的变异是最常用的 式中 密度 T 温度 t 时间 v 速度 比热 K 电导率 散度 梯度 U 速度 粘度 图 9 速度在 1 米的水平面从地板上交叉的横截面 图 10 通风的进化速度在每个点和每个巷道截面 作者诺顿 2007 和索伦森和尼尔森 2003 经过研究表明 K 模型的测量和预测结果之间的 良好的相关性 其他的研究人员 Song and Sang 2005 巴列斯特罗斯 tajadura 2006 Moloney 1999 和 Moloney 和朗兹 1999 也用 k 模型模拟隧道 巷道通风气流 都得出了同 样的结论 Zhang Chen 2006 也与 k 模型获得有效的结果时 他们已经研究了污染物粉尘分散 在通风巷道中的现象 模拟研究进行了使用 CFD 计算流体动力学 通过 ANSYS cfx 10 0 SolidWorks 计算机辅助几 何建模 进行三维建模 达索系统 SolidWorks 公司 ICEM CFD 域中的网格划分和 ANSYS CFX 10 作 为求解和结果后处理 在本研究中两种类型的网格应用 在墙壁附近的巷道和棱镜中心的四面体 与 ICEM CFD 软件 在多相流模型 网格是由在巷道中心 1 2 米的四面体 0 48 米的墙和 0 114 米的管道系统 墙上的棱 镜网共有 9 层 每 0 007 米 842939 啮合元件 和啮合质量高于 0 3 CFD 模型采用了三种类型的边 界条件 壁开口和入口 另一个位于与 12 米 秒的第二入口是稻田甲烷排放巷道的脸在 0 05 立方米 秒 从开放与巷道气流和沼气出口气流速度的管道出口 图 4 描述了一个对巷道及与其啮合的管 道部分的三维建模 表 2 实验和 CFD 值平均在 3 的横截面 5 点 图 11 实验 CFD 点根据距离的脸的甲烷浓度的演变 图 12 实验和 CFD 在点 2 的甲烷浓度和 3 根据距离从表面演化 图 13 实验和 CFD 在点 4 的甲烷浓度和 5 根据距离从表面演化 模拟 4 种湍流模型 选用 Spalart Allmaras 湍流 k 和 SST 进行 这是线性回归 结果 计算值与实测值之间的关系 或 R2 的参数 为每个湍流模型如图 5 所示 气流的速度和甲烷浓度测 量为每个横截面 在 0 3 6 12 24 和 60 米工作面 基于以前和以后的结果 k 模型选择在这 项研究中 因为它提供了更好的结果与现场测量的比 3 地下气流和甲烷的测量 地下气流和甲烷的测量 用常规方法表明 辅助通风计算 对甲烷排放量为 0 05 立方米 秒的巷道 必须有 12 米 秒 在 管道中的空气出口速度 这对应于气流由风扇的 3 4 立方米 秒 该系统具有一个 600 毫米直径的管 和强迫一个 2 2 千瓦的风机 图 6 显示了在这 9 平方米的草图的强迫系统面通风 3 6 2 9 井下尾 巷 为了调整和验证 CFD 模型 一系列的地下测量在第一水平 07 和 400 米的深度进行了 图 1 由 钻井和 Pastora 的煤层爆破开挖 miniair 初级宏观 Mie 手持式风速计 0 20 米 秒的 1 的误差范围 和 6383 01 特罗克斯甲烷探测 器的 0 5 体积 体积的甲烷与 5 的检测误差范围 进行 气流的速度和在 0 3 6 12 6 的横截面 5 点的甲烷浓度测量 24 和 60 米 分别从工作面流 过 这 5 个点的分布呈现在图 7 点 4 和 5 分别位于水平面 0 7 米的地板 点 2 和 3 分别位于水平面 1 4 米的地板和 1 点在 0 5 米的屋顶 共获得 450 的气流速度测量和 450 的甲烷浓度测量 4 气流特性的 气流特性的 CFD 模拟模拟 CFD 模型 采用商业软件 ANSYS CFX 10 建成使用 强制辅助通风描绘在图 6 中的素描气流行为 表明 10 米的管道产生的死区的最低比率的脸的距离 巷道带速度低于 0 2 米 秒 一个 2 79 区的 百分比 图 8 也就是说 虽然通过常规方法计算出的气流的值是在法定的水平 0 2 米 秒 实际 上有带这些速度不符合规定 一个平面向量位于从地面 1 米的速度轮廓 穿越巷道断面放置在从脸 上 3 米 如图 9 所示 最低速度区与中央涡流引起的巷道中部回流区 这 可能甚至比死去的人更危险 它可以在图 9 中如何将这 些向量跟随一个方向从右到左看 较高浓度的这些污染 物的密度比空气生产 如二氧化碳和氧化亚氮 在左下 角 速度矢量 其范围从 0 3 到 0 5 米 秒区平行于巷道 壁放置他们增加他们的速度 他们远离面容易去除污染 物 考虑到气流走向面对负面的价值观和气流返回从脸 的正面的价值观 气流速度的演变 在每个点和每个巷 道横截面 如图 10 所示 可以看出 通气速度开始下 降 当它们靠近脸 分析了气流速度反演发生 1 2 和 5 分 作为气体的 积累可能会发生的 1 点达到最小的 1 5 米 秒 在第一 个 10 米的价值和它增加至 0 米 秒 在 15 米至 0 3 米 秒 25 米的面最大值 对于更长的距离 速度值仍高于 0 2 米 秒 5 点的速度最大达到 1 4 米 秒 在第一个 10 米的道路 6 米的脸 然后在下面的 10 米 最小的 1 4 米 秒 13 米的脸 这个速度达到 0 米 秒 在 10 米从面构成的气流死区 从 20 米的距离 速度增加到 高于 0 2 米 秒 2 点达到最小的 0 6 米 秒 在第一个 10 米的价值 在以前的情况下 这增加至 0 米 秒 在 7 米至 0 8 米 秒 在 14 米从面临的最大值 对于更长 的距离 速度值仍高于 0 2 米 秒基于所获得的结果 如 图 10 所示 FVE 是 0 35 在每一个三的横截面 5 点位 于 0 5 米 3 米和 6 米的工作面 实验测量的平均值和 预测的数值如表 2 所示 5 甲烷性能的 甲烷性能的 CFD 模拟模拟 积极面对的巷道甲烷排放的平均值为 0 0503 立方 米 秒甲烷浓度的地下测量和 CFD 模型预测得到的比较 根据距离工作面分 1 2 3 4 和 5 分别示于图 11 13 在点 1 的甲烷浓度的演变呈现出在管道出口附近的 一个区的最小 在 6 米距离的脸 和一个最大 约 1 5 从管道出口外的一个区域 在约 24 米的脸 在 24 米的 距离 甲烷浓度的增加 仍然是一个值高于那些在工作 面 应该强调的是 由于在横截面附近的高浓