掘进工作面硫化氢涌出运移规律研究及COMSOL数值解算

惠永福，李丹丹

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

硫化氢(H2S)是井下常见的有毒有害气体之一，属于重质气体，受重力沉降作用，向下扩散。由于硫化氢是无色透明的气体，当它突然涌出时，是不容易被观察到，只能通过气味和检测仪来分辨，但当浓度达到100～150 ppm时，人的嗅觉就会麻痹；当浓度在1000 ppm及以上时，人在数秒内就会死亡[1]。根据《煤矿安全规程》第一百三十五条严格限定了矿井空气中硫化氢最高允许浓度为6.6 ppm。相比井下瓦斯的赋存原理、运移规律和治理技术，硫化氢的研究方面还存在很大的空间。因此，掌握掘进工作面的硫化氢涌出规律，准确预测掘进工作面硫化氢的浓度分布，分析硫化氢在掘进工作面的运移规律，有助于治理硫化氢；对掘进工作面硫化氢流动机理、运移规律及浓度的分布的基础研究显得很有必要。

Huang L K[2]等主要从生物降解、微生物硫酸盐还原、化学硫酸盐还原、热分解化学和岩浆这5个方面分析了煤矿中硫化氢气体的形成机理。刘明举[3]等概述了导致煤层硫化氢异常赋存的主要三大成因类型：硫酸盐生物还原(BSR)、热化学硫酸盐还原(TSR)和岩浆成因，生物化学降解和热解可以忽略不计，并分析了煤层H2S的浓度和含量可能与煤层埋藏深度与全硫含量成正相关关系。刘奎[4]研究了综掘工作面掘进机工作时硫化氢浓度在掘进机前方的分布规律为在垂直方向上随距离底板距离的增加硫化氢浓度逐渐减少，水平方向上从掘进机的进风侧至截齿头上部、回风侧呈现出逐渐增加的规律。贾牛骏[5]等对不同风筒位置条件下综掘工作面硫化氢的浓度分布规律进行了模拟，得出风筒距离工作面端面为3 m时，工作面附近的涡流区域的硫化氢浓度最小，回风隅角处的硫化氢扩散范围最小。硫化氢气体在气体保存和运移方面与甲烷应具有相似的规律。李东印[6]等建立了采煤工作面瓦斯流动模型模拟了工作面和采空区瓦斯浓度分布为建立掘进工作面硫化氢流动模型做出了贡献。苗永春[7]、袁欣鹏[8]等都是通过改变配碱溶液比例和对煤层注入碱溶液的方法来降低硫化氢浓度。以上研究人员做出了大量研究，但对硫化氢在掘进工作面的运移规律研究依然很少，贾宝山[9]等建立了综掘工作面硫化氢运移扩散模型得出在工作面类似“U”型通风的情况下硫化氢最容易积聚在回风侧下隅角处的结果。但没有对掘进机前方硫化氢的运移规律进行更加详细地研究。因此，本文利用COMSOL仿真软件数值模拟硫化氢在掘进机掘进过程中的运移扩散规律，分析某矿掘进工作面硫化氢气体涌出及运移规律，进而提出适合掘进工作面的硫化氢监测与治理建议，以其为掘进工作面硫化氢防治技术的研究提供基础，保障矿井的安全生产和人员的生命健康。

1 掘进工作面物理模型

以某矿掘进工作面为原型建立COMSOL的物理模型，物理模型的工作面巷道断面为矩形，巷道宽4.5 m、高3.0 m，断面面积13.5 m2，采用压入式通风，供风量为300 m3/min，风筒进口风速为10 m/s，风筒位于巷道左侧壁面，半径为0.4 m，中心线距离侧壁0.5 m，距离底板2.4 m。根据实际和数值模拟的需要，巷道长度选择20 m，在Y轴截取10 m至30 m，一侧为风筒的进风口和工作面的出风面，另一侧为工作面端头；此外，掘进机的体积较大会影响工作面的风流方向和硫化氢扩散的范围，所以不能忽略掘进机体积，可以将掘进机的机身简化为长方体(5.00 m×3.00 m×1.48 m)，简化的掘进机长方体与作面的最短距离为4.5 m。为更好的观察从工作面端口处涌出后的硫化氢在端口与掘进机之间的扩散规律，建立的观测点均距掘进工作面煤壁1 m；在掘进机的两侧布置距掘进机中心Y轴0 m、0.8 m、1.6 m；距底板0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m。

假设掘进机在运行过程中速度恒定，风筒与煤壁的距离、掘进机与工作面的距离、风筒与掘进机的相对位置均保持不变，H2S的泄露地点为工作面端点处即钻头处，硫化氢涌出处简化为一个圆柱体，硫化氢从圆柱体的侧壁涌出。相比于从煤层破碎涌出的硫化氢含量，从煤层中解吸出的硫化氢含量极小[10]，忽略从巷壁涌出的H2S。考虑数值模拟与现场实际需要，作为重质气体的H2S，从工作面端口处涌出的H2S仅受从风筒流出的风流和作为重质气体H2S自身的重力影响。简化后的物理模型如图1所示。

图1 掘进工作面硫化氢扩散规律数值模拟模型

2 掘进工作面数学模型的建立

掘进工作面H2S气体的整个扩散过程是：首先是在掘进工作面通风正常的情况下，当掘进机的钻头破碎岩层或者煤层时，H2S气体从破碎处涌出，然后在工作面的风流和重力的作用下进行扩散。整个过程可以看作两个模型的耦合，一个是工作面气体流动模型作为源模型，另一个模型是H2S气体扩散模型进行耦合。因此，整个模型是一个稀释物质传递的三维非定常湍流模型。在COMSOL数值模拟软件中可以看作两个物理场的耦合：湍流物理场和稀物质传递物理场。

2.1 工作面气体流动模型

风筒和掘进工作面的气体流动可以看作是一种管道流动，而Navier-Stoke方程能很好的描述管道内流体的流动规律。因此，选择Navier-Stoke方程、质量守恒连续性方程、雷诺平均方程，湍流效应是由标准k-ε双方程模型进行约束。假设模型仅考虑动量传递且忽略传热的影响，受重力影响下的稳态流场。方程求解速度和压力两个因变量。

连续性方程：

(1)

运动方程：

(2)

湍动能k方程：

(3)

耗散率ε方程：

(4)

其中：

(5)

(6)

2.2 H2S扩散运移数学模型

H2S在掘进工作面中的运移遵守流体动力学中的弥散定律，可以用菲克定律来计算扩散后H2S达到稳态情况下的浓度分布。根据质量守恒定律和对流扩散方程，得到了H2S在掘进工作面中的扩散控制方程：

(7)

ρ=ciVL·10-3ρH+(1-ci·VL·10-3)·ρa

(8)

式中，ci为溶解浓度，mol/m3；Di为H2S在空气中的扩散系数，m2/s；Ri为源项，每单位时间单位体积H2S的增加量，mol/(m3·s)；u为平均流速，m/s；ρH、ρa分别为H2S和空气的密度，kg/m3；VL为气体在标准状况下的体积，取22.4 L/mol。

工作面气体流动模型是计算在硫化氢还没有涌出前掘进工作面的气体流场达到稳态时的速度场和压力场，达到平衡后，再嵌入H2S扩散模型进行耦合，对于COMSOL来说，这是一个稀物质传递与湍流流动耦合的多物理场过程，联立式(1)～(8)求解，计算得出硫化氢在掘进工作面模型中的运移扩散规律和浓度分布特点。

2.3 定解条件

1) 边界条件

巷道顶底板与煤层交界面不发生物质对流扩散，表示为：

-n·Ni=0

(9)

出口为开边界无黏滞应力：

(10)

2) 初始条件

考虑数值模拟计算及结合现场测试，模拟由掘进机钻头处涌出的硫化氢原始浓度为c0。

p|t=t0=p0，c|t=t0=c0

(11)

式中，p0为巷道空气初始压力，MPa；c0为掘进机钻头处割煤时硫化氢流入浓度，mol/m3。

基于现场测量，模型计算的其他参数如表1所示

表1 模型计算参数

3 数值模拟结果分析

基于以上掘进工作面物理模型和气体流动数学模型及各种参数设置，应用COMSOL软件进行计算研究，通过调整两个物理场的控制参数、细化网格设置和局部网格较细化等选项来提高计算精度，调整研究选项控制收敛程度，更好的模拟硫化氢的扩算规律。计算研究出掘进工作面硫化氢扩散模型的速度场、压力场及浓度场的计算结果。硫化氢作为重质气体，运移扩散的过程中受气流影响较大，先分析模拟结果的速度场，总结其规律。然后分析硫化氢浓度场的XZ和XY截面，最后在分析观察区域硫化氢的浓度数值变化，同时与现场数据相比较。

3.1 掘进工作面流场分析

考虑到风速的大小直接影响气体浓度的分布，同时也是控制硫化氢气体积聚的有效手段之一，可以先分析流场。图2为掘进工作面风速流场图。

观察图2的掘进工作面风速云图，当风流从风筒出来进入到掘进工作面，风速逐渐变小，其中风速较高的风流贴近工作面，另在工作面的回风隅角处风速较小，且从风筒出来的风流和隅角回风流均与掘进机前面的工作面呈现出大约45°，另从风速云图的颜色分布可知，掘进机后方的风速明显小于掘进机前方的风速。从掘进工作面风速流线图可看出，从风筒流入掘进工作面的出口风速较高，风流有向工作面外回流现象，同时风速较高的风流在经过工作面端面是形成回风隅角，与工作面端面呈45°，回风风流分为两路，其中一路包含大部分风流经过壁面，由于掘进机的阻挡，在工作面端面和掘进机之间形成了一个风速较低的涡旋，回流过程中风速逐渐减小，风速流线进一步闭环；另一路沿着壁面以及掘进机上方，向掘进工作面外流出，流出过程当中，风速逐渐减小，流线平缓，巷道出口的风流近似层流状态。

3.2 掘进工作面H2S运移规律分析

3.2.1 掘进工作面H2S浓度分布云图

为了更好地观察掘进工作面H2S浓度分布，均匀地选取风流方向(Y轴正方向)10个参考面，平均间距平均为2 m，XY截面自上而下分别截取2.4 m(风筒中心距底板高度)、1.55 m(人的呼吸带)、0.74 m(H2S涌出点距底板高度)为参考面，然后模拟出XZ与XY截面上从掘进机钻头处涌出的H2S运移扩散浓度分布图，如图3所示。

由图3分析可知，从XZ截面和XY截面都能看出，在工作面端面的右下角即回风隅角处的硫化氢浓度较高，结合风速云图和风速流线图，在硫化氢积聚处的风速很小，这可能是硫化氢积聚在回风隅角的原因之一，距掘进工作面端面5 m内的硫化氢，很明显涌出处和底部硫化氢的浓度高于中部和顶部，这肯能是因为硫化氢属于重质气体，受气体沉降作用以及回风隅角的风速很小，导致硫化氢向下扩散积聚。同时从图上也可以看出，靠近工作面端面的浓度较高，靠近工作面出口的浓度较小，说明硫化氢从涌出处向掘进工作面外扩散，在扩散过程中浓度变小。从XY的1.55 m和2.4 m截面可以看出，掘进机上方是存在硫化氢的，这会严重威胁掘进机上的司机和工作面的其他工作人员的健康。在XZ截图上，掘进机前方和后方的浓度截图互相比较，掘进机前方的硫化氢浓度梯度比较明显，右下方硫化氢浓度高于同一截图的其他地方。掘进机后方浓度梯度不明显，硫化氢浓度也相对较小。

图2 掘进工作面风速流场图

图3 掘进工作面硫化氢运移扩散浓度分布图

3.2.2 掘进工作面掘进机前方观察区域H2S运移规律

掘进机前方的观察区域测点的数据经过处理后，可以得出观察点区域的水平方向和垂直方向的硫化氢浓度分布规律，进一步分析掘进机前方的硫化氢浓度运移规律。

图4 观察点区域水平方向硫化氢浓度分布规律

由数值模拟图4分析可以得出：在距离底板0.6 m、1.2 m、1.8 m、2.4 m的四条曲线上，只有距离底板0.6 m的曲线，在回风侧区域有明显的变化，其他三条曲线的硫化氢浓度无论是在进风侧和回风侧都没有明显变化，在距离底板0.6 m的曲线上从左到右五个点的硫化氢浓度分别为11.46×10-6mol/m3、13.34×10-6mol/m3、21.47×10-6mol/m3、128.84×10-6mol/m3、88.69×10-6mol/m3。从五个数据点可以看出相对掘进机中心水平距离0.8m处的硫化氢浓度比较高，其次是相对1.6 m处的硫化氢浓度也比较高，导致这种情况的原因是从风筒出来的风流经过掘进工作面端面后流出，形成类似一个U型的风场，同时距底板0.6 m处的测点相对其他距离底板的距离的测点是距离硫化氢涌出点最近的，硫化氢气体分子量也比空气分子量大，在沉降作用下，硫化氢一部分部分向下扩散，另一部分在风流作用下水平扩散。因此在水平上的硫化氢运移规律是相对掘进机中心从左侧到右侧硫化氢的浓度逐渐增加，接近硫化氢涌出点时达到最大，然后再减小。 所以，掘进工作面中掘进机前方的回风一侧是硫化氢的治理关键。

在数值模拟图5上的五条曲线，只有在距掘进机右侧0.8 m和1.6 m垂直方向上，硫化氢的浓度才发生变化，其他三条曲线的硫化氢浓度变化不是很明显。在距掘进机右侧0.8 m处四个观测点的浓度是128.84×10-6mol/m3、24.69×10-6mol/m3、27.48×10-6mol/m3、21.43×10-6mol/m3，

距掘进机右侧1.6 m处四个观测点的浓度是88.69×10-6mol/m3、23.21×10-6mol/m3、19.41×10-6mol/m3、16.20×10-6mol/m3。这两条硫化氢浓度发生变化的曲线也均在掘进机的右侧，也是回风侧，这与图4的形成原因一致，涌出的硫化氢受类似U型风场中回风侧的风流影响向水平方向扩散，同时硫化氢受到重力场的影响，也向下扩散。因此硫化氢在掘进机前方的垂直方向上的运移规律是由顶板到底板，硫化氢的浓度逐渐变大。

3.2.3 掘进工作面掘进机前方现场观察区域H2S运移规律

根据刘奎[4]等人在东山矿71507综掘工作面现场相同位置测点所测量的现场数据，如图6所示，经过分析可得：掘进机前方观察点区域的现场数据与数值模拟结果的硫化氢运移规律基本相同，硫化氢主要积聚地方为掘进机的前方的右侧，即掘进机前方的回风侧，在掘进机前方观察点区域水平方向硫化氢浓度分布规律为相对于观察区域同一水平观测点，从进风侧到回风侧硫化氢的浓度变大，在距掘进机右侧0.8 m处硫化氢浓度达到其余四个观测点的最大值，然后硫化氢的浓度开始下降；在掘进机前方观察点区域掘进机右侧的垂直方向硫化氢浓度分布规律为涌出的硫化氢浓度随着距底板距离的增加而逐渐减小。

图5 观察点区域垂直方向硫化氢浓度分布规律

图6 观察点区域硫化氢扩散规律

4 结论

(1) 由数值模拟的流场结果分析得出，从风筒流出的风流在掘进工作面会形成一个类似U型的流场，其中掘进机前方的左壁进风侧和右壁的回风侧风流与工作面的端面会形成一个45°的隅角，隅角会形成一个风速极小的区域。回风侧的风流分为两个支路，一部分由于掘进机的阻挡，会在掘进机与工作面的端面之间形成一个涡旋，另一部分沿着右壁面和掘进机上方流出掘进工作面，工作面出口的风流近似平流状态。

(2) 由数值模拟的硫化氢浓度云图可以看出，当掘进机向前掘进时，从钻头周围涌出的硫化氢气体，主要聚集在掘进机前方的右侧隅角，即风流回风一侧。另外，涌出的硫化氢也有部分向掘进工作面外扩散，其中在距离底板1.55 m(人的呼吸带)的水平方向上，也存在硫化氢，同时扩散过程当中也流经过掘进机的上方，这严重威胁到掘进工作面的工作人员和掘进机司机的生命健康。

(3) 经过数值模拟观察点区域和现场观察点区域的硫化氢浓度分布规律比较，两者的硫化氢浓度的分布特点相同，涌出的硫化氢主要积聚在掘进机前方的右侧即回风侧，其中在观察点区域内，距离底板0.6 m的水平方向上硫化氢的浓度分布特点是从左到右逐渐变大，在临近涌出点时，达到浓度最大值；在掘进机右侧0.8 m和1.6 m的垂直方向上，随着距底板距离的增加，硫化氢的浓度逐渐变小。经由此分析由掘进机钻头处涌出的硫化氢在掘进工作面的运移规律是涌出的硫化氢一部分在风流的作用下向右水平扩散，同时一部分硫化氢受到沉降作用，向下扩散，积聚在工作面端面的右下侧，因此钻头处和回风侧应该是硫化氢治理的重点，兼顾掘进机司机和掘进工作面工作人员的防护措施。