0 引言
我国煤炭赋存较为丰富，长期以来，煤炭一直是我国的主要能源，且未来很长一段时间内依然如此[1-4]。随着煤炭开采工艺不断革新，原煤产量快速增长，开采深度不断增大，矿井硫化氢(H2S)危害也逐渐突出[5-6]。若处在H2S浓度较低的空间中，人短时间内就会出现乏力、咽喉疼痛、头晕、意识不清晰等症状，时间过长则可能导致植物神经功能紊乱；若处在H2S浓度较高的环境中，人短时间内就会出现脑水肿、肺水肿等症状[7]；若空间中H2S浓度超过1 g/m3，会使人快速失去意识，严重威胁矿工的生命安全[8]。
近年来，学者们对煤矿H2S的研究主要集中在成因[9-11]与防治[12-13]方面。工作面的H2S动态分布和运移特征直接影响着H2S治理的工艺参数和治理效率，这方面也有学者进行了相关研究，如刘奎[14]采用现场观测方法得到了H2S在沿程方向及下风流断面上的分布规律；贾牛骏等[15]采用COMSOL Multiphysics软件分析了H2S在不同风筒位置处的分布规律；蒋新军[16]通过现场观测并结合数值模拟，得到某煤矿工作面在下风流沿程方向的H2S浓度分布规律。目前，对H2S浓度分布规律的研究多采用单一手段，多手段结合的研究方法较少，难以验证研究结果的可靠性，充分体现其现场应用价值。
针对上述问题，本文以陕西某煤矿为研究背景，采用数值模拟方法研究综放工作面H2S浓度分布及运移规律，并对现场观测数据与模拟结果进行相互验证，为H2S高效治理提供理论依据和数据支持。
1 工作面概况
陕西某煤矿所处井田内共有2个煤层可以开采或局部可采，资源储量为973.57 Mt，可采储量为468.52 Mt，矿井可服务年限为62.5 a。该矿202工作面对应地表主要为梁塬地形，地势西高东低。地面标高为1 029.9～1 118.6 m。工作面底板标高为+82.3～+160.4 m，回采长度为1 138 m，宽度为150 m，面积约为170 700 m2；开采延安组4煤层，煤厚为1.5～13.5 m(切眼终采线附近煤厚约为3.0 m，终采线以外煤厚小于3.0 m)，均厚10.4 m；倾角为3～6°，平均倾角为5°，预计可采储量为114万t。在开采过程中，该工作面出现H2S浓度过高现象，且随着工作面的动态采掘，工作空间中H2S动态涌出，影响现场H2S治理，威胁煤炭安全开采。
2 数值模拟研究
2.1 多孔介质设定
当多孔介质中有流体通过时，介质会对流体产生拦阻作用，产生动量消耗。通过Fluent软件模拟多孔介质中的流体流动时，动量消耗被称为源项。动量源项分为2个部分，一个为惯性阻力，另一个为黏性阻力。多孔介质的动量方程为
(1)
式中：Si为x，y或z方向动量方程的源项，i=x，y，z；Dij，Cij分别为黏性阻力项和惯性阻力项中给定的损失系数矩阵；μ为采空区混合气体的动力黏度；j=1，2，3，分别表示x，y，z方向，vj为3个方向的速度分量；ρ为流体密度。
有些多孔介质结构均匀，组成简单，对于这类介质中的流体流动，其损失方程可简化为
(2)
式中：e为渗透率；C2为内部阻力因子。
渗透率e一般通过卡尔曼公式来计算：
(3)
式中：Dp为平均颗粒直径；n为介质孔隙率。
在进行数值模拟时，黏性阻力系数、惯性阻力系数及渗透率是计算多孔介质中流体流动问题的关键。渗透率可通过卡尔曼公式计算。工作面空间内气体的流动是一个稳态过程，流动形式呈层流流态，因此，工作面空间可表示为层流空间，孔隙率可设置为1，黏性阻力系数和惯性阻力系数可忽略不计，设置为0。
2.2 几何建模与网格划分
根据现场采煤机割煤空间条件、相关生产条件及H2S涌出浓度等，建立H2S扩散规律分析数值模型。模拟工作面长150 m，宽4 m，高4 m；工作面进风巷长10 m，宽6.1 m，高4 m；回风巷道长10 m，宽5 m，高4 m；采煤机滚筒直径为1.7 m；将入口设置为速度入口(velocity inlet)，风流方向为x轴方向，速度设为1.3 m/s；计算得到气流水力直径为4.8 m，气流温度根据工作面实际温度设置为24 ℃，湍流强度为3.58。滚筒中心相对于采煤机中心垂直方向偏移1.4 m，水平方向无偏移。H2S从滚筒周围及其下方落煤区域产生(滚筒靠近顶板位置，直径为1.7 m，遗煤位于靠近工作面底板处3.4 m×1.5 m的范围内)。进行模拟计算时，将煤体及滚筒周围位置看作稳定的H2S气体产生源，取H2S原始质量浓度为516 mg/m3，出口边界设置为自由出流(outflow)。模型网格采用非结构化网格，网格边长设为0.2 m。工作面模型及其网格划分如图1所示。
(a) 工作面模型
(b) 网格划分
图1 工作面模型及其网格划分
Fig.1 Working face model and its meshing
2.3 监测点布置
在采煤机割煤下风流断面、沿程方向及回风巷沿程的不同高度分别布置测点，测试各测点的H2S浓度。在采煤机下风侧距离工作面1，2，3 m处分别布置A1—A4，B1—B4，C1—C4三组测点，同一类型测点间距为5 m；在回风巷中心截面布置一组测点D1—D3，各测点间距为5 m。采煤机割煤时的测点布置如图2所示。
图2 模拟工作面测点布置
Fig.2 Layout of measuring points on simulated working face
2.4 模拟结果分析
2.4.1 工作面H2S浓度分布规律
通过数值模拟计算，得到煤层采动期间工作面的H2S运移规律，其体积分数分布云图如图3所示。
图3 工作面H2S体积分数分布云图
Fig.3 Cloud chart of H2S volume fraction distribution on working face
从图3可以看出，在采动落煤以后，由于风流浮力作用，H2S随巷道风流向巷道下风侧移动。随着与采煤机的距离增加，因H2S气体比空气重，同一断面的H2S体积分数呈现出由顶板向底板逐渐增加的分布规律，H2S气体呈现出垂直向下积聚的规律，在回风巷和回风隅角出现紊乱并形成一定积聚。
采煤机采煤期间，下风流沿程方向的H2S体积分数分布情况如图4所示，其中X表示在x方向上测点与进风巷进风口的垂直距离。下风流5，10，15，20 m横截面上的H2S体积分数分布情况如图5所示，其中Y表示在y方向上测点与进风巷外侧煤壁的垂直距离。由图4、图5可知：在下风流沿程方向，随着与采煤机距离的增加，H2S体积分数逐渐减小；随着沿程距离的增加，靠近煤壁侧的H2S体积分数越来越小，同时远离煤壁的巷道截面处H2S体积分数逐渐增加；受工作面风流扰动影响，采煤机滚筒割煤处产生的H2S在下风流断面上呈现出逐渐向人行道侧扩散的规律。
图4 工作面不同距离处H2S体积分数分布云图
Fig.4 Cloud chart of H2S volume fraction distribution in different distance of working face
图5 工作面不同截面处H2S体积分数分布云图
Fig.5 Cloud chart of H2S volume fraction distribution in different sections of working face
对模拟数据进行处理，得到采煤机下风侧距工作面煤壁不同距离处H2S浓度分布规律，如图6所示。
(a) 距工作面煤壁1 m
(b) 距工作面煤壁2 m
(c) 距工作面煤壁3 m
图6 与工作面煤壁不同距离处各测点H2S浓度分布规律
Fig.6 Distribution law of H2S at each measuring point at different distances from coal wall of working face
由图6(a)可看出A组测点的H2S浓度分布规律：随着距底板高度增加，A1测点的H2S浓度呈现出先增加后保持稳定再减小的趋势；A2—A4测点的H2S浓度变化规律具有相似特点，即随着距底板高度增加，H2S浓度逐渐减小，且与采煤机距离越小，H2S浓度越高，最高点在底板处。
由图6(b)可看出B组测点的H2S浓度分布规律：各测点的H2S浓度变化规律具有相似特点，随着离底板高度增加，呈现出先增加后减小的趋势；B1测点的H2S浓度峰值在距底板约1.4 m处；B2—B4测点的峰值在距底板约2.5 m处，且在达到峰值前，3组测点的H2S浓度变化规律基本一致，达到峰值后，距采煤机越远的测点处H2S浓度越高。
由图6(c)可看出C组测点的H2S浓度分布规律：各测点在变化规律上具有一致性，随着离底板高度增加，H2S浓度表现出先升高后降低的趋势；H2S浓度峰值基本保持在高度为1.8 m的位置，说明在工作面采动过程中，H2S气体逐渐向巷道行人侧扩散。
2.4.2 回风巷H2S浓度分布规律
通过在回风巷布置的D组测点分析H2S气体在回风隅角和回风巷中的运移规律，模拟结果及各测点H2S浓度变化规律如图7、图8所示。
图7 回风巷中截面H2S体积分数分布云图
Fig.7 Cloud chart of H2S volume fraction distribution in cross section of return air roadway
图8 回风巷各测点H2S浓度分布规律
Fig.8 H2S concentration distribution law of each measuring point in return air roadway
从图7、图8可看出，在工作面回风隅角处(D1测点)形成了H2S气体积聚层，H2S浓度随着高度的增加而逐渐减小，回风巷中(D2，D3测点)H2S体积分数随高度增加而略微减小，基本保持恒定。
3 现场监测分析
3.1 现场监测点布置
在采煤过程中，采用CD4型气体检测仪对工作面空间内的H2S浓度进行测定。气体检测仪如图9所示，其基本参数见表1，其中LEL指爆炸下限。
图9 CD4型气体检测仪
Fig.9 CD4 gas detector
表1 CD4型气体检测仪基本参数
Table 1 Basic parameters of CD4 gas detector
项目 技术参数检测种类CO,O2,H2S,LEL测量范围CO:0～1500mg/m3O2:0～30%H2S:0～750mg/m3LEL:100%分辨率CO:1.5mg/m3O2:0.1%H2S:1.5mg/m3LEL:1%工作电源DC3.6V,1800mA·h镍锌电池组防爆型式ExibdⅠ工作湿度15%～95%RH工作温度-10～50℃
测点布置情况如下：
(1) 采煤机采煤时，H2S涌出，随着风流的流动，H2S逐渐运移扩散。在风流方向，与割煤机的距离不同，H2S浓度也不相同，故在采煤机下风流方向5，10，15，20 m 等位置设置测站，编号为A，B，C，D。
(2) 因为H2S气体比空气重，同一断面不同高度处H2S浓度不同，故从距离底板1 m处开始每隔0.7 m布置测点。
(3) 采煤机采煤时，煤体释放出其中的H2S，受扩散因素影响，在水平方向的煤壁与支架之间H2S浓度有所不同，故从距离煤壁1 m处开始每隔0.8 m布置测点。
工作面H2S浓度测点布置如图10所示[14]。
(a) 风流沿程方向测点布置
(b) 采煤机割煤时测点布置
图10 工作面H2S浓度测点布置
Fig.10 Layout of H2S concentration measuring points on working face
为了使测点的空间位置更加明确，借助三视图方法对测点布置进行说明，以从支架处观察为主视图，从进风方向观察为左视图，从顶板处观察为俯视图，测点的空间位置如图11所示。
3.2 测定结果分析
对测定结果进行统计分析，得到风流方向(即距采煤机5，10，15，20 m处)、工作面水平方向(即距工作面煤壁1，1.8，2.6，3.4 m处)及工作面垂直方向(即距底板1，1.7，2.4，3.1 m处)的H2S浓度分布规律。结合现场测定结果及文献[14]可知，在顺风割煤和逆风割煤2种情况下，仅H2S浓度不同，但浓度分布规律相同，故只选取顺风割煤情况下的H2S浓度分布规律进行研究，如图12所示。
由图12可看出：在距离工作面煤壁1 m处，随着距底板高度增加，由于H2S气体比空气重，出现沉降现象，H2S浓度呈现出减小的趋势；随着与工作面煤壁的距离增加，由于前部中部槽运煤引射风流及风流浮力等作用，并结合沉降因素，H2S浓度呈现出先增大再减小的趋势；工作面空间中的H2S主要是由于采煤机割煤导致煤体破碎后释放的，经过工作面空间的扩散，随着与工作面煤壁距离的增加，H2S浓度逐渐减小；在采煤机下风流方向，H2S随风流逐渐扩散，故H2S浓度随着与采煤机距离的增加而逐渐减小。现场测定结果与数值模拟结果相近，H2S动态运移规律一致，验证了数值模拟结果的可靠性。
(a) 主视图
(b) 左视图
(c) 俯视图
图11 测点的空间位置
Fig.11 Spatial positions of measuring points
(a) 距工作面煤壁1 m
(b) 距工作面煤壁1.8 m
(c) 距工作面煤壁2.6 m
(d) 距工作面煤壁3.4 m
图12 顺风割煤情况下的H2S浓度分布规律
Fig.12 H2S concentration distribution law in the case of cutting coal downwind
4 结论
(1) 以陕西某煤矿为研究背景，根据现场情况构建几何模型、划分网格、设定参数，运用Fluent模拟软件研究了煤矿综放工作面H2S动态运移规律。
(2) 通过数值模拟和现场测定，得到了综放工作面H2S动态运移规律：在垂直方向，随着距底板高度增加，H2S浓度先增大后减小；在水平方向，随着与工作面煤壁距离增加，H2S浓度逐渐减小；在风流方向，随着与采煤机距离增加，H2S浓度逐渐减小。
(3) 数值模拟结果与现场监测结果一致，验证了数值模拟模型、参数设置的合理性和数值模拟方法的可行性，可为现场H2S运移规律研究提供参考。
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