郝利生 畢建乙 劉飛宇 孫 亮

(1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 033602；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 123000；3.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 113122)

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省興縣縣城北50km處嵐漪河兩側(cè)，隸屬于興縣魏家灘鎮(zhèn)和保德縣南河溝鎮(zhèn)，屬于河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)，主采煤層為8號、13號煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，井田南北長約22km，東西寬約4.5km，面積為88.6km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8號煤層厚度為3.80～5.50m，平均厚度為4.70m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8號煤為自燃煤層，最短自然發(fā)火期為63d，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖。8號煤透氣性系數(shù)為0.00927～0.01416m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8號煤18205工作面位于12采區(qū)輔助運輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+520～+584m，可采走向長度為2800m，傾斜長為260m，采用綜合機械化采煤工藝進行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，平均推進速度3.2m/d，工作面共計157個支架；采用U型通風(fēng)方式，根據(jù)掘進資料，最大絕對瓦斯涌出量為0.88m3/min，局部煤巖層裂隙瓦斯富集，預(yù)計回采過程中，局部瓦斯涌出量較大。目前工作面瓦斯涌出量為14.15m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛容^大，嚴(yán)重影響工作面的推進速度。18205工作面布置方式如圖1所示。

圖1 18205工作面布置方式

2 模擬上隅角瓦斯的分布規(guī)律

使用Fluent模擬研究工作面、上隅角的瓦斯分布規(guī)律，為選擇氣動風(fēng)機的類型、安裝位置及布置方式提出依據(jù)。

2.1 18205工作面瓦斯流場數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)18205工作面的實際情況和模擬要求，對18205工作面的工程實際進行簡化：將18205工作面的物理模型分為5個部分，自內(nèi)向外依次為深部采空區(qū)、淺部采空區(qū)、支架部分、工作面、進回風(fēng)巷，各部分均簡化為長方體模型，忽略工作面頂?shù)装鍖Σ煽諈^(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響。由于采空區(qū)隨其深度的不同，呈現(xiàn)的規(guī)律性也有所不同，故將采空區(qū)的模型分成兩部分。深部采空區(qū)的模型尺寸為40m×260m×10m(走向、傾向、高)；淺部采空區(qū)的模型尺寸為25m×260m×6m；支架部分的模型尺寸為2m×260m×3m；工作面的模型尺寸為6m×260m×5m；兩巷道的模型尺寸均為3m×6m×4m。18205工作面物理模型如圖2所示。

圖2 18205工作面模型

2.2 18205工作面瓦斯運移規(guī)律模擬結(jié)果分析

通過研究18205工作面及上隅角平面速度、氣體壓力、瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律為氣動風(fēng)機布置提出依據(jù)，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖3a得到：瓦斯由工作面向回風(fēng)巷運移時，受回風(fēng)巷煤壁阻力的影響，在上隅角出現(xiàn)短暫的停滯，是瓦斯運移速度減慢的主要原因；從圖3b發(fā)現(xiàn)：上隅角瓦斯出現(xiàn)短暫的停滯是造成上隅角瓦斯聚集的重要原因，致使瓦斯壓力同比其他區(qū)域高，距工作面3～7m處瓦斯壓力開始減小，壓力的峰值位于工作面回風(fēng)側(cè)2～5m處；由圖3c可得：瓦斯在上隅角短暫的停留導(dǎo)致瓦斯?jié)舛容^大，在工作面2～6m處瓦斯?jié)舛茸罡?，距回風(fēng)巷與工作面的交界點1～2m處，瓦斯?jié)舛热匀惶幱谠龃筅厔?，回風(fēng)巷距工作面3～7m處瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)降低的趨勢；模擬結(jié)果表明：上隅角的瓦斯壓力和瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律基本相同，均與瓦斯運移速度有關(guān)，瓦斯撞擊到回風(fēng)巷煤壁后，氣流會呈現(xiàn)反彈趨勢，致使瓦斯運移速度減緩，積聚在此處的瓦斯量增多，使瓦斯壓力及瓦斯?jié)舛绕蟆?/p>

由圖3d發(fā)現(xiàn)：位于工作面的瓦斯在運移過程中，運移速度基本保持相對不變，受隅角局部阻力的影響，在隅角處瓦斯出現(xiàn)短暫的停滯；從圖3e可得：沿著工作面傾向瓦斯在運移過程中，從進風(fēng)巷到回風(fēng)巷瓦斯壓力不斷增大，根據(jù)瓦斯壓力的大小大致可劃分五個范圍，在隅角處瓦斯壓力相對較大；由圖3f得到：沿著工作面走向瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃?，在深部采空區(qū)達到峰值，沿工作面傾向瓦斯?jié)舛然静蛔儭ＤM結(jié)果表明：瓦斯運移速度、瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅孀呦蛞来卧龃螅谏畈坎煽諈^(qū)達到最大；沿工作面傾向瓦斯壓力依次增大，在回風(fēng)巷側(cè)達到最大，受隅角阻力的影響在隅角處的瓦斯壓力突然升高。

3 氣動風(fēng)機的布置及效果分析

氣動風(fēng)機是一種排風(fēng)設(shè)備，適用于各種通風(fēng)系統(tǒng)，專門滿足地下管道的局部通風(fēng)系統(tǒng)的需要。目前，礦用氣動風(fēng)機類型主要分為射流擾動型和制冷降溫型，射流擾動型主要應(yīng)用分散局部區(qū)域的氣體聚集，制冷降溫型主要應(yīng)用降低局部區(qū)域氣體溫度，根據(jù)氣動風(fēng)機的功能及斜溝煤礦實際情況，選擇射流擾動型風(fēng)機。

3.1 氣動風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特征及基本參數(shù)

新鮮風(fēng)流從入口進入氣動馬達，其葉輪被主軸帶動而快速轉(zhuǎn)動，使吸收進來的新鮮風(fēng)流經(jīng)過防護網(wǎng)的進風(fēng)口流入葉輪，經(jīng)過帶有導(dǎo)頁的環(huán)形氣流通道后射出大量的高能量氣流，實現(xiàn)風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，射流擾動型風(fēng)機結(jié)構(gòu)如圖4所示和風(fēng)機實物如圖5所示。氣動風(fēng)機的基本參數(shù)見表1。

3.2 氣動風(fēng)機的安裝

氣動風(fēng)機不能產(chǎn)生新風(fēng)，而是在新風(fēng)流的配合下完成工作。按照氣動風(fēng)機的安裝要求，風(fēng)機必須安裝在巷道新鮮風(fēng)流一側(cè)。根據(jù)模擬可知：瓦斯壓力、 濃度在工作面回風(fēng)側(cè)2～5m處達到最大，在回風(fēng)巷1～2m處仍有增大的趨勢，3～7m處慢慢減小。現(xiàn)分別布置兩套氣動風(fēng)機的安裝方案，通過對比兩種方案氣動風(fēng)機安裝后，工作面瓦斯分布情況，為氣動風(fēng)機的安裝提供依據(jù)。氣動風(fēng)機安裝位置如圖6所示。

表1 基本參數(shù)與尺寸

1—進口防護網(wǎng)；2—外筒；3—風(fēng)機葉輪；4—內(nèi)筒；5—氣馬達；6—進出氣管；7—氣動布風(fēng)輪；8—可調(diào)葉片；9—出口防護網(wǎng)；10—布風(fēng)輪軸承座；11—葉輪軸承座圖4 射流擾動型風(fēng)機結(jié)構(gòu)

圖5 氣動風(fēng)機實物

圖6 氣動風(fēng)機安裝方案示意圖

方案一：氣動風(fēng)機安裝在18205工作面上隅角處，風(fēng)機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在260號架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機出風(fēng)口對準(zhǔn)回風(fēng)巷。

方案二：氣動風(fēng)機安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處的位置，風(fēng)機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機出風(fēng)口對準(zhǔn)上隅角。

3.3 氣動風(fēng)機布置方式的選擇

通過觀察瓦斯?jié)舛葋矸治鰵鈩语L(fēng)機對上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?。通過對比三種方案，得到上隅角的實際瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，三種情況下上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律如圖7、圖8所示。通過對比分析檢修班、生產(chǎn)班8個小時內(nèi)上隅角的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，得到氣動風(fēng)機對工作面瓦斯分布的影響。

圖7 檢修班使用風(fēng)機前后工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

圖8 生產(chǎn)班使用風(fēng)機前后工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

通過對比檢修班、生產(chǎn)班8個小時內(nèi)上隅角的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，來揭示氣動風(fēng)機對工作面瓦斯運移規(guī)律的影響。

由圖7可以看出，在檢修班期間無風(fēng)機擾動時，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.45%左右；當(dāng)氣動風(fēng)機安裝在18205工作面上隅角時(方案一)，啟動風(fēng)機后瓦斯?jié)舛认啾葻o風(fēng)機擾動時有所下降，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.4%左右；當(dāng)氣動風(fēng)機安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處的位置時(方案二)，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.35%左右。同理，由圖8可以看出，生產(chǎn)班期間，在無風(fēng)機擾動時，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.75%左右；當(dāng)采用方案一時，瓦斯?jié)舛绕骄s0.65%，比無風(fēng)機擾動時略低；當(dāng)采用方案二時，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.55%左右；同理可確定方案二效果較好。因此，可以判斷氣動風(fēng)機對減小上隅角瓦斯?jié)舛绕鸬揭欢ǖ男Ч惭b在上隅角并不是合適的位置，最終確定檢修班期間氣動風(fēng)機安裝位置為18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處。

綜上所述，通過對三種情況下的檢修班和生產(chǎn)班時18205工作面上隅角的瓦斯?jié)舛确治?，確定采用方案二氣動風(fēng)機的安裝方式進行消除上隅角瓦斯。

4 結(jié)論

(1)上隅角的瓦斯壓力和瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律基本相同，均與瓦斯運移速度有關(guān)，瓦斯撞擊回風(fēng)巷煤壁后，氣流會呈現(xiàn)反彈趨勢，致使瓦斯運移速度減緩，聚集瓦斯量較多，瓦斯壓力及瓦斯?jié)舛绕蟆?/p>

(2)瓦斯運移速度、瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅孀呦蛞来卧龃螅谏畈坎煽諈^(qū)達到最大；瓦斯壓力沿工作面傾向依次增大，在回風(fēng)巷側(cè)達到最大，受隅角阻力的影響在隅角處的瓦斯壓力突然變大。

(3)通過模擬分析，確定了啟動風(fēng)機的安裝方式如下：氣動風(fēng)機安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處，風(fēng)機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機出風(fēng)口對準(zhǔn)上隅角。