高 磊，祝凌甫，許紅杰

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

大興礦兩翼分區(qū)域通風(fēng)運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定性研究

高 磊，祝凌甫，許紅杰

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

大興礦兩翼分區(qū)通風(fēng)，南北運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定，可能引起南北運輸大巷中存在瓦斯積聚、甚至超限，也可能引發(fā)兩翼采區(qū)內(nèi)采煤工作面的風(fēng)量變化，或造成采空區(qū)漏風(fēng)體系內(nèi)壓差的變化，導(dǎo)致或加劇采空區(qū)遺留煤自燃的危險，影響工作面的順利回采。為解決南北運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定問題，通過大興礦現(xiàn)場實際觀測，得出大興礦井巷通風(fēng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參數(shù)，建立大興礦全礦井巷道系統(tǒng)模型。運用TF1M3D仿真軟件對大興礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出在地表大氣溫度33℃，711工作面在末采位置、1號調(diào)節(jié)風(fēng)門關(guān)閉、2和3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積為5.1m2時南北運輸大巷風(fēng)流停滯，繼續(xù)增大2和3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積后風(fēng)流發(fā)生反向。為有效控制大興礦南北運輸大巷的風(fēng)流穩(wěn)定性提供了參考。

通風(fēng)穩(wěn)定性；礦井通風(fēng)仿真；阻力分析；自然風(fēng)壓

Study of Air Flow Stability of Ventilation Main Haulage Roadway of different Region in Two Wings of Daxing Coal Mine

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料，在國民經(jīng)濟中具有重要的戰(zhàn)略地位。在我國一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭將長期是我國的主要能源[1-2]，礦井通風(fēng)工作依然是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。我國大型礦井主要采用的通風(fēng)方式是多風(fēng)井多風(fēng)機聯(lián)合通風(fēng)，這就使得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，用風(fēng)地點增多，分析通風(fēng)設(shè)施、角聯(lián)風(fēng)路和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)已成為通風(fēng)計算與技術(shù)管理中的一大難題[3-7]。

鐵煤集團大興礦井田分南北兩翼開采，兩區(qū)域各有獨立的進(jìn)、回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)，由南北運輸大巷連通，風(fēng)流方向經(jīng)常發(fā)生變化，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)管理工作造成困擾。

論文用回路法建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流分配數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用牛頓-拉夫森法求解回路風(fēng)壓非線性方程組對大興礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，找出引起南北運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定問題的影響因素，并提出預(yù)防措施，為保證大興礦南北運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定的管理工作提供了有效的參考。

1 大興礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

鐵法礦區(qū)大興礦采用兩翼分區(qū)通風(fēng)，兩區(qū)域各有獨立的進(jìn)、回風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)，礦井無串聯(lián)通風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)合理，實現(xiàn)了獨立的分區(qū)通風(fēng)。掘進(jìn)工作面設(shè)有通風(fēng)機，采用局部壓入式通風(fēng)為掘進(jìn)面提供充足風(fēng)量，綜采工作面采用的通風(fēng)方式為全負(fù)壓U型通風(fēng)。由于大興礦采用兩翼分區(qū)通風(fēng)方式，致使連接兩翼采區(qū)的南北運輸大巷出現(xiàn)對拉爭風(fēng)，容易出現(xiàn)南北運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2 南北運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定性的影響因素分析

2.1 711工作面推進(jìn)位置的影響

礦井通風(fēng)路線隨著711工作面的推進(jìn)而不斷變化，通風(fēng)系統(tǒng)和各分支風(fēng)量也隨之改變。應(yīng)用TF1M3D對711工作面初采和末采位置時通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示，711工作面在初采和末采位置時，南北運輸大巷風(fēng)流量分別為22.71和22.16 m3/s，可見，末采位置時的風(fēng)量比初采位置時小0.55 m3/s。

2.2 自然風(fēng)壓的影響

TF1M3D能夠根據(jù)進(jìn)風(fēng)井口風(fēng)流溫度、地溫變化和井下放熱源分布，計算礦井系統(tǒng)的風(fēng)流溫度分布，實現(xiàn)自然風(fēng)壓仿真。以711工作面末采位置為基礎(chǔ)，對比分析季節(jié)變化產(chǎn)生的自然風(fēng)壓對南北運輸大巷風(fēng)量的影響。根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁亟y(tǒng)計，夏季和冬季的地表氣溫最高和最低值分別為33℃和-32℃，利用TF1M3D仿真平臺對礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流溫度分布進(jìn)行系統(tǒng)模擬，由于冬季井口采暖系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，TF1M3D自動將進(jìn)風(fēng)流溫度提升至2℃。模擬得出在夏季進(jìn)風(fēng)井風(fēng)流溫度33℃時，中央風(fēng)井自然風(fēng)壓為-58.5633Pa，南風(fēng)井自然風(fēng)壓為-19.8965Pa，礦井南北運輸大巷風(fēng)量為22.77m3/s，在冬季風(fēng)井風(fēng)流溫度2℃時，中央風(fēng)井自然風(fēng)壓為501.595Pa，南風(fēng)井自然風(fēng)壓為438.921Pa，礦井南北運輸大巷風(fēng)量為25.56m3/s，對比得出礦井南北運輸大巷風(fēng)量在地面大氣33℃時比冬季要小2.79m3/s。

2.3 通風(fēng)阻力的影響

大興礦為南北兩翼分區(qū)通風(fēng)，大興礦通風(fēng)系統(tǒng)示意如圖1所示，其中兩進(jìn)風(fēng)井區(qū)域巷道風(fēng)阻分別為R1和R3；中央風(fēng)井和南翼風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量分別為Q中入和Q南入；中央回風(fēng)井所負(fù)擔(dān)的通風(fēng)區(qū)域的總風(fēng)阻為R2；通風(fēng)機風(fēng)量為Q中央；中央風(fēng)井通風(fēng)機的工作風(fēng)阻為R中央；南回風(fēng)井所負(fù)擔(dān)的通風(fēng)區(qū)域的總風(fēng)阻為R4；通風(fēng)機風(fēng)量為Q南翼；南回風(fēng)井通風(fēng)機的工作風(fēng)阻為R南翼。

以角聯(lián)風(fēng)路的風(fēng)流方向判定準(zhǔn)則為依據(jù)，穩(wěn)定南北運輸大巷向南翼送風(fēng)，應(yīng)滿足下式：

(1)

式中，R1為中央井底車場巷道網(wǎng)總風(fēng)阻，變化不大；R3是南風(fēng)井的主要進(jìn)風(fēng)巷道，其中設(shè)置有調(diào)節(jié)風(fēng)窗，可人為進(jìn)行任意調(diào)控。所以，R3是關(guān)鍵控制風(fēng)阻。R2和R4是隨生產(chǎn)情況而變化的風(fēng)阻，在不同時期，R2和R4存在變化，導(dǎo)致運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定甚至改變方向。

根據(jù)推導(dǎo)，得出南風(fēng)井通風(fēng)機的工作風(fēng)阻：

(2)

對上式進(jìn)行理論分析可知，提高中央風(fēng)井風(fēng)量，南風(fēng)井通風(fēng)機的工作風(fēng)阻增大，引起南風(fēng)井風(fēng)量降低，反之，降低中央風(fēng)井風(fēng)量，南風(fēng)井風(fēng)量增大。降低R1，可以降低此影響。而實際上R1很小，故上述影響不大。

通過對簡化的大興煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出1，2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門對南北運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定性影響較大，1，2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門的位置見圖2。

圖2 大興礦南翼礦井系統(tǒng)

以地表最高溫33℃和711工作面末采位置為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門進(jìn)行模擬，得出打開1號調(diào)節(jié)風(fēng)門，2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積與南北運輸大巷的風(fēng)量關(guān)系見圖3。

圖3 打開1號調(diào)節(jié)風(fēng)門，2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積與南北運輸大巷風(fēng)量的變化曲線

由圖3可知，在地表溫度33℃，711工作面在末采位置時，隨著2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積的不斷變大，南北運輸大巷風(fēng)量不斷變小，但不會出現(xiàn)風(fēng)流停滯或反向，需要對1號調(diào)節(jié)風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)。關(guān)掉1號調(diào)節(jié)風(fēng)門，調(diào)節(jié)2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門進(jìn)行模擬，計算2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積與南北運輸大巷的風(fēng)量的關(guān)系，如圖4所示。關(guān)閉1號調(diào)節(jié)風(fēng)門，當(dāng)2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積為5.1m2時，運輸大巷風(fēng)流出現(xiàn)停滯，繼續(xù)增大2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門的面積，南北運輸大巷風(fēng)流發(fā)生反向，且反向風(fēng)量繼續(xù)增大。

圖4 關(guān)閉1號調(diào)節(jié)風(fēng)門，2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積與南北運輸大巷風(fēng)量的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)大興礦南北運輸大巷風(fēng)流不穩(wěn)定是由自然風(fēng)壓、不同工作面推進(jìn)度、不同通風(fēng)阻力共同作用造成的。在地表大氣33℃時，711工作面處在末采位置、1號調(diào)節(jié)風(fēng)門關(guān)閉、2和3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積為5.1 m2時南北運輸大巷風(fēng)流停滯；增大2，3號調(diào)節(jié)風(fēng)門面積，南北運輸大巷風(fēng)流發(fā)生反向。此結(jié)論為大興礦南北運輸大巷通風(fēng)管理工作提供了有效的參考，解決了南北運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定性問題。

(2)在研究大興礦多風(fēng)井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流穩(wěn)定性的問題中，仍存在不足，計算風(fēng)流按照穩(wěn)定流考慮，實際中風(fēng)壓導(dǎo)致的風(fēng)流狀態(tài)發(fā)生改變與時間有關(guān)，因此，用非穩(wěn)定流計算更精確；南北運輸大巷的風(fēng)量降低或風(fēng)流停滯導(dǎo)致瓦斯積聚，是非穩(wěn)定過程，與瓦斯?jié)舛茸兓嘘P(guān)，可建立礦井風(fēng)流組分氣體運移擴散模型，進(jìn)一步深入仿真分析。

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[責(zé)任編輯：周景林]

2016-12-11

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.030

高 磊(1990-)，男，遼寧阜新人，碩士，從事礦井通風(fēng)研究工作。

高 磊，祝凌甫，許紅杰.大興礦兩翼分區(qū)域通風(fēng)運輸大巷風(fēng)流穩(wěn)定性研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：104-105.

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1006-6225(2017)03-0104-02