王 飛， 王星宇

(1.同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司, 山西 大同 037000;2.大連楓葉職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116000)

內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)瓦斯抽采規(guī)律的相似模擬實(shí)驗(yàn)

王 飛1， 王星宇2

(1.同煤集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司, 山西 大同 037000;2.大連楓葉職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116000)

為提高內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)的瓦斯抽采效率，基于流體相似模擬理論，1∶10的幾何比例焊接成工作面進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究工作面內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)規(guī)律性，分析抽放風(fēng)量與甲烷流量的關(guān)系、頂抽巷位置與回風(fēng)甲烷流量和抽放甲烷流量的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著抽放風(fēng)量的增加，由于“順效應(yīng)”和“逆效應(yīng)”的影響，甲烷流量增加速率先提高后降低，存在最優(yōu)抽放點(diǎn)；1、2、3 m位置的最優(yōu)抽放風(fēng)量為50、70、100 m3/min，甲烷流量為0.475、0.644、0.580 m3/min，電機(jī)功率為92、103、179 kW；2 m位置抽放風(fēng)量為70 m3/min時(shí)，甲烷流量增速最高點(diǎn)、耗能低，為系統(tǒng)最優(yōu)點(diǎn)。該研究為瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路。

瓦斯抽采； 相似模擬； 風(fēng)量； 甲烷流量； 速率； 最優(yōu)點(diǎn)

隨著煤礦的深入開采，開采深度逐年加深。開采深度的增加，煤層瓦斯賦存含量必然隨之升高，井下瓦斯涌出量也會(huì)大幅提高，增加了煤層突出和瓦斯爆炸的可能性，危及人員生命及財(cái)產(chǎn)安全。利用瓦斯抽采技術(shù)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，不僅降低采煤工作面危險(xiǎn)性，也做到了瓦斯的合理利用[1-2]。采煤工作面采用內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)抽放，取得很好的治理效果。隨著內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)的極大推廣，其使用的高效性、節(jié)能性的研究就顯得尤為重要。然而，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在著工作面瓦斯積聚爆炸、設(shè)備損耗及人員安全等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用相似模擬理論對(duì)內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究，就有著極為重要的意義。

1 相似模擬理論

相似模擬必須具備幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似三個(gè)條件，兩個(gè)流體系統(tǒng)的流體流動(dòng)狀態(tài)才能一致[3]。幾何相似邊界條件為實(shí)物與模擬流對(duì)應(yīng)尺寸成比例，如式(1)；運(yùn)動(dòng)相似為對(duì)應(yīng)瞬間，所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度大小比值固定，方向一致，如式(2)；動(dòng)力相似為對(duì)應(yīng)瞬時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)上力性質(zhì)相同，方向一致，比值固定，如式(3)；幾何相似是模型相似的必要條件，動(dòng)力相似則是模型相似的充要條件；風(fēng)流流動(dòng)主要靠慣性力和黏性力，滿足動(dòng)力相似的條件為雷諾數(shù)相等，如式(4)。由雷諾數(shù)相等得到相似模型與實(shí)物風(fēng)量關(guān)系如式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中：C為相似比例常數(shù)；l為長(zhǎng)度；v為速度；F為受力；Re為雷諾數(shù);μ為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);q為風(fēng)量；U為巷道周界；實(shí)物流動(dòng)用腳標(biāo)t表示；模型流用腳標(biāo)m表示。

2 頂抽系統(tǒng)相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)采煤工作面相似模型以同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司81503采煤工作面內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)為基礎(chǔ)。采用方形不銹鋼管與不銹鋼材料按幾何比例1∶10焊接形成工作面相似模型[4]?？紤]采空區(qū)隨著“三帶”逐漸密實(shí)情況，利用碎石塊模擬81503工作面“三帶”密實(shí)分布[5]；布置20個(gè)甲烷釋放點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)釋放甲烷流量為0.05 m3/min。模型設(shè)置風(fēng)量、甲烷濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。頂抽巷及回風(fēng)巷安設(shè)型號(hào)為2BE3520(420減速機(jī))水循環(huán)瓦斯抽放泵進(jìn)行抽放風(fēng)量。工作面內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)模型及參數(shù)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。相似模型與實(shí)物參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖1 頂抽系統(tǒng)相似模擬模型

工作面參數(shù)參數(shù)值相似模擬模型21503進(jìn)風(fēng)量/m3·min-12500250絕對(duì)瓦斯涌出量/m3·min-110151503斷面(長(zhǎng)×高)/m5.2×3.50.52×0.3551503-1斷面(長(zhǎng)×高)/m4.0×3.00.40×0.3021503斷面(長(zhǎng)×高)/m4.5×3.50.45×0.3551503與21503水平間距/m180.018.051503-1與工作面水平間距/m35.03.551503-1與工作面層間距/m10.01.0散熱帶寬度/m40.04.0自然帶寬度/m70.07.0

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整頂抽巷與進(jìn)回風(fēng)巷的距離以及頂抽巷抽采風(fēng)量得到內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)規(guī)律性。頂抽巷與回風(fēng)巷距離d為1、2、3 m；進(jìn)風(fēng)風(fēng)量為定值250 m3/min，頂抽巷抽放量抽放范圍為20～130 m3/min，進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)，得到回風(fēng)量與甲烷流量、抽放量與甲烷流量、上隅角甲烷體積分?jǐn)?shù)及抽放泵功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

根據(jù)相似模擬正交實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以風(fēng)量q為橫坐標(biāo)，甲烷流量qCH4為縱坐標(biāo)繪制曲線，見圖2。實(shí)驗(yàn)得到各點(diǎn)上隅角甲烷體積分?jǐn)?shù)φ如表2所示。

表2 上隅角甲烷體積分?jǐn)?shù)

隨著抽放風(fēng)量的增加，風(fēng)流中甲烷流量也隨之增加。抽放甲烷流量增加速率隨著風(fēng)量的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。風(fēng)流的流動(dòng)方向從進(jìn)風(fēng)巷流向回風(fēng)巷，抽放風(fēng)流同時(shí)存在順風(fēng)抽和逆風(fēng)抽兩種情形；頂抽入口處抽放靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)為順風(fēng)抽有利于抽放風(fēng)流，為“順效應(yīng)”，靠近回風(fēng)側(cè)為逆風(fēng)抽不利于抽放風(fēng)流，為“逆效應(yīng)”。相似模擬模型工作面長(zhǎng)度為18 m，實(shí)驗(yàn)頂回位置處抽放風(fēng)量較小時(shí)，“順效應(yīng)”起主導(dǎo)作用，甲烷易被吸入，甲烷增加速率隨之增加；當(dāng)抽放風(fēng)量逐漸較大時(shí)，靠近回風(fēng)側(cè)風(fēng)被大量吸入，“逆效應(yīng)”作用增大，導(dǎo)致甲烷流量增加速率降低；抽放風(fēng)量越高，抽出甲烷流量越高，耗能越高，抽放速率存在先增加后降低的情形，故選擇甲烷增加速率作為甲烷抽放指標(biāo)；甲烷增加速率最高點(diǎn)抽放效率最佳即為最優(yōu)抽放點(diǎn)?？傔M(jìn)風(fēng)量與總甲烷流量為定值，回風(fēng)量與甲烷流量曲線隨著抽放風(fēng)量與甲烷流量的變化而逆變化。

a 抽放風(fēng)量與甲烷流量

b 回風(fēng)量與甲烷流量

對(duì)比圖2a、b曲線，隨著距離的加大，抽放風(fēng)量與甲烷流量曲線坡度逐漸減緩；1 m位置時(shí)曲線最陡，3 m位置時(shí)曲線最緩。順著采空區(qū)風(fēng)流方向，甲烷流量逐漸增加，越靠近回風(fēng)巷，越容易抽到甲烷，故甲烷流量增幅較快。1、2、3 m位置頂抽風(fēng)量與甲烷流量關(guān)系中，抽放風(fēng)量分別在50、70、100 m3/min時(shí)達(dá)到速率最高點(diǎn)， 甲烷流量依次為0.475、0.644、0.580 m3/min，上隅角甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.57%、0.36%、0.62%。最優(yōu)點(diǎn)甲烷量2 m位置處最高；1 m位置時(shí)靠近回風(fēng)巷，風(fēng)流阻力較大，“逆效應(yīng)”作用明顯，3 m位置離回風(fēng)巷較遠(yuǎn)，甲烷抽放在采空區(qū)回風(fēng)方向之外，“逆效應(yīng)”作用，不利于瓦斯抽放，故2 m位置最優(yōu)點(diǎn)甲烷流量最高；最優(yōu)點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)均未超限，符合要求。1、2、3 m位置時(shí)電機(jī)功率為92、103、179 kW，甲烷抽放量與功率比值為1.84、1.47、1.79；2 m位置，抽放風(fēng)量70 m3/min時(shí)，甲烷流量高、耗能低，為系統(tǒng)最優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)果應(yīng)用

現(xiàn)階段虎龍溝煤業(yè)公司81503采煤工作面內(nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)瓦斯抽放泵抽放量為960 m3/min，耗能為1 005 kW/h；頂抽巷與回風(fēng)巷間距為20 m。由式(5)可知。

相似模擬實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)錯(cuò)式頂抽系統(tǒng)最優(yōu)點(diǎn)為2m位置，甲烷抽放流量為70m3/min，qt51503-1=10×70=700m3/min，甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.92%，甲烷流量為6.44m3/min；對(duì)應(yīng)回風(fēng)風(fēng)量為1 800m3/min，甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.18%，甲烷流量為3.24m3/min，上隅角甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.36%。實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)，實(shí)測(cè)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為10.28m3/min，51505-1巷抽采風(fēng)量為700m3/min時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.89%，瓦斯量為6.23m3/min；回風(fēng)量瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.17%，瓦斯量為3.06m3/min，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.38%；與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。抽放風(fēng)量為700m3/min時(shí)，耗能為748kW/h，每年節(jié)省電費(fèi)S=(1 005-748)×24×365×0.65=146.34萬元。

5 結(jié)束語

相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q現(xiàn)實(shí)條件下難以實(shí)現(xiàn)或者危險(xiǎn)性較大的工程實(shí)踐。采煤工作面內(nèi)錯(cuò)式抽放系統(tǒng)，隨著瓦斯抽放風(fēng)量的增加，風(fēng)流中瓦斯量也隨之增加。瓦斯抽放 “順效應(yīng)”與“逆效應(yīng)”共同作用下，瓦斯量增加速率隨著風(fēng)量呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。順著采空區(qū)風(fēng)流方向抽放，風(fēng)阻小，有利于瓦斯抽放，距離回風(fēng)巷越遠(yuǎn)，越不利于瓦斯抽放；距離回風(fēng)巷越近，抽放阻力越大，抽放效果不佳。通過相似模擬結(jié)果應(yīng)用于同煤集團(tuán)虎龍溝81503工作面頂抽系統(tǒng)，取得了很好的效果。相似模擬實(shí)驗(yàn)不僅給瓦斯抽放系統(tǒng)的研究提供新思路及技術(shù)參數(shù)，而且對(duì)頂抽系統(tǒng)的有效利用也有一定意義。

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 王 冬)

Experiment of internal system based on analog simulation

WangFei1，WangXingyu2

(1.Datong Coal Mine Group of Hulonggou, Datong 037000, China;2.Dalian Harbour Affairs College, Dalian 116000, China)

This paper describes an experiment building on fluid analog simulation and using the 1∶10 ratio. The study works towards an investigation into the underlying law behind staggered top pumping system working in the coal faces and an analysis of the relationship between the drainage volume and gas content and the relationship between roof drainage roadway position and return air gas quantity and gas drainage amount. The results demonstrate that along with an increase in the drainage volume comes an initial increase and a subsequent decrease in gas rate due to the “smooth effect” and “reverse effect”, suggesting an optimal drainage point; the location 1, 2, 3 m away from the return airway is observed to have an optimal drainage air volume of 50, 70, 100 m3/min; a gas content of 0.475, 0.644 and 0.580 m3/min, and a motor power of 92, 103 and 179 kW; the location 2 m away from the return airway, with the 70 m3/min drainage volume, makes the optimum point in the system, displaying the highest gas content and the lowest energy consumption and thus proving practicable and high-efficient. The research may provide a novel idea for gas drainage system.

gas drainage; analog simulation; air volume; gas content; rate; optimum

2017-03-28

王 飛(1988-)，男，山西省平遙人，助理工程師，碩士，研究方向：礦山通風(fēng)理論及技術(shù)，E-mail:wangfei20080808521@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.005

TD712

2095-7262(2017)05-0468-04

A