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(tuán)沈陽(yáng)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(hào)、13號(hào)煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，井田南北長(zhǎng)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(hào)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(hào)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(xì)粒砂巖。8號(hào)煤透氣性系數(shù)為0.00927～0.01416m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8號(hào)煤18205工作面位于12采區(qū)輔助運(yùn)輸下山南側(cè)，東部、南部、西部均為實(shí)煤區(qū)。工作面標(biāo)高為+520～+584m，可采走向長(zhǎng)度為2800m，傾斜長(zhǎng)為260m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行回采，長(zhǎng)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(jìn)速度3.2m/d，工作面共計(jì)157個(gè)支架；采用U型通風(fēng)方式，根據(jù)掘進(jìn)資料，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.88m3/min，局部煤巖層裂隙瓦斯富集，預(yù)計(jì)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(jìn)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(dòng)風(fēng)機(jī)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(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)18205工作面的實(shí)際情況和模擬要求，對(duì)18205工作面的工程實(shí)際進(jìn)行簡(jiǎn)化：將18205工作面的物理模型分為5個(gè)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(jìn)回風(fēng)巷，各部分均簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體模型，忽略工作面頂?shù)装鍖?duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)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(yùn)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(dòng)風(fēng)機(jī)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(yùn)移時(shí)，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(yùn)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(diǎn)1～2m處，瓦斯?jié)舛热匀惶幱谠龃筅厔?shì)，回風(fēng)巷距工作面3～7m處瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)降低的趨勢(shì)；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(yùn)移速度有關(guān)，瓦斯撞擊到回風(fēng)巷煤壁后，氣流會(huì)呈現(xiàn)反彈趨勢(shì)，致使瓦斯運(yùn)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(yùn)移過程中，運(yùn)移速度基本保持相對(duì)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(yùn)移過程中，從進(jìn)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(gè)范圍，在隅角處瓦斯壓力相對(duì)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(dá)到峰值，沿工作面傾向瓦斯?jié)舛然静蛔?。模擬結(jié)果表明：瓦斯運(yùn)移速度、瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅孀呦蛞来卧龃?，在深部采空區(qū)達(dá)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(dá)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(dòng)風(fēng)機(jī)的布置及效果分析

氣動(dòng)風(fēng)機(jī)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(dòng)風(fēng)機(jī)類型主要分為射流擾動(dòng)型和制冷降溫型，射流擾動(dòng)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(dòng)風(fēng)機(jī)的功能及斜溝煤礦實(shí)際情況，選擇射流擾動(dòng)型風(fēng)機(jī)。

3.1 氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征及基本參數(shù)

新鮮風(fēng)流從入口進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)，其葉輪被主軸帶動(dòng)而快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使吸收進(jìn)來的新鮮風(fēng)流經(jīng)過防護(hù)網(wǎng)的進(jìn)風(fēng)口流入葉輪，經(jīng)過帶有導(dǎo)頁(yè)的環(huán)形氣流通道后射出大量的高能量氣流，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，射流擾動(dòng)型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示和風(fēng)機(jī)實(shí)物如圖5所示。氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)見表1。

3.2 氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝

氣動(dòng)風(fēng)機(jī)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(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝要求，風(fēng)機(jī)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(dá)到最大，在回風(fēng)巷1～2m處仍有增大的趨勢(shì)，3～7m處慢慢減小?，F(xiàn)分別布置兩套氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝方案，通過對(duì)比兩種方案氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝后，工作面瓦斯分布情況，為氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝提供依據(jù)。氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝位置如圖6所示。

表1 基本參數(shù)與尺寸

1—進(jìn)口防護(hù)網(wǎng)；2—外筒；3—風(fēng)機(jī)葉輪；4—內(nèi)筒；5—?dú)怦R達(dá)；6—進(jìn)出氣管；7—?dú)鈩?dòng)布風(fēng)輪；8—可調(diào)葉片；9—出口防護(hù)網(wǎng)；10—布風(fēng)輪軸承座；11—葉輪軸承座圖4 射流擾動(dòng)型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 氣動(dòng)風(fēng)機(jī)實(shí)物

圖6 氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝方案示意圖

方案一：氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在18205工作面上隅角處，風(fēng)機(jī)用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在260號(hào)架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機(jī)出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)回風(fēng)巷。

方案二：氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處的位置，風(fēng)機(jī)用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號(hào)架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機(jī)出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)上隅角。

3.3 氣動(dòng)風(fēng)機(jī)布置方式的選擇

通過觀察瓦斯?jié)舛葋矸治鰵鈩?dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?。通過對(duì)比三種方案，得到上隅角的實(shí)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(duì)比分析檢修班、生產(chǎn)班8個(gè)小時(shí)內(nèi)上隅角的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，得到氣動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)工作面瓦斯分布的影響。

圖7 檢修班使用風(fēng)機(jī)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(jī)前后工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

通過對(duì)比檢修班、生產(chǎn)班8個(gè)小時(shí)內(nèi)上隅角的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，來揭示氣動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響。

由圖7可以看出，在檢修班期間無(wú)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.45%左右；當(dāng)氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在18205工作面上隅角時(shí)(方案一)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后瓦斯?jié)舛认啾葻o(wú)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)有所下降，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.4%左右；當(dāng)氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處的位置時(shí)(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(wú)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)，瓦斯?jié)舛然揪S持在0.75%左右；當(dāng)采用方案一時(shí)，瓦斯?jié)舛绕骄s0.65%，比無(wú)風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)略低；當(dāng)采用方案二時(shí)，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(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)減小上隅角瓦斯?jié)舛绕鸬揭欢ǖ男Ч?，但安裝在上隅角并不是合適的位置，最終確定檢修班期間氣動(dòng)風(fēng)機(jī)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(duì)三種情況下的檢修班和生產(chǎn)班時(shí)18205工作面上隅角的瓦斯?jié)舛确治觯_定采用方案二氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝方式進(jìn)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(yùn)移速度有關(guān)，瓦斯撞擊回風(fēng)巷煤壁后，氣流會(huì)呈現(xiàn)反彈趨勢(shì)，致使瓦斯運(yùn)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(yùn)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(dá)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(dá)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(dòng)風(fēng)機(jī)的安裝方式如下：氣動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在18205工作面回風(fēng)側(cè)距上隅角7m處，風(fēng)機(jī)用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號(hào)架頂梁上，吊掛牢固后，使風(fēng)機(jī)出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)上隅角。