付志剛

(山西晉煤集團(tuán) 澤州天安瑞旺煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

國內(nèi)煤礦工作面的通風(fēng)方式普遍使用“U”型通風(fēng)，針對(duì)工作面的瓦斯涌出規(guī)律也做了諸多研究，但是專門針對(duì)不同傾斜角度的工作面在不同風(fēng)速情況下的瓦斯涌出規(guī)律研究較少。本文將結(jié)合模擬工具開展此方面的研究，以掌握傾斜巷道中的風(fēng)流流場、流場中的瓦斯分布和瓦斯積聚的一般規(guī)律，為更好地采取有效的針對(duì)性綜合措施、防止和控制瓦斯災(zāi)害的發(fā)生提供理論依據(jù)，對(duì)于有效控制礦井采區(qū)瓦斯、防止瓦斯積聚、預(yù)防瓦斯爆炸事故發(fā)生、確保礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型建立

1.1 模擬巷道的物理模型

模擬工作面長120 m(見圖1中Z)，工作面斷面為梯形：上寬3 m，下寬4 m(見圖1中X)，高3 m(見圖1中Y)。假設(shè)煤壁均勻涌出瓦斯，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷斷面為4 m×3 m，為使進(jìn)入和流出工作面巷道的風(fēng)流達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)，需要設(shè)置一定的距離[1-2]。根據(jù)河南理工大學(xué)高建良和王春霞等人的研究，根據(jù)風(fēng)流的速度分布，要求流動(dòng)充分發(fā)展前的長度為30～60倍管道直徑。通過理論計(jì)算分析，合理設(shè)置模擬巷道長度為30 m。巷道傾角分12°和30°兩種情況進(jìn)行研究。

圖1 巷道物理幾何模型

1.2 局部加密網(wǎng)格的劃分

將近煤壁0.01 m區(qū)域設(shè)置為源項(xiàng)區(qū)域，巷道斷面按照雙向連續(xù)1.1倍等比劃分不均勻網(wǎng)格，這樣劃分網(wǎng)格，在近壁面首層網(wǎng)格間距不到0.03 m，就解決了近壁面流場變化大，需要加密網(wǎng)格的問題。進(jìn)回風(fēng)上、下隅角區(qū)域由于風(fēng)流方向發(fā)生改變，紊流程度高，同樣也需要加密網(wǎng)格，將其沿Z方向網(wǎng)格間距劃分為0.2 m，其余煤壁正對(duì)巷道空間以及進(jìn)回風(fēng)巷，都沿巷道方向劃分間距1 m，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分了191 456個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣劃分網(wǎng)格既解決了局部需要加密的要求，又做到了不增加網(wǎng)格數(shù)目[3-5]。通過cooper格式，劃分0.2 m均勻間距網(wǎng)格時(shí)的網(wǎng)格劃分情況進(jìn)行比較。在均勻劃分0.2 m間距網(wǎng)格時(shí)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分了265 829個(gè)節(jié)點(diǎn)，比用局部加密的方法多出了74 373個(gè)節(jié)點(diǎn)，不僅增加了工作量，且在近煤壁處由于網(wǎng)格間距過大，不能反映出真實(shí)流場和瓦斯場的分布情況。

2 風(fēng)速不同對(duì)上下行通風(fēng)工作面煤壁涌出瓦斯分布的影響

2.1 模擬方案

模擬過程設(shè)計(jì)三種模擬方案：方案一：工作面傾斜角度為12°，平均風(fēng)速1.5 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯平均濃度為0.4%；方案二：工作面傾斜角度為12°，平均風(fēng)速1.0 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯平均濃度為0.6%；方案三：工作面傾斜角度為12°，平均風(fēng)速0.5 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯平均濃度為1.2%。

2.2 模擬結(jié)果分析

工作面傾角為12°時(shí)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷平均風(fēng)速1 m/s，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時(shí)，距煤壁1.5 m沿z軸剖面在上下行通風(fēng)條件下瓦斯分布規(guī)律如圖2和圖3所示。巷道中近頂板瓦斯?jié)舛容^高，底板處瓦斯?jié)舛容^低；上行通風(fēng)方式下，高瓦斯積聚層(瓦斯?jié)舛?0.1%)的長度比下行通風(fēng)方式下高瓦斯積聚層的長度要長。

圖2 瓦斯?jié)舛确植?上行通風(fēng)12°，進(jìn)口風(fēng)速1 m/s，X=2.5 m)

圖3 瓦斯?jié)舛确植?下行通風(fēng)12°，進(jìn)口風(fēng)速1 m/s，X=2.5 m)

Z=60 m處巷道斷面瓦斯分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖4可以看出，從煤壁涌出的瓦斯由于密度比空氣輕，沿著煤壁自然上浮，在頂板積聚，并沿頂板向采空區(qū)方向流動(dòng)，且向底板方向擴(kuò)散；瓦斯出現(xiàn)分層現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛扔身敯宓降装逯饾u減小，離煤壁越遠(yuǎn)，瓦斯?jié)舛仍降停贿€可以看出，采用上行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)域(瓦斯?jié)舛?0.8%)比下行通風(fēng)方式大。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷平均風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時(shí)，采用上、下行通風(fēng)，Z=60 m巷道斷面瓦斯分布規(guī)律如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著風(fēng)速的增大，巷道斷面的平均瓦斯?jié)舛仍跍p小，瓦斯在頂板積聚的長度變短，說明提高風(fēng)速有利于吹散在頂板積聚的瓦斯層；在提高風(fēng)速的情況下，采用上、下行通風(fēng)，瓦斯在巷道斷面有著相似的分布規(guī)律，但采用上行通風(fēng)方式，巷道中的高瓦斯區(qū)域(瓦斯?jié)舛?0.8%)仍然要比采用下行通風(fēng)方式大。

圖5 瓦斯?jié)舛确植?/p>

當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，煤壁瓦斯涌出量為0.1 m3/s時(shí)，采用上、下行通風(fēng)，Z=60 m巷道斷面瓦斯分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 瓦斯?jié)舛确植?/p>

這時(shí)回風(fēng)巷濃度高達(dá)1.2%。由圖6可以看出，采用上行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)比下行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)要小。且明顯可以看出，在同一斷面(Z=60 m)的平均瓦斯?jié)舛?，采用下行通風(fēng)方式比上行通風(fēng)方式下的平均瓦斯?jié)舛纫?。在下行通風(fēng)方式下，巷道流場進(jìn)行分析，進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道斷面Y=2.9 m局部風(fēng)流流線如圖7所示。

圖7 局部風(fēng)流流線(下行通風(fēng)12°，進(jìn)口風(fēng)速0.5 m/s，Y=2.9 m)

由圖7可以看出，在進(jìn)風(fēng)巷平均風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，由煤壁涌出的瓦斯在距離進(jìn)風(fēng)巷10 m附近巷道頂板發(fā)生了逆流現(xiàn)象。由圖還可以看出距離煤壁越近，逆流現(xiàn)象更明顯。

3 不同傾角對(duì)上、下行通風(fēng)工作面煤壁涌出瓦斯分布的影響

模擬實(shí)驗(yàn)分四種情況進(jìn)行。第一種情況，上行通風(fēng)方式，巷道傾角30°，進(jìn)口巷平均風(fēng)速1 m/s，瓦斯涌出流量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.6 %；第二種情況，下行通風(fēng)方式，巷道傾角12°，進(jìn)風(fēng)巷平均風(fēng)速1 m/s，瓦斯涌出量為 0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.6%；第三種情況，上行通風(fēng)方式，巷道傾角12°；進(jìn)口巷平均風(fēng)速1 m/s，瓦斯涌出量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.6%；第四種情況，下行通風(fēng)方式，巷道傾角30°，進(jìn)口巷平均風(fēng)速1 m/s，瓦斯涌出流量為0.1 m3/s，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.6%。四種情況下Z=60 m處巷道斷面瓦斯分布規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同傾角下上下行通風(fēng)瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖8可以看出，采用上行通風(fēng)方式，巷道中的高瓦斯區(qū)(瓦斯?jié)舛?0.8%)比下行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)要大得多；由圖8(a)和圖8(b)比較可以發(fā)現(xiàn)，在上行通風(fēng)方式下，傾角越大，頂板瓦斯?jié)舛染驮礁?，高瓦斯區(qū)域就越大；由圖8(c)和圖8(d)比較可以發(fā)現(xiàn)，下行通風(fēng)方式下，傾角越大，頂板瓦斯?jié)舛仍降?，高瓦斯區(qū)域就越小。

4 結(jié) 語

1) 無論上行還是下行通風(fēng)，工作面的瓦斯?jié)舛瓤偸茄刂L(fēng)流方向逐漸增大，直至回風(fēng)巷口達(dá)到穩(wěn)定；且巷道中近頂板瓦斯?jié)舛容^高，底板處瓦斯?jié)舛容^低。

2) 在正常情況下，在進(jìn)風(fēng)巷平均風(fēng)速相同、煤壁涌出瓦斯量相同時(shí)，采用上行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)(瓦斯?jié)舛?0.8%)比下行通風(fēng)方式巷道中的高瓦斯區(qū)要大。在某些非正常情況下，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷平均速度過低時(shí)，采用下行通風(fēng)方式會(huì)產(chǎn)生逆流現(xiàn)象。

3) 在上行通風(fēng)方式下，傾角越大，頂板瓦斯?jié)舛染驮礁?，高瓦斯區(qū)域就越大；下行通風(fēng)方式下，傾角越大，頂板瓦斯?jié)舛染驮降?，高瓦斯區(qū)域就越小。