雷禹

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原030000）

0 引 言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，年開(kāi)采量位居世界第一，伴隨著礦山的開(kāi)采，許多開(kāi)采的難點(diǎn)嚴(yán)重威脅著礦井開(kāi)采。礦井通風(fēng)系統(tǒng)[1-2]是礦井安全開(kāi)采的重要保障，不僅關(guān)系到礦井開(kāi)采的連續(xù)、穩(wěn)定及安全等，同時(shí)也影響著礦井的生產(chǎn)效益。礦井通風(fēng)主要是將地面新鮮的風(fēng)流輸入井中，并在井中做定量及定向的流動(dòng)，從而帶出井中污濁空氣的過(guò)程。隨著我國(guó)礦井開(kāi)采深度的增大，設(shè)備的性能、通風(fēng)線(xiàn)路的加長(zhǎng)等因素使得現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)不足以支撐通風(fēng)需求，所以對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化是十分重要的[3-4]。在低瓦斯礦井中，通過(guò)計(jì)算稀釋瓦斯原理得出配風(fēng)量已經(jīng)不再適用，因此提出可循環(huán)通風(fēng)技術(shù)，可循環(huán)通風(fēng)不僅可以控制循環(huán)風(fēng)量，達(dá)到降溫、除塵等操作，將礦井瓦斯控制在規(guī)范以?xún)?nèi)，還可以將部分風(fēng)流在此壓入進(jìn)風(fēng)巷，達(dá)到循環(huán)利用的目的。本文以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)掘進(jìn)工作面循環(huán)通風(fēng)進(jìn)行研究，為低瓦斯礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化作出一定的貢獻(xiàn)。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦22605工作面地表位于八字山村北東，保溫材料廠(chǎng)以西，八字山回風(fēng)井以北，歇馬村以東，南東為赤泥巖村，地面有428地質(zhì)鉆孔，蓋山厚度為294～450 m。目前主采2、3號(hào)煤層，采用綜采放頂煤采煤工藝。3號(hào)煤層的22605工作面瓦斯含量較低，在原有的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)下，風(fēng)量不足，瓦斯及灰塵不能有效排除，因此本文提出循環(huán)式通風(fēng)，并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)循環(huán)通風(fēng)的效果進(jìn)行研究[5-6]。

2 循環(huán)通風(fēng)技術(shù)研究

Fluent軟件是一種高精度、高效的流體計(jì)算軟件，可以較好的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理現(xiàn)象的模擬。當(dāng)掘進(jìn)工作面采用循環(huán)通風(fēng)方式時(shí)，掘進(jìn)工作面的瓦斯及礦井粉塵分布與常規(guī)通風(fēng)方式下的分布規(guī)律是不一樣的，所以需要進(jìn)行深入研究，本文選定Fluent模擬時(shí)，需要先在GAMBIT模塊中進(jìn)行模型的建立、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置等模擬步驟。

在進(jìn)行建模時(shí)，首先分別建立循環(huán)通風(fēng)巷道模型和常規(guī)壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，為了計(jì)算的方便，只建立作業(yè)點(diǎn)50 m的掘進(jìn)巷道。完成模型建立后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先要考慮到計(jì)算精度及工作效率，當(dāng)劃分網(wǎng)格較細(xì)時(shí)，此時(shí)的工作效率較低，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)網(wǎng)格劃分較少時(shí)，此時(shí)的模擬結(jié)果很難細(xì)致的描述出礦井流場(chǎng)的變化，所以要適當(dāng)選定劃分方式，本文選定iinterval Size網(wǎng)格劃分方式，劃分完成后常規(guī)通風(fēng)方式下網(wǎng)格總計(jì)有54 166個(gè)節(jié)點(diǎn)及49 317個(gè)單元，循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)方式下網(wǎng)格總計(jì)有166 320個(gè)節(jié)點(diǎn)及153 005個(gè)單元。在進(jìn)行模擬時(shí)，將流體分為干空氣、瓦斯的濕空氣及水蒸氣，施加自重及壓力，根據(jù)鎮(zhèn)城底礦22605工作面原有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將掘進(jìn)工作面的瓦斯含量設(shè)定為0.06%～0.08%，在常規(guī)壓入式通風(fēng)方式下設(shè)定進(jìn)風(fēng)量為87.24 m3/min，風(fēng)筒的直徑設(shè)定為600 mm，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為5.145 m/s，工作面的相對(duì)濕度為79.27%，瓦斯密度為0.665 kg/m3，瓦斯的質(zhì)量流量為5.8×10-6kg/s，完成參數(shù)設(shè)定后開(kāi)始計(jì)算，壓入式通風(fēng)模擬示意如圖1所示。

圖1 壓入式通風(fēng)模擬示意Fig.1 Pressure-in ventilation simulation

從圖1可以看出，壓入式通風(fēng)的壓入筒射流在沿工作面方向上不斷發(fā)生擴(kuò)展，擴(kuò)展直至到達(dá)巷道的底板位置，然后形成沿巷道底板方向?qū)ぷ髅娴臎_刷，當(dāng)風(fēng)流達(dá)到工作面時(shí)，此時(shí)的沖刷風(fēng)流出現(xiàn)自下向上的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)流流過(guò)工作面巷道頂板時(shí)，此時(shí)的風(fēng)流出現(xiàn)回流，沿著-Y的方向流動(dòng)，到達(dá)巷道風(fēng)流入口位置。同時(shí)在壓風(fēng)筒射流的擴(kuò)展方向上共出現(xiàn)2次較為明顯的風(fēng)流旋渦現(xiàn)象，分別出現(xiàn)在射流擴(kuò)展段和沖刷工作面的反擊流位置。從距離作業(yè)工作面1.5 m剖面示意圖可以看出，風(fēng)速最大值出現(xiàn)在巷道頂板位置，而在巷道的底板位置相對(duì)的風(fēng)速較低，對(duì)瓦斯的排出較為有利[7-8]。

在循環(huán)通風(fēng)方式下設(shè)定進(jìn)風(fēng)量為71.22 m3/min，風(fēng)筒的直徑設(shè)定為600 mm，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為4.2 m/s，工作面的相對(duì)濕度為88%，抽風(fēng)筒的入口及出口均設(shè)定為內(nèi)部面，循環(huán)通風(fēng)的模擬示意如圖2所示。

圖2 循環(huán)通風(fēng)模擬示意Fig.2 Circulating ventilation simulation

從圖2中可以看出，在距離作業(yè)點(diǎn)0.5 m的位置時(shí)，此時(shí)的頂板出現(xiàn)風(fēng)速的最大值，而在巷道的底板位置出現(xiàn)風(fēng)速的最小值，對(duì)于瓦斯排除較為有利，當(dāng)距離作業(yè)點(diǎn)的距離增大至8 m時(shí)，此時(shí)在巷道頂板附近位置仍出現(xiàn)風(fēng)速的最大值，在巷道的底板及附近壁面風(fēng)速值較小，形成2個(gè)風(fēng)速最小點(diǎn)，出現(xiàn)風(fēng)流旋渦。在距離作業(yè)點(diǎn)40 m時(shí)，此時(shí)由于風(fēng)筒的重疊使得風(fēng)速在頂板位置出現(xiàn)最大值，風(fēng)速在巷道的中心線(xiàn)位置出現(xiàn)最小值，這主要是由于巷道中紊流的作用。當(dāng)距離巷道入口25 m時(shí)，此時(shí)在抽風(fēng)筒位置出現(xiàn)風(fēng)速的最大值，并以最大值為中心向著四周逐步遞減[9]。

3 工作面瓦斯灰塵分布研究

對(duì)可循環(huán)通風(fēng)下的瓦斯分布情況進(jìn)行分析，并對(duì)抽風(fēng)筒軸線(xiàn)所在平面的瓦斯分布云圖進(jìn)行分析，瓦斯分布圖如圖3所示。

圖3 抽風(fēng)筒軸線(xiàn)所在平面的瓦斯分布云圖Fig.3 Gas distribution cloud map of the plane of air duct axis

從圖3中可以看出，在巷道的頂板和工作面出現(xiàn)瓦斯聚集，在工作面的頂角位置瓦斯?jié)舛茸畲?，在壓風(fēng)筒的出口和工作面的夾角位置的瓦斯變化梯度最大，這主要是由于在射流的出口位置流速最大，而在巷道頂板與工作面位置風(fēng)流較小，使得瓦斯不容易被帶出，造成頂板與工作面瓦斯聚集。相比于常規(guī)的壓入式通風(fēng)方式，循環(huán)式通風(fēng)不僅可以控制配風(fēng)量，同時(shí)也可以有效降低工作面的瓦斯聚集[10]。

對(duì)粉塵的分布規(guī)律進(jìn)行研究，首先設(shè)定粉塵的體積分?jǐn)?shù)為10%～12%，選定離散模型對(duì)粉塵分布進(jìn)行一定的研究，設(shè)定掘進(jìn)工作面的煤塵密度為1 550 kg/m3，粉塵的產(chǎn)生速率為40 mg/s，粉塵的平均濃度為26.4 mg/m3。假設(shè)本文的粉塵均為顆粒球體、顆粒間的密度不發(fā)生變化、無(wú)壓縮等物理現(xiàn)象出現(xiàn)，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓抽風(fēng)筒軸線(xiàn)工作面粉塵分布Fig.4 Dust distribution of the pressure ventilator axis in the working face

從圖4可以看出，在壓風(fēng)筒的射流方向上，工作面夾角及巷道頂?shù)装逦恢贸霈F(xiàn)的粉塵濃度最大，而在巷道的中線(xiàn)位置粉塵相對(duì)較少，同時(shí)工作面分布的粉塵較少，射流對(duì)工作面的瓦斯沖洗效果較好。工作面細(xì)顆粒粉塵沿著巷道入口排除，而工作面的粗顆粒粉塵沿著地板向著抽風(fēng)筒口聚集?？梢钥闯?，部分顆粒灰塵隨著循環(huán)風(fēng)及旋渦的作用下再次回到工作面造成工作面二次污染，但除塵器可以將大部分的粉塵進(jìn)行吸收，因此粉塵的控制也完全符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了降低礦井通風(fēng)成本，達(dá)到降本增效的目的，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)低瓦斯礦井循環(huán)式通風(fēng)下的效果進(jìn)行了一定的分析，通過(guò)對(duì)比循環(huán)通風(fēng)及壓入式通風(fēng)工作面的風(fēng)流、瓦斯及灰塵分布情況，發(fā)現(xiàn)循環(huán)通風(fēng)不僅可以提升礦井的通風(fēng)量，同時(shí)也可以有效排除工作面的瓦斯和灰塵，滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)需求。