金永飛，張科峰，郭 軍，張 光，晏 立，劉仁飛

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國陜北地區(qū)開采的煤層大多屬于淺埋煤層，大部分開采煤層處于CO2～N2瓦斯分帶[1]。由于地表漏風和層間漏風，采空區(qū)遺煤會經(jīng)歷瓦斯吸解及多次氧化，導致采空區(qū)低氧氣體向工作面回風側異常涌出，從而造成工作面回風隅角低氧現(xiàn)象發(fā)生[1]。近些年工作面回風隅角低氧問題一直是該地區(qū)礦井生產所面臨的難題，嚴重影響煤炭開采，同時在低氧環(huán)境下工作很容易窒息，嚴重威脅礦工的生命安全。當O2濃度為17%時，人員工作時將會出現(xiàn)呼吸困難現(xiàn)象；當O2濃度為10%～12%時，井下工作人員將會失去理智，若長時間在該O2濃度的環(huán)境下工作將會有生命危險[2]。近年來許多國內外學者在礦井通風方面做了大量研究，但在工作面回風隅角低氧問題研究相對較少，該問題仍未很好地得到解決，所以對工作面回風隅角低氧防治措施刻不容緩。

關于工作面回風隅角低氧防治技術，很多學者提出了新的防治措施。國內學者劉永邦[3]在研究多種工作面回風隅角低氧治理措施的基礎上，結合郭家灣煤礦51107工作面在開采的過程中頻繁出現(xiàn)回風隅角低氧問題的實際情況，通過對比分析得出低氧問題的主要原因是采空區(qū)存在遺煤氧化現(xiàn)象。制定了適用于該礦的采空區(qū)封堵漏風的治理措施，以保證工作面氧濃度恢復正常范圍內。趙羅飛[4]以祁連塔礦22411工作面為研究對象，重點分析工作面回風隅角低氧產生的原因及來源，結合現(xiàn)有防控措施，提出了利用CO2來減弱煤對氧吸附的科學高效防治措施。楊小彬[5]等以神東礦區(qū)某工作面氣體數(shù)據(jù)為參考，借助廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡，構建了關于氧濃度的工作面氣體預測模型，為煤礦井下工作面回風隅角低氧防治技術提供了新的參考。方保明[6]以錦界礦31406工作面低氧問題為研究背景，采用理論分析和現(xiàn)場觀測相結合的方法，得出工作面回風隅角低氧主要原因是采空區(qū)漏風所致，提出了可以通過減少漏風、提高密閉質量和加強氣體監(jiān)測的綜合治理方案。郭永文[7]以神東礦區(qū)淺埋藏近距離煤層群工作面回風隅角低氧問題為案例，提出了設置氧氣傳感器、對采空區(qū)進行封堵措施。國內外關于引射器的主要應用在航空航天、化學工業(yè)和煤炭工業(yè)，Jedelsky[8]等從射流的物理概念出發(fā)，重點研究了引射器壁面的射流影響因素，通過CFD模擬幾何形狀與實驗進行比較，找到了CE(a jet blowing over convex surface)的正確預測工具，對許多工程應用具有重要意義。Zihan Yan[9，10]通過實驗研究了不同氣體噴嘴角度對氣固混合效率的影響，得出在實際安裝中，當噴射角度為30°～45°時，可以極大提高工作效率。宋曉棟[11]針對工作面回風隅角存在的瓦斯積聚問題，在工作面回風隅角安裝了引射裝置，取得一定的效果，徐守仁[12]以保德煤礦81306工作面為研究對象，通過理論分析工作面瓦斯出現(xiàn)原因影響因素等問題，提出采用引射器治理瓦斯，為井下治理瓦斯提供了新的思路。

綜上所述，現(xiàn)有的低氧防治手段難以從根本上解決工作面回風隅角低氧的問題。基于引射原理的工作面低氧防治技術可在保持礦井工作面全風壓通風方式不變的前提下對局部氣體環(huán)境進行改善。因此，本研究針對陜北小保當煤礦112207工作面回風隅角低氧問題，提出運用引射技術提高回風隅角低速風流從而使得該區(qū)域氧氣濃度達到正常范圍內，利用數(shù)值模擬軟件，對不同引射風流條件下工作面風速及氧濃度變化規(guī)律進行分析，分析引射風流對工作面氧濃度及風速的作用效果，確定引射風流的最佳工藝參數(shù)，為現(xiàn)場應用提供數(shù)據(jù)支持。

1 風流引射技術及原理

引射器是利用射流的紊動擴散作用，使不同壓力的兩股流體相互混合，并引發(fā)能量交換的流體機械和混合反應設備[13]。

對于各類風流引射技術可用如下三個基本定律來描述。

1)能量守恒定律，在引射器之前工作和引射流體的動能和在引射器之后混合流體的動能通常忽略不計[13]。

IP+uIH=(1+u)Ic

(1)

式中，IP為在引射器前工作流體的焓，J/mol，IH為在引射前引射流體的焓，J/mol，Ic為在引射器之后混合流體的焓，J/mol，u=MH/MP稱為引射系數(shù)，即引射流體的質量流量與工作流體的質量流量之比。

2)質量守恒定律：

MC=MP+MH

(2)

式中，MP為工作流體的質量流量，kg/h；MH為引射流體的質量流量，kg/h；MC為混合流體的質量流量，kg/h。

3)動量定量，假設在引射器中流動是均勻的，那么對于任意形狀的混合室的動量定理可寫成：

MPWP1+MHWH1-(MP+MH)W3=

(3)

通過查閱相關文獻[14]，發(fā)現(xiàn)前人在治理瓦斯災害時，比較高效的治理手段是采用引射技術，這種技術可以簡化為：以一個圓柱形裝置為載體(后面稱之為引射器)，以“孔達效應”為基本原理，以主流氣體(壓縮空氣)為動力，在次流入口產生巨大負壓，將次流氣體(裝置周邊低速氣體)誘導進入裝置并與主流氣體混合增速，最后兩種氣體在混合室充分融合之后，從裝置出口高速噴向目標區(qū)域，達到將風流速度較低區(qū)域迅速提高的目的。這樣就能解決工作面風量在回風隅角處較少的問題，引射過程原理如圖1所示。

圖1 引射過程原理

2 工作面概況及設備選取

2.1 工作面概況

112207綜采工作面位于小保當煤礦二-2煤11盤區(qū)，煤層厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，傾向不足1°的單斜構造。根據(jù)井下實際情況設計采高5.5～6.3 m，工作面標高為+940～+995 m，地面標高為+1276～+1326 m，煤層走向長度5802 m，傾向長度350 m，面積為2030700 m2，西部與112201采空區(qū)相鄰，東部有112208工作面正在掘進回采巷道，北至二-2鋪運大巷，切眼中線距南部邊界26 m，112207工作面所屬二-2煤煤層為中厚-厚煤層，為Ⅰ類容易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性，厚度規(guī)律性變化明顯煤類單一，11207工作面為負壓通風，采用兩進一回U型通風方式，112207綜采工作面通風路線如圖2所示。

圖2 工作面通風路線

2.2 設備選取

2.2.1 設備選取原則

1)安全性原則：引射裝置應滿足防水、防電、防爆、耐高溫和耐腐蝕等性能，能夠在復雜多變的環(huán)境中安全可靠運行。

2)可靠性原則：引射裝置應盡量避免受環(huán)境因素影響能夠穩(wěn)定運行。

3)經(jīng)濟性原則：引射裝置要能夠實時根據(jù)工作面監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)調整引射風流，避免不必要的經(jīng)濟損失。

2.2.2 設備優(yōu)選

根據(jù)設備選取原則，結合112207工作面實際情況，對市面上引射裝置進行優(yōu)選，最后選取無需用電、安全可靠的氣相引射器，氣相引射器分為外引射器和內引射器，為優(yōu)選出性能較好的引射器，詳細分析了相同型號的兩種引射器的各項技術指標，將其技術指標匯總見表1。

表1 設備性能對比

引射器的主流壓力來自井下壓風管，其壓力一般不超過0.8 MPa，若采用外引射器，必須在壓風管與引射器入口接入儲氣罐，以提高工作壓力，在井下很難實現(xiàn)。還有外引射器外形更大、重量更重，不便于井下隨時拆卸移動，且進氣口直徑較大，容易吸收更多的雜物，造成內部堵塞。所以選用綜合性能更好的內引射器進行研究分析，即ZYW-150型內引射器。

3 治理效果的數(shù)值模擬研究

3.1 基本方程

任何運動都必須滿足三大守恒定律，即質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。流體在引射器內運動所不同的是，采空區(qū)內部為多孔介質，在對多孔介質中的流體運動進行計算仿真模擬時，動量消耗被稱為源項。動量源項一般由慣性阻力和粘性阻力兩個部分組成，其方程表達如式(1)所示[15]：

式中，Si為x，y或z方向動量方程的源項，i=x，y，z；Dij，Cij分別為黏性阻力項和慣性阻力項中給定的損失系數(shù)矩陣；μ為采空區(qū)混合氣體的動力黏度；N·s/m2；vj為3個方向的速度分量，m/s，j=1，2，3，分別表示x，y，z方向。

對于一些結構均勻，組成簡單的多孔介質的流體流動，可以簡化其損失方程式如式(2)所示[16]。

式中，e為滲透率；C2為內部阻力因子。

一般通過卡爾曼公式來計算上式中的滲透率e，卡爾曼公式如下[16]：

式中，DP為平均顆粒直徑；m；n為介質孔隙率。

3.2 參數(shù)設置

3.2.1 幾何模型確立

采用Ansys Workbench14.5平臺中Geometry模塊建立112207采空區(qū)及工作面的幾何模型，其中以112207綜采工作面回風隅角與非采煤壁面為坐標原點，X軸為工作面傾向方向，Y軸為工作面走向方向，Z軸為垂直方向。根據(jù)實際情況模型主要參數(shù)如下：采空區(qū)長350 m，寬300 m，高30 m；根據(jù)經(jīng)驗公式[16]，求出冒落帶和裂隙帶高度，冒落帶長400 m，寬350 m，高20 m；裂隙帶長400 m，寬350 m，高80 m；工作面長350 m，寬5.4 m，高4.4 m；進、回風巷長20 m，寬5.4 m，高4.4 m；112207工作面所屬煤層為Ⅰ類易自燃煤層，工作面推進期間會采取注氮防滅火，因此模型中設置有注氮口，直徑0.3 m；幾何模型如圖3所示。使用Ansys Workbench14.5平臺中Mesh模塊，網(wǎng)格數(shù)量約為2500000，類型為六面體網(wǎng)格，大小設為0.5 m，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分

3.2.2參數(shù)設置

合理的參數(shù)設置對模擬結果的準確性有很大的影響，主要對邊界條件、區(qū)域條件、源項等進行設置，具體如下：采空區(qū)冒落帶和裂隙帶設置為多孔介質，孔隙率[17]計算方法如下：依據(jù)采空區(qū)裂隙帶以及垮落帶的空隙率推導公式[16]，采空區(qū)中對于氣體的滲透率，垮落帶與裂隙帶是不一致的，因為垮落帶中空隙率比較大，而對于裂隙帶的空隙率以及滲透率比較小變化也不明顯，對采空區(qū)氣體運移以及分布影響較小，所以對裂隙帶的空隙率以及滲透率取常數(shù)[17]。

當y≤100時，按式(3)計算滲透率e，當y>100時，為常數(shù)值，設為0.06；氮氣入口按實際注氮量432 m3/h設置，入口直徑0.3 m，故氮氣入口速度為1.7 m/s；112207工作面回采率95%，故耗氧高度設為0.29 m；將進風巷設為空氣流入，斷面速度1.68 m/s；回風巷自由流出。

n=0.000019x2-0.0038x+0.25

(4)

將上述分析結果，結合前述研究對煤樣耗氧速率和不同工況下風速的計算，編寫112207工作面及采空區(qū)數(shù)值模擬UDF并導入計算。

3.3 結果模擬分析

3.3.1 引射風流與回風巷垂直時工作面氧濃度及風速變化規(guī)律

引射風流與回風巷垂直及傾斜設置時工作面氧濃度及風速變化規(guī)律如圖5、圖6所示。由圖5、圖6分析可知，當引射風流與回風巷垂直設置時，引射風流速度為4 m/s時，工作面及回風巷大部分區(qū)域風速變化不大，雖在一定程度上增加了回風隅角局部風流，但是低氧現(xiàn)象依然存在，不同高度內，回風隅角大部分區(qū)域氧濃度為18%以上，在高度為4 m時，在傾向方向上整個回風隅角空間存在低氧現(xiàn)象，對低氧環(huán)境的改善效果甚微。引射風流速度為8 m/s時，當風速增大以后，回風隅角低速區(qū)域基本消失，最小風速與工作面風速基本相同。隨著引射風速的增加，工作面回風隅角低氧現(xiàn)象嚴重程度逐步變弱，工作面回風隅角最低氧濃度也在逐步升高，回風隅角氧濃度約為18%左右，與回風巷垂直設置引射風流時，工作面及回風隅角低氧現(xiàn)象會有一定程度的改善。但不斷的增加風量，并不能有效解決工作面回風隅角低氧問題。

圖5 引射風流速度為4 m/s

圖6 引射風流速度為8 m/s

3.3.2 引射風流與回風巷傾斜設置時工作面氧濃度及風速變化規(guī)律

引射風流與回風巷垂直及傾斜設置時工作面氧濃度及風速變化規(guī)律如圖7-圖8所示。

圖7 引射風流速度為4 m/s

圖8 引射風流速度為8 m/s

由圖7、圖8分析可知，當引射風流與回風巷傾斜設置時，引射風流速度為4 m/s時，引射風流呈夾角吹向回風隅角時，在工作面走向方向上低速區(qū)域基本消失，而在工作面傾向方向上，還存在一定的低速區(qū)域，約為1.2 m/s左右。從高度為1 m和4 m的上隅角氧濃度分布云圖還可以看出，引射原理對于低氧環(huán)境的治理還沒有達到最佳效果。引射風流速度為8 m/s時，與其他條件相比，回風隅角風量得到了極大的提高，在此前風速最低區(qū)域，風速提高到5 m/s左右。隨著高度的增加，氧氣濃度基本在19%以上，綜上所述，當引射風流與回風巷呈一定夾角布置，對工作面回風隅角的低氧環(huán)境改善效果更佳，風速達到8 m/s時，工作面回風隅角氧濃度在立體空間內最低氧濃度可達19%，低氧現(xiàn)象基本消失。同時可以確定在現(xiàn)場應用時引射器的最佳角度參數(shù)和有效風速參數(shù)分別為安裝角度與回風巷傾斜設置，引射風速8 m/s。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 現(xiàn)場工藝參數(shù)確定

4.1.1 設備工作方式

采用引射原理來改變風流運動狀態(tài)時，一般有正壓和負壓兩種工作方式：①正壓工作方式是利用大量新鮮風流，將需要改善的局部環(huán)境的氣體進行稀釋，達到改善局部氣體環(huán)境的目的；②負壓工作方式是利用引射風流將外部氣體卷吸進入引射設備內部，通過管路排出。

正壓工作方式下，井下工作人員無需其他輔助設施，且由于設備重量較輕，體積較小，兩個人便可完成安裝作業(yè)，非常安全方便，但采用負壓工作方式引射效率相對較高，但是工藝復雜，不方便隨時拆卸移動，所以從安全高效、簡潔可靠和后期維護成本的方面考慮，本次現(xiàn)場采用正壓工作方式。現(xiàn)場布置如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場布置方案

4.1.2 設備運行時間

對井下不同月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了匯總，并選取每個月15號不同班次的回風隅角氧氣濃度進行繪圖分析，如圖10所示。由圖10可知，隨著月份的增加，三個班次的氧濃度都呈下降趨勢，且三個班次之間，同一月份的氧濃度也隨著取樣時大氣溫度的增加，呈下降趨勢，說明在引射器工作時，應該在每天的八點班，增加引射風量，以保證低氧防治效果。

圖10 不同月份工作面氧氣濃度變化

4.1.3 設備安裝高度

在112207綜采工作面三個不同班次的回風隅角距煤壁0.5 m處，用球形橡膠氣囊分別采集高度為0.5、1、1.5、2、2.5 m的氣體，密封保存，在實驗室采用氣相色譜儀進行分析。進行氣體采集時，為了保證結果的準確性，每個氣體收集點取樣三次，把結果求平均值。不同班次氧氣濃度變化趨勢如圖11所示。

圖11 回風隅角立體空間內氧氣濃度變化

由圖11可知，不同班次氧氣濃度隨高度的增加，基本逐漸減小的趨勢，驗證了模擬結果的準確性。其中，八點班氧氣濃度，在不同高度均低于其他兩個班次，另外考慮到井下工作人員在井下活動時，呼吸的氣體大部分來自上部空間，即1.5～1.8 m左右。因此，基本可以確定引射器的出風口應該設置在2 m左右，方向為前端向下傾斜呈俯視狀。

4.2 引射器安裝

在112207工作面進行了引射裝置安裝，在井下用噴射煙霧的方法逐步調整至對準上隅角端頭支架立柱處。根據(jù)現(xiàn)場情況，將引射器初步吊掛端頭支架第三架處，并焊接轉接直筒。在安裝完成后，將主流壓力設為0.4 MPa，即引射效率最高下運行。

為了準確、全面分析引射器安裝后，回風隅角立體空間范圍內氧氣變化特征與防治效果，分別對不同班次回風隅角氧氣濃度進行觀測，從回風隅角采空區(qū)與非采煤壁處為起點，布置方向與回風巷風流方向一致，每0.5 m布置一個測點；豎直方向上分別在1、1.5 m、1.8 m三個高度置測點，然后分別對八點班、四點班、零點班回風隅角氧氣濃度進行檢測并分析其變化規(guī)律。

4.3 效果分析

4.3.1 八點班回風隅角氧氣濃度變化分析

八點班回風隅角氧氣濃度變化曲線如圖12所示。由圖12可知，主流壓力為0.4 MPa時，即引射器達到最佳工作效率時的壓力，在設備運行一段時間后，每天八點班的回風隅角氧氣濃度觀測結果?？傮w來看，在設備正常運行過程中，在設備運行的前幾天，回風隅角氧氣濃度快速升高，接著呈緩慢上升趨勢，說明在工作面正?；夭善陂g，在加裝引射器后，回風隅角低氧環(huán)境能得到有效改善，氧濃度基本保持在18.5%以上。

圖12 八點班回風隅角氧氣濃度變化曲線

4.3.2 四點班回風隅角氧氣濃度變化

四點班回風隅角氧氣濃度變化曲線如圖13所示。根據(jù)設備運行一段時間后，四點班回風隅角氧氣濃度變化曲線可以看出，在監(jiān)測范圍內的回風隅角氧氣濃度在各個不同高度，均隨著時間的增加，快速上升到20%左右。氧濃度在上升過程中未出現(xiàn)反復現(xiàn)象，低氧治理效果優(yōu)于八點班。最終氧氣濃度基本能維持人體工作時所需值。

圖13 四點班回風隅角氧氣濃度變化曲線

4.3.3 零點班回風隅角氧氣濃度變化

零點班回風隅角氧氣濃度變化曲線如圖14所示。由圖14可知，與前兩個班的氧氣濃度觀測結果相比，零點班氧氣濃度在防治開始前較高，在設備運行一段時間后快速上升到21%，在達到氧濃度最大值前，上升速度基本不變。綜上所述，引射器主流壓力為0.4 MPa、安裝高度2 m、設備出風口與工作面呈一定夾角，且略微向下傾斜等工藝參數(shù)適用于該礦112207工作面的工作面回風隅角低氧防治。通過以上分析可以得出，ZYX-150型引射器對112207工作面回風隅角低氧環(huán)境的改善效果良好，且設備處于高效率運行狀態(tài)，即使工作面低氧問題出現(xiàn)加劇的情況，還可通過調整壓力參數(shù)，增加出口風量和風速，來保證低氧防治效果。

圖14 零點班回風隅角氧氣濃度變化曲線

5 結 論

1)確定了基于引射原理的工作面回風隅角低氧防治技術的主要工藝參數(shù)，包括引射器在回風隅角采用正壓工作方式，設備最佳高度2 m，引射風流方向與回風巷呈一定夾角、引射風速8 m/s。

2)引射風流對工作面回風隅角低氧環(huán)境改善效果良好，引射風流方向與回風巷呈一定夾角設置時，改善效果最佳。此位置條件下引射風速8 m/s便可有效消除回風隅角低氧現(xiàn)象，使整體氧濃度保持在19%以上。

3)采用基于引射原理的工作面低氧防治技術，對陜北小保當煤礦112207工作面回風隅角低氧現(xiàn)象進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗。設備正常運行一周后，工作面回風隅角整體氧濃度保持在18.5%以上，防治效果顯著。