礦井掘進工作面可控循環(huán)通風技術(shù)數(shù)值模擬

雷禹

（西山煤電集團有限責任公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原030000）

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，年開采量位居世界第一，伴隨著礦山的開采，許多開采的難點嚴重威脅著礦井開采。礦井通風系統(tǒng)[1-2]是礦井安全開采的重要保障，不僅關(guān)系到礦井開采的連續(xù)、穩(wěn)定及安全等，同時也影響著礦井的生產(chǎn)效益。礦井通風主要是將地面新鮮的風流輸入井中，并在井中做定量及定向的流動，從而帶出井中污濁空氣的過程。隨著我國礦井開采深度的增大，設備的性能、通風線路的加長等因素使得現(xiàn)有的通風系統(tǒng)不足以支撐通風需求，所以對礦井通風系統(tǒng)進行相應的優(yōu)化是十分重要的[3-4]。在低瓦斯礦井中，通過計算稀釋瓦斯原理得出配風量已經(jīng)不再適用，因此提出可循環(huán)通風技術(shù)，可循環(huán)通風不僅可以控制循環(huán)風量，達到降溫、除塵等操作，將礦井瓦斯控制在規(guī)范以內(nèi)，還可以將部分風流在此壓入進風巷，達到循環(huán)利用的目的。本文以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，通過數(shù)值模擬軟件對掘進工作面循環(huán)通風進行研究，為低瓦斯礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化作出一定的貢獻。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦22605工作面地表位于八字山村北東，保溫材料廠以西，八字山回風井以北，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號煤層，采用綜采放頂煤采煤工藝。3號煤層的22605工作面瓦斯含量較低，在原有的壓入式通風系統(tǒng)下，風量不足，瓦斯及灰塵不能有效排除，因此本文提出循環(huán)式通風，并利用數(shù)值模擬軟件對循環(huán)通風的效果進行研究[5-6]。

2 循環(huán)通風技術(shù)研究

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

在進行建模時，首先分別建立循環(huán)通風巷道模型和常規(guī)壓入式通風系統(tǒng)，為了計算的方便，只建立作業(yè)點50 m的掘進巷道。完成模型建立后對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，首先要考慮到計算精度及工作效率，當劃分網(wǎng)格較細時，此時的工作效率較低，計算時間較長，當網(wǎng)格劃分較少時，此時的模擬結(jié)果很難細致的描述出礦井流場的變化，所以要適當選定劃分方式，本文選定iinterval Size網(wǎng)格劃分方式，劃分完成后常規(guī)通風方式下網(wǎng)格總計有54 166個節(jié)點及49 317個單元，循環(huán)通風系統(tǒng)方式下網(wǎng)格總計有166 320個節(jié)點及153 005個單元。在進行模擬時，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工作面原有的試驗數(shù)據(jù)將掘進工作面的瓦斯含量設定為0.06%～0.08%，在常規(guī)壓入式通風方式下設定進風量為87.24 m3/min，風筒的直徑設定為600 mm，進風風速為5.145 m/s，工作面的相對濕度為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)設定后開始計算，壓入式通風模擬示意如圖1所示。

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

從圖1可以看出，壓入式通風的壓入筒射流在沿工作面方向上不斷發(fā)生擴展，擴展直至到達巷道的底板位置，然后形成沿巷道底板方向?qū)ぷ髅娴臎_刷，當風流達到工作面時，此時的沖刷風流出現(xiàn)自下向上的運動，當風流流過工作面巷道頂板時，此時的風流出現(xiàn)回流，沿著-Y的方向流動，到達巷道風流入口位置。同時在壓風筒射流的擴展方向上共出現(xiàn)2次較為明顯的風流旋渦現(xiàn)象，分別出現(xiàn)在射流擴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的風速較低，對瓦斯的排出較為有利[7-8]。

在循環(huán)通風方式下設定進風量為71.22 m3/min，風筒的直徑設定為600 mm，進風風速為4.2 m/s，工作面的相對濕度為88%，抽風筒的入口及出口均設定為內(nèi)部面，循環(huán)通風的模擬示意如圖2所示。

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

從圖2中可以看出，在距離作業(yè)點0.5 m的位置時，此時的頂板出現(xiàn)風速的最大值，而在巷道的底板位置出現(xiàn)風速的最小值，對于瓦斯排除較為有利，當距離作業(yè)點的距離增大至8 m時，此時在巷道頂板附近位置仍出現(xiàn)風速的最大值，在巷道的底板及附近壁面風速值較小，形成2個風速最小點，出現(xiàn)風流旋渦。在距離作業(yè)點40 m時，此時由于風筒的重疊使得風速在頂板位置出現(xiàn)最大值，風速在巷道的中心線位置出現(xiàn)最小值，這主要是由于巷道中紊流的作用。當距離巷道入口25 m時，此時在抽風筒位置出現(xiàn)風速的最大值，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

對可循環(huán)通風下的瓦斯分布情況進行分析，并對抽風筒軸線所在平面的瓦斯分布云圖進行分析，瓦斯分布圖如圖3所示。

圖3 抽風筒軸線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)的壓入式通風方式，循環(huán)式通風不僅可以控制配風量，同時也可以有效降低工作面的瓦斯聚集[10]。

對粉塵的分布規(guī)律進行研究，首先設定粉塵的體積分數(shù)為10%～12%，選定離散模型對粉塵分布進行一定的研究，設定掘進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。假設本文的粉塵均為顆粒球體、顆粒間的密度不發(fā)生變化、無壓縮等物理現(xiàn)象出現(xiàn)，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓抽風筒軸線工作面粉塵分布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，而在巷道的中線位置粉塵相對較少，同時工作面分布的粉塵較少，射流對工作面的瓦斯沖洗效果較好。工作面細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筒口聚集?？梢钥闯?，部分顆粒灰塵隨著循環(huán)風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行吸收，因此粉塵的控制也完全符合要求。

4 結(jié) 語

為了降低礦井通風成本，達到降本增效的目的，本文利用數(shù)值模擬軟件對低瓦斯礦井循環(huán)式通風下的效果進行了一定的分析，通過對比循環(huán)通風及壓入式通風工作面的風流、瓦斯及灰塵分布情況，發(fā)現(xiàn)循環(huán)通風不僅可以提升礦井的通風量，同時也可以有效排除工作面的瓦斯和灰塵，滿足礦井生產(chǎn)需求。