U型回采工作面回風隅角布置方式

摘 要：為研究礦井工作面回風隅角風流流場與其布置方式之間的關系，應用FLUENT軟件，建立回風隅角滯后和正常布置2種幾何模型，結合現場相對壓力的變化趨勢，模擬分析2種模型回風隅角的壓力和流場分布情況。結果表明：何家塔煤礦50105工作面回風隅角滯后1.5 m時，其回風隅角相對壓力較正常布置時高，且其變化趨勢與現場具有較好的一致性；回風隅角支架后方處于最大流速僅為0.16 m/s的渦流中，而正常布置時支架后方最大流速可達0.3～0.45 m/s且渦流范圍很??；回風巷外幫附近，回旋流以大于正常布置時約0.2 m/s的速度將附近氣體帶向回風隅角，但在支架后方的渦流區域，其風流速度又小于正常布置。根據對比分析，回風隅角滯后時，回風隅角處會產生較大范圍的渦流，影響有害氣體的流散，應盡量避免回風隅角的滯后，或通過改變回風隅角風流流場的方法來防止有害氣體積聚。

關鍵詞：回風隅角；布置方式；流場；有害氣體；數值模擬

中圖分類號：TD 712 文獻標志碼： A

Effect of layout on the flow field at return

corner of U-type working face

WEI Yin-shang1，2，REN Zhuo-chen1，2，ZHANG Zhi-peng1，2，Yang Qing-quan3

（

1.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China；

3.Shaanxi Hejiata Coal Mine，Yulin 719315，China）

Abstract：In order to study the relationship between the flow field and layout in the return corner of working face，two geometric models of the lagging and normal arrangement of return corner were established using FLUENT software.Combined with the trend of the field relative pressure，the pressure distribution and flow field distribution of two models were analyzed.The results show that with 1.5 m lagged of return corner in Hejiata coal mine 50105 working face，the relative pressure is higher and the trend of the relative pressure is consistent with the measured.The place behind the brackets in the return corner is in the vortexing where the maximum velocity is only 0.16 m/s，but the maximum velocity is up to 0.3～0.45 m/s and the range of the vortexing is small with the normal layout.The airflow velocity near the wall of the return airway is 0.2 m/s which is more than the normal layout and its direction is to the return corner.However，the velocity is less than the normal layout in the vortex area behind the brackets.According to the comparative analysis，when the return corner is lagging，the large amount of vortex will be generated at the return corner，which will affect the dispersion of harmful gases.It is necessary to avoid the lag of the return corner，or to prevent the accumulation of harmful gas by changing the flow field of the return corner.Key words：return corner；layout；flow field；harmful gases；numerical simulation

0 引 言

工作面回風隅角瓦斯濃度超限是礦井常見的事故隱患[1-2]，嚴重威脅著煤礦的安全生產，而通風是防止有害氣體達到危險濃度最基本、最有效的措施[3]。因此，及時準確的分析回風隅角的風流流場狀況對事故防御措施的制定具有重要意義。唐明云[4]應用FLUENT數值模擬軟件，研究了U型工作面采空區的漏風情況及漏風流場的分布規律。王東江[5]、李韞華等[6]分別通過現場束管監測和物理相似模擬實驗的方式研究了礦井采空區的漏風規律，分析了采空區漏風對遺煤自燃危險性的影響。Zhao Yan[7]等研究了采空區氧化帶分布范圍與供風量之間的關系，為采空區遺煤自燃的防控提供依據。Kang Xue[8]、Hao Tianxuan[9]等應用數值模擬軟件研究了采空區瓦斯濃度場及采空區上隅角的瓦斯分布規律，為采空區瓦斯災害的防治工作提供指導。楊明[10]通過數值模擬對比分析了U型和Y型通風方式下的采空區漏風流場和瓦斯分布狀況，并得出Y型通風可有效降低采空區上隅角的瓦斯濃度。高建良[11]基于氣體滲流理論及組分運輸方程，應用FLUENT軟件，模擬了在有無綜采支架時的采空區漏風及瓦斯分布規律，而曹拓拓[12]、高建良等[13]研究了有無高抽巷抽放瓦斯情況下的工作面采空區漏風規律。針對不同條件下的工作面采空區氣體滲流規律，上述學者已有了大量研究成果，但對工作面回風隅角局部滯后時的局部通風狀況及其對有害氣體積聚的影響目前鮮有研究，對現場的指導也不夠充分。筆者基于何家塔50105工作面回風隅角的獨特布置，以靠近回風巷外幫的4架支架及其前方2.5 m，后方1.5 m內的空間范圍作為回風隅角區域，建立了工作面回風隅角局部滯后和正常布置2種物理模型，分別模擬回風隅角處風流流場和壓力分布狀況，依此分析回風隅角有害氣體積聚的原因，以期為現場實際災害防治提供借鑒。

1 工作面概況

何家塔煤礦50105工作面，底板標高970～980 m，位于501盤區東部，東部為井田邊界保護煤柱，南部為50104工作面已采采空區，西部為相鄰盤區的輔助運輸巷道，北部為50106工作面回風順槽。50105工作面為U型通風，后退式綜合機械化開采，煤厚約3.1 m，一次采全高，供風量為1 600 m3/min.煤的比重為1.29 t/m3，回采率約為85%.煤層結構簡單，呈條帶狀結構，瀝青光澤，節理不發育，工作面1 600 m往外煤層起伏較大，局部煤層變薄。由于布置機械設備的空間需要，回風隅角長期滯后約1.5 m，而此空間的CO時有偏高，威脅礦井的安全生產。

2 采空區氣體滲流模型的建立

2.1 基本假設[14]

1）井內氣體為不可壓縮的理想氣體，其在采空區內的流動是符合滲流規律的穩態流；2）采空區的遺煤及冒落帶巖體為非均勻多孔介質，其孔隙率與空間位置成一定的函數關系；3）采場內的空間形狀均簡化為矩形，不考慮工作面機械設備對風流流動的影響。

2.2 幾何模型的建立

50105工作面及采空區示意圖及幾何參數如圖1所示。其中，將工作面支架簡化為長0.5 m，寬0.5 m，高2.8 m的長方體，并向工作面煤體側傾斜6°；回風隅角有4架支架，中心距為1.5 m，其余工作面支架中心距為2 m，整個工作面共布置121架支架。

根據回風隅角布置方式的不同，建立2個物理模型進行模擬并對比分析。模型A：50105工作面回風隅角的實際布置方式，回風隅角局部滯后，滯后區域長6 m，寬1.5 m，高3 m；模型B：回風隅角正常布置；兩模型除回風隅角的布置外，其余參數均相同。2種模型坐標的選取與圖1一致，其回風隅角的布置方式如圖2所示。

2.3 數學模型的建立工作面風流入口設置為速度入口，根據實際供風量核準，平均風速為1.6 m/s，壓力為標準大氣壓，并以此作為相對壓力的測算基準；風巷出口設為壓力出口，相對壓力為-20 Pa.工作面采空區內部交界面設置為內部面，其他煤巖體壁面風速均設置為0 m/s，工作面斷面面積恒定不變，回采工作面、采空區遺煤和巖體均定義為流體域[15]。

采空區煤巖體孔隙率與空間位置的函數關系如下[14]，并根據此函數進行UDF編程，嵌入模擬中

n（x，y，z）=（0.2e-0.022 1x+0.1）（e-0.15

（L2±z）+1）×0.98y.（1）

式中 n（x，y，z）為采空區內位置坐標為（x，y，z）的點處的孔隙率；L為工作面傾向長度，m.以上設定的初始條件、邊界條件參數及UDF編程，結合礦井氣體滲流的控制方程[16]，共同構成了數值模擬的數學模型。

3 模擬結果及數據分析

甲烷和一氧化碳為礦井常見的有害氣體，其對空氣的相對密度分別為0.554和0.967，均較空氣輕，易匯集在回風隅角的上部空間[17]，所以在相同的邊界條件下，取2種模型在y=1.5 m和y=2.5 m平面上的壓力場和風流流場模擬結果進行分析。為了更直觀的觀測回風隅角的參數分布狀況，以下僅取一定范圍的參數值進行顯示。

3.1 回風隅角壓力場分析

由圖3，圖4可知，回風隅角的壓力場分布規律與其布置方式有關。模型A的回風隅角區域，在X軸方向上，壓力值整體呈增大趨勢；在Z軸方向上，靠近工作面處壓力值呈不斷減小狀態，而在靠近回風巷外幫處，壓力值先減小后增大；在Y軸方向上，越往上壓力越大；在回風隅角支架附近的大范圍區域，存在閉合的壓力等值線，而模型B中的相對壓力較模型A小，且只在很小范圍內存在閉合壓力等值線。模型A中回風隅角壓力值大小的變化主要受回風隅角區域滯后，風流流動受阻的影響，風流流動越困難，壓力越高。

在工作面現場，將數字微壓計置于x=244.75 m，y=1.5 m，z=4 m的位置處，即以此點為現場測試壓力的基點，將其所連接的束管分別置于相同高度平面，由x=243.5 m，z=-0.5～2.5 m和z=1.0 m，x=240～245 m組成2條線段上，每0.25 m為一個測點，檢測各測點的相對壓力。在數值模擬中，取以上2條線段所在直線上的壓力數據，進行對比及分析，如圖5所示。

由圖5可得，雖然數值模擬與現場實測壓力的相對壓力基點不同導致同一點上的相對壓力不同，但2種方式下的相對壓力具有相同的變化趨勢，由此可證明數值模擬的可靠性。在回風隅角區域，受回風隅角滯后的影響，沿Z軸正方向，相對壓力先減小后增大；沿X軸正方向，相對壓力均整體呈上升趨勢；同一相對壓力值對應不止一個位置點，說明支架附近區域壓力等值線呈圓弧狀分布。

3.2 回風隅角風流流場分析

從圖6，7可以看出，相同的高度平面上：距回風巷外幫約1.5～6 m范圍內回風隅角支架后方的流速模型B大于模型A且流向相反，但在距回風巷外幫約1.5 m范圍內兩模型支架后方流速相差不大，且流向大體相同；模型A回風隅角區域整體處于渦流范圍，明顯大于模型B的渦流范圍。且由上圖對比可以看出，模型A回風隅角支架前方2 m左右、靠近回風巷外幫約0.5 m范圍內回旋流流入回風隅角的速度大于模型B.在工作面回風隅角支架后方z=-0.5 m，x取值239～245 m時不同高度上的速度分布情況如圖8所示；回風隅角x=244.75 m，z取值-1.5～2 m時不同高度上的速度分布情況如圖9所示。

由圖8可得，模型A回風隅角局部滯后導致工作面形狀發生突變，使得回風隅角處于較大范圍的渦流中，支架后方風流由x=244.75 m處的約0.16 m/s流向x=239 m且風速逐漸減小，在x=239 m和x=245 m支架后方的墻體拐角附近，風流速度約為0 m/s，幾乎處于無風流狀態；對于模型B，風流由x=238 m處的0.3～0.45 m/s流向回風隅角支架后方且速度的整體趨勢逐漸減小，但在約x=244.75 m處存在渦流，風流由約0.16 m/s流向x=243.5 m處且速度逐漸減小。所以，由上可知：兩模型在回風隅角處均會產生渦流現象，但模型A的整個回風隅角處于更大范圍的渦流中，且風流速度較小，從而導致有害氣體在回風隅角支架后方緩慢循環流動而更加難以排出。

由圖9可得，由于模型A整個回風隅角區域均處于一個較大的渦流中，z=2 m處的回旋流以約0.3～0.35 m/s的速度流向支架后方且速度逐漸減?。欢Ｐ虰，由z=2 m流向支架后方的風速僅為0.13 m/s左右，且速度先減小后增大，在x=243.5～244.75 m支架附近的渦流處，風流速度又逐漸減小，但其仍然大于模型A支架后方風速約0.05 m/s.所以，由上可知，模型A會以更大的回旋流速度將回風巷氣體帶向回風隅角，但在靠近回風巷外幫的支架后方的渦流處，模型B則會以比模型A大約0.05 m/s的速度將支架后方氣體帶出，相比之下，模型B的布置方式更加有利于回風隅角渦流區域有害氣體的排出。綜上，模型A回風隅角區域處于較大范圍的渦流中，風速較小，周圍環境擴散出的有害氣體易于在支架附近積聚而難以流出回風隅角區域，從而導致回風隅角有害氣體濃度超限影響生產安全，因此應盡量避免回風隅角滯后情況的存在。由此得出，回風隅角的風流流場狀況在一定程度上反映了其有害氣體超限的可能性大小及嚴重程度，所以可通過人為破壞回風隅角現有的風流流場或改變回采工作面通風方式的方法，來防止有害氣體積聚，如安裝風障、可縮性導風筒或局部通風機等。

4 結 論1）通過數值模擬研究，得出何家塔煤礦50105工作面回風隅角滯后1.5 m時回風隅角的的相對壓力大于正常布置，且滯后的回風隅角區域支架附近存在呈圈狀分布的等壓區域，并通過引入現場實測數據證明了模擬的可靠性；2）何家塔煤礦50105工作面回風隅角局部滯后1.5 m時，回風隅角區域產生較大范圍的渦流，且支架后方的最大速度僅為0.16 m/s左右，明顯小于正常布置情況下的0.3～0.45 m/s；回風巷外幫附近z=2 m處的回旋流以大于0.3 m/s的速度流向支架后方且速度逐漸減小，而正常布置時回旋流的初始速度僅為0.13 m/s左右，由于其在支架附近存在渦流，所以回旋流的速度會先減小，在到達渦流區時達到最大隨后又逐漸減??；3）回風隅角局部滯后時，工作面形狀突變，在回風隅角區域形成特殊的渦流場，導致有害氣體積聚而難以排出。因此，應盡量避免回風隅角滯后情況的存在；

4）回風隅角風流流場狀況能夠一定程度地反映回風隅角處有害氣體積聚的可能性與嚴重性大小，可通過改變回風隅角的流場分布來防治有害氣體積聚。

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