短壁連采工作面通風系統設計及流場數值模擬*

2018-09-18 12:05:12申丑孩

現代礦業 2018年8期

申丑孩

(晉能集團長治公司山西新村煤業有限公司)

短壁連采開采工藝具有采掘合一、機動靈活、適應范圍廣等特點，適用于三下開采及邊角煤回收等，對提高煤炭資源回收率具有重要意義[1-3]。短壁開采通風系統通常采用礦井全負壓通風與局扇通風相結合的方式，回采時，采用全風壓通風，支巷掘進時采用局部通風機通風。通風系統設計及管理對煤礦安全生產至關重要，若通風不當，容易局部積聚瓦斯，給煤礦生產帶來巨大安全隱患[4-6]。本文以常村煤礦4011連采短壁開采工作面為例，根據現場條件，設計工作面通風系統，并對掘進支巷流場數值模擬，分析支巷流場的特性，確定局部通風機風筒出口的安裝位置，從而為煤礦通風系統管理提供科學理論依據。

1 工作面概況

常村煤礦4011和4012工作面為已經布置完成的綜采工作面，兩工作面位于4采區下山，其中，4011工作面為4采區下山首采工作面，4012為接替工作面，主采3#煤層，該煤層傾角為5°～8°，區域內煤層厚度不穩定，為6.9～2.4 m。 3#煤層偽頂一般為泥巖，時有炭質泥巖，厚0.20～0.30 m，隨采隨落；直接頂為粉砂巖或砂質泥巖，厚2～3 m，巖性較脆，放頂后隨之垮落;老頂為砂巖，厚5～10 m，膠結堅硬，強度較大;底板多為粉砂巖或砂質泥巖，強度較小。由于4011工作面在開掘運輸順槽時揭露了位于巷道270～355 m的陷落柱，且兩工作面內也發現分布有大型陷落柱和斷層。此外，隨著4011工作面回采，煤層厚度將由6 m逐漸變薄至2.8 m，綜采液壓支架與綜采工作面不匹配。為盡量避開陷落柱，并科學回采這部分煤炭資源，經分析論證，考慮采用以連續采煤機為主的短壁機械化開采技術回采該部分煤炭資源，設計連采工作面位于圖1中原4011(4012)綜采工作面位置。

2 工作面巷道布置及設備選型

為提高煤炭資源回采率，降低生產成本投入，改善工作面工作環境，在工作面巷道布置時盡可能利用已有巷道。401運輸下山、401回風下山2條巷道作為工作面運輸大巷及回風大巷使用；原4011運輸順槽及4011回風順槽作為連采工作面運輸平巷、回風平巷；在4011(4012)運輸平巷及4011(4012)回風平巷之間掘進回采支巷進行工作面的煤柱回收，支巷斷面均采用矩形，規格為5 m×3 m。4011工作面共布置支巷44條，工作面每采3條支巷留設10 m 隔離保護煤柱。回采時工作面實現負壓通風，在支巷兩側回采采硐。

根據4011連采工作面煤層地質條件，工作面選用一臺EML340-18/35型連續采煤機完成割煤和裝煤工序，其1.8～3.5 m的采高能較好地適應工作面的煤層厚度，提高資源的回收率；工作面選用一臺SC15/182型梭車完成煤炭運輸工序，由于行走支架所用工作面的支巷設計高度為3 m，且回采時需要進行臥底，為保證支架頂梁與頂板有效接觸，工作面選用2臺XZ7000/21/40型履帶行走式液壓支架，1臺PZL460/150B型轉載破碎機完成破碎和輸送工序。

圖1 工作面位置

3 通風系統設計

根據現有短壁開采工藝常見通風方式，結合現場生產情況，進行通風系統設計。支巷掘進時，利用局部通風機進行壓入式通風；采硐回采時，新鮮風流依次經由集中運輸巷、401運輸下山、原4011(4012)運輸順槽后進入支巷，污風依次通過原4011(4012)回風順槽、401回風下山，最終進入集中回風大巷，工作面巷道布置及通風系統見圖2。工作面正常生產所需的最小風量為225 m3/min，考慮到回采期間采硐的需風，取風量附加系數K=1.2，則工作面實際需風量為270 m3/min。根據計算選用2組FBD6.3/2×18.5型對旋軸流壓入式局部通風機，采用φ800 mm柔性膠質風筒，即可滿足通風要求。局部通風機技術特征詳見表1。

表1 風機技術特征

圖2 工作面巷道布置及回采通風系統

本巷道布置通風系統具有以下優點：①利用已有巷道，充分降低成本；②避開陷落柱等地質構造，提高開采效率；③采用全負壓通風，通風系統簡單，改善工作環境，降低煤塵。

4 通風流場數值模擬

短壁連采工藝需要掘進大量的支巷，掘進支巷時運用局部通風機壓入式通風，新鮮空氣壓送至工作面，污染空氣沿巷道排出。新鮮風流自風筒口射出后與周圍質點發生劇烈的動量交換而成紊流狀態，由于風筒懸掛需考慮煤礦生產，風筒一般沿巷道側幫靠近頂部懸掛，所以風流就會受到周圍有限空間的約束，形成受限附壁射流，即局部通風機壓入式通風實際上是紊流射流通風，流場結構較為復雜，通風管理以及風筒出口的位置是影響采場通風效果的重要因素。

Fluent是一高效模擬復雜流體流動的軟件，含多種計算模型，其特點是精度高、速度快。采用Fluent軟件對支巷掘進工作面通風進行流場模擬，并對其流場分布特性進行分析，為短壁連采工作面支巷掘進通風管理提供科學依據。

4.1 物理模型

以該礦4011短壁連采工作面支巷實際尺寸為參考，巷道斷面為5 m×3 m，物理模型見圖3。根據通風氣溫、風速、每班工作最多人數、瓦斯(二氧化碳)絕對涌出量進行風量計算，風機選取FBD6.3/2×18.5型局部通風機，按風量270 m3/min、風筒直徑0.8 m進行數值模擬。局部通風機風筒出風口固定在巷道側壁靠近頂部，選取風筒出口與工作面距離L為30 m，采用非結構化網格分別對上述模型進行網格化，網格大小為0.015 m，網格數為1 191 742。

圖3 物理模型

4.2 流場數學模型

4.2.1 假設條件

通風流假設為不可壓縮流體，流體黏性力做功產生的耗散熱忽略不計，等溫通風，穩態紊流；流體的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系數作標量處理。

4.2.2 數學公式

根據假設，采用k-ε方程對模型進行描述，其控制方程包括連續性方程、動量方程、紊流動能方程(k方程)和紊流動能耗散方程,即

(1)

式中,ui為速度分量，m/s；t為時間，s；fi為質量力，m/s2；p為壓力，N；μ為動力黏性系數，pa·s；μt為紊流動力黏性系數，pa·s；Gk為紊流能量生成率；k為紊流動能，m2/s2；ε為紊流動能耗散率，m2/s3；σk、σε、C1ε、C2ε分別為經驗常數,取1.00，1.30，1.44，1.92。

4.2.3 邊界條件

入口邊界為壓入式風筒出口，出口邊界為逆風風筒出口處的巷道斷面，固定邊界為支巷壁面及支巷掘進工作面。

4.3 數值模擬結果及分析

通過Fluent數值模擬，得出支巷通風流場流線圖、輔助矢量圖、速度云圖，見圖4～圖7。

從支巷流場流線圖(圖4)可以看出，射流從風筒中射出后，逐漸以增大的自由風流沿射出風流的軸線方向在支巷內流動，且風流的速度隨著距離的增加逐漸降低，射出的風流沿軸向到達一定的距離后會回流至支巷，風流比較明顯地分為射流區、回流區、渦流區、循環渦流區4個分區。當風筒距離工作面較長時，風流的有效射程小于風筒至工作面的距離，在工作面容易形成了循環渦流區，不利于煤塵及其他有害氣體的排出。

圖4 支巷流場流線圖

從支巷流場不同Y-Z平面速度矢量圖(圖5)可以看出，射流前進過程中，受巷道空間制約，在靠近支巷頂底板區域形成附壁射流，射流沿巷道頂底板向掘進頭流動，到達工作面后，沿風流軸向反方向流動，形成回流，因此，風流在支巷流動過程中以射流、渦流、回流等多個流體狀態耦合存在；風流從風筒射出以后，卷吸周圍氣流，射流區擴大，在射流區下方的風流速度非常低；距風筒的距離越遠，風流的速度逐漸降低，當掘進頭距風筒的位置超出風流的有效射程時，在支巷掘進頭處中心區域形成渦流區，因此，在使用局部通風機通風時，必須保持風筒距掘進頭的距離合理。從支巷流場X-Z平面速度矢量圖(圖6)可以看出，從風筒射出的風流射流在前進過程中，情況與圖5一致，在靠近兩幫區域形成附壁射流；在巷道中心區域形成渦流區；靠近底板的速度矢量圖中，回流區的速度大于射流區的速度，渦流區也更偏向射流區。

從支巷流場速度云圖(圖7)可以得出，射流區對其周圍空氣有卷吸效應，射流卷吸周圍氣流；射流前進過程中，射流區的截面逐漸變大，當到7 m的時候，斷面出現收縮現象，風速降至最低，逐漸形成渦流，因此，為保證掘進頭位置不出現風流渦流停滯的現象，在掘進過程中，風筒出口與工作面距離應小于10 m；渦流區主要集中在支巷的中心位置，回流區主要集中在射流對面側幫的中下區域；巷道頂部風筒出口正下方有一部分風速較低區域，應加強通風管理。