氣動風機治理上隅角瓦斯技術在斜溝煤礦的應用

郝利生 畢建乙 劉飛宇 孫 亮

(1.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 033602；2.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 123000；3.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 113122)

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省興縣縣城北50km處嵐漪河兩側，隸屬于興縣魏家灘鎮和保德縣南河溝鎮，屬于河東煤田離柳礦區，主采煤層為8號、13號煤，煤層結構簡單，井田南北長約22km，東西寬約4.5km，面積為88.6km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8號煤層厚度為3.80～5.50m，平均厚度為4.70m，傾角為7.5°～11.4°，平均9.4°。8號煤為自燃煤層，最短自然發火期為63d，煤塵具有爆炸性。頂板主要為泥巖，底板主要為泥巖和中細粒砂巖。8號煤透氣性系數為0.00927～0.01416m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8號煤18205工作面位于12采區輔助運輸下山南側，東部、南部、西部均為實煤區。工作面標高為+520～+584m，可采走向長度為2800m，傾斜長為260m，采用綜合機械化采煤工藝進行回采，長壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，平均推進速度3.2m/d，工作面共計157個支架；采用U型通風方式，根據掘進資料，最大絕對瓦斯涌出量為0.88m3/min，局部煤巖層裂隙瓦斯富集，預計回采過程中，局部瓦斯涌出量較大。目前工作面瓦斯涌出量為14.15m3/min，上隅角瓦斯濃度較大，嚴重影響工作面的推進速度。18205工作面布置方式如圖1所示。

圖1 18205工作面布置方式

2 模擬上隅角瓦斯的分布規律

使用Fluent模擬研究工作面、上隅角的瓦斯分布規律，為選擇氣動風機的類型、安裝位置及布置方式提出依據。

2.1 18205工作面瓦斯流場數學模型的建立

根據18205工作面的實際情況和模擬要求，對18205工作面的工程實際進行簡化：將18205工作面的物理模型分為5個部分，自內向外依次為深部采空區、淺部采空區、支架部分、工作面、進回風巷，各部分均簡化為長方體模型，忽略工作面頂底板對采空區瓦斯運移規律的影響。由于采空區隨其深度的不同，呈現的規律性也有所不同，故將采空區的模型分成兩部分。深部采空區的模型尺寸為40m×260m×10m(走向、傾向、高)；淺部采空區的模型尺寸為25m×260m×6m；支架部分的模型尺寸為2m×260m×3m；工作面的模型尺寸為6m×260m×5m；兩巷道的模型尺寸均為3m×6m×4m。18205工作面物理模型如圖2所示。

圖2 18205工作面模型

2.2 18205工作面瓦斯運移規律模擬結果分析

通過研究18205工作面及上隅角平面速度、氣體壓力、瓦斯濃度的分布規律為氣動風機布置提出依據，模擬結果如圖3所示。

圖3 數值模擬結果

從圖3a得到：瓦斯由工作面向回風巷運移時，受回風巷煤壁阻力的影響，在上隅角出現短暫的停滯，是瓦斯運移速度減慢的主要原因；從圖3b發現：上隅角瓦斯出現短暫的停滯是造成上隅角瓦斯聚集的重要原因，致使瓦斯壓力同比其他區域高，距工作面3～7m處瓦斯壓力開始減小，壓力的峰值位于工作面回風側2～5m處；由圖3c可得：瓦斯在上隅角短暫的停留導致瓦斯濃度較大，在工作面2～6m處瓦斯濃度最高，距回風巷與工作面的交界點1～2m處，瓦斯濃度仍然處于增大趨勢，回風巷距工作面3～7m處瓦斯濃度呈現降低的趨勢；模擬結果表明：上隅角的瓦斯壓力和瓦斯濃度的分布規律基本相同，均與瓦斯運移速度有關，瓦斯撞擊到回風巷煤壁后，氣流會呈現反彈趨勢，致使瓦斯運移速度減緩，積聚在此處的瓦斯量增多，使瓦斯壓力及瓦斯濃度偏大。

由圖3d發現：位于工作面的瓦斯在運移過程中，運移速度基本保持相對不變，受隅角局部阻力的影響，在隅角處瓦斯出現短暫的停滯；從圖3e可得：沿著工作面傾向瓦斯在運移過程中，從進風巷到回風巷瓦斯壓力不斷增大，根據瓦斯壓力的大小大致可劃分五個范圍，在隅角處瓦斯壓力相對較大；由圖3f得到：沿著工作面走向瓦斯濃度不斷增大，在深部采空區達到峰值，沿工作面傾向瓦斯濃度基本不變。模擬結果表明：瓦斯運移速度、瓦斯濃度沿工作面走向依次增大，在深部采空區達到最大；沿工作面傾向瓦斯壓力依次增大，在回風巷側達到最大，受隅角阻力的影響在隅角處的瓦斯壓力突然升高。

3 氣動風機的布置及效果分析

氣動風機是一種排風設備，適用于各種通風系統，專門滿足地下管道的局部通風系統的需要。目前，礦用氣動風機類型主要分為射流擾動型和制冷降溫型，射流擾動型主要應用分散局部區域的氣體聚集，制冷降溫型主要應用降低局部區域氣體溫度，根據氣動風機的功能及斜溝煤礦實際情況，選擇射流擾動型風機。

3.1 氣動風機的結構特征及基本參數

新鮮風流從入口進入氣動馬達，其葉輪被主軸帶動而快速轉動，使吸收進來的新鮮風流經過防護網的進風口流入葉輪，經過帶有導頁的環形氣流通道后射出大量的高能量氣流，實現風機的運轉，射流擾動型風機結構如圖4所示和風機實物如圖5所示。氣動風機的基本參數見表1。

3.2 氣動風機的安裝

氣動風機不能產生新風，而是在新風流的配合下完成工作。按照氣動風機的安裝要求，風機必須安裝在巷道新鮮風流一側。根據模擬可知：瓦斯壓力、 濃度在工作面回風側2～5m處達到最大，在回風巷1～2m處仍有增大的趨勢，3～7m處慢慢減小。現分別布置兩套氣動風機的安裝方案，通過對比兩種方案氣動風機安裝后，工作面瓦斯分布情況，為氣動風機的安裝提供依據。氣動風機安裝位置如圖6所示。

表1 基本參數與尺寸

1—進口防護網；2—外筒；3—風機葉輪；4—內筒；5—氣馬達；6—進出氣管；7—氣動布風輪；8—可調葉片；9—出口防護網；10—布風輪軸承座；11—葉輪軸承座圖4 射流擾動型風機結構

圖5 氣動風機實物

圖6 氣動風機安裝方案示意圖

方案一：氣動風機安裝在18205工作面上隅角處，風機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在260號架頂梁上，吊掛牢固后，使風機出風口對準回風巷。

方案二：氣動風機安裝在18205工作面回風側距上隅角7m處的位置，風機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號架頂梁上，吊掛牢固后，使風機出風口對準上隅角。

3.3 氣動風機布置方式的選擇

通過觀察瓦斯濃度來分析氣動風機對上隅角瓦斯濃度的影響。通過對比三種方案，得到上隅角的實際瓦斯濃度變化規律，三種情況下上隅角瓦斯濃度的變化規律如圖7、圖8所示。通過對比分析檢修班、生產班8個小時內上隅角的瓦斯濃度變化規律，得到氣動風機對工作面瓦斯分布的影響。

圖7 檢修班使用風機前后工作面上隅角瓦斯濃度變化圖

圖8 生產班使用風機前后工作面上隅角瓦斯濃度變化圖

通過對比檢修班、生產班8個小時內上隅角的瓦斯濃度變化規律，來揭示氣動風機對工作面瓦斯運移規律的影響。

由圖7可以看出，在檢修班期間無風機擾動時，瓦斯濃度基本維持在0.45%左右；當氣動風機安裝在18205工作面上隅角時(方案一)，啟動風機后瓦斯濃度相比無風機擾動時有所下降，瓦斯濃度基本維持在0.4%左右；當氣動風機安裝在18205工作面回風側距上隅角7m處的位置時(方案二)，瓦斯濃度基本維持在0.35%左右。同理，由圖8可以看出，生產班期間，在無風機擾動時，瓦斯濃度基本維持在0.75%左右；當采用方案一時，瓦斯濃度平均約0.65%，比無風機擾動時略低；當采用方案二時，瓦斯濃度基本維持在0.55%左右；同理可確定方案二效果較好。因此，可以判斷氣動風機對減小上隅角瓦斯濃度起到一定的效果，但安裝在上隅角并不是合適的位置，最終確定檢修班期間氣動風機安裝位置為18205工作面回風側距上隅角7m處。

綜上所述，通過對三種情況下的檢修班和生產班時18205工作面上隅角的瓦斯濃度分析，確定采用方案二氣動風機的安裝方式進行消除上隅角瓦斯。

4 結論

(1)上隅角的瓦斯壓力和瓦斯濃度的分布規律基本相同，均與瓦斯運移速度有關，瓦斯撞擊回風巷煤壁后，氣流會呈現反彈趨勢，致使瓦斯運移速度減緩，聚集瓦斯量較多，瓦斯壓力及瓦斯濃度偏大。

(2)瓦斯運移速度、瓦斯濃度沿工作面走向依次增大，在深部采空區達到最大；瓦斯壓力沿工作面傾向依次增大，在回風巷側達到最大，受隅角阻力的影響在隅角處的瓦斯壓力突然變大。

(3)通過模擬分析，確定了啟動風機的安裝方式如下：氣動風機安裝在18205工作面回風側距上隅角7m處，風機用直徑不小于12mm鐵鏈吊掛在153號架頂梁上，吊掛牢固后，使風機出風口對準上隅角。