掘進工作面循環通風技術的研究與應用

宋鋒鋒

摘 要：本文以礦井通風系統為切入點，針對原有壓入式通風系統的工作面瓦斯含量高的特點，進行了通風系統的改造，通過數值模擬研究了改造后循環通風方案下工作面風速和瓦斯濃度分布，現場應用后，證明了數值模擬結果的準確性，通風效果良好，節約能耗的同時為安全生產提供了保障。

關鍵詞：通風系統;循環通風;數值模擬

隨著煤炭開采深度的不斷增加，礦用通風機械設備磨損嚴重，已有的通風系統很難滿足礦井通風需求，通過更換通風設備和改進通風方案是增量通風的兩種主要方案，因為更換通風設備成本高，耗費時間長，不宜采用，因此改進通風方案稱為增強通風的主要措施。本文從通風系統入手，對通風系統進行了優化改造，改造后的通風方案降低了工作面瓦斯濃度，同時降低了通風能耗，取得良好的應用效果。

1 循環通風理論

在巷道掘進期間，為了安全高效的掘進作業，巷道必須進行連續通風減少有毒有害氣體的含量，當巷道通風只有進口沒有出口時，稱為獨頭巷道，獨頭巷道的通風必須進行局部通風。目前局部通風的方法有壓入式、抽出式和混合式三種方法。在通風的過程中，如果風流兩次經過工作面，則這種通風方式成為循環通風。根據新鮮風流是否經過工作面，循環通風可分為開路式循環通風和閉路式循環通風兩種。

對于閉路式循環通風，新鮮風流并沒有經過工作面。因為工作面瓦斯以及粉塵等的連續釋放，在這種通風方式下加劇了氣體的濃度，不利于安全生產。對于開路式循環通風，在通風過程中不斷有新鮮風流流經工作面，工作面產生的污風同新鮮風流混合，降低了有毒有害氣體的含量。這種通風方式下，工作面產生的污風與新鮮風流不斷摻混循環通入工作彌漫，通過已有的研究可知，閉路式循環通風可以改善工作面附近氣體的物理參數，可以有效降低有毒有害氣體的濃度，但是并不會無限減少氣體濃度，而是隨著循環通風次數的增加趨于一個穩定值，工作面附近溫度也會隨著循環通風次數的增加趨于穩定值，在通風趨于內，風流速度、空氣濕度最終都將趨于一個穩定值。可控循環通風可以降低工作面附近瓦斯和粉塵等氣體的濃度，具有改善掘進條件及降低通風能耗的優點，但是當礦井處于災變時期，循環通風可能引起巷道內溫度升高，有毒有害氣體濃度增加的現象，不宜采用。

2 循環通風數值模擬實驗

對于循環通風數值模擬實驗，利用CFD數值模擬軟件進行研究。根據礦井實際數據，建立巷道三維數值模擬模型，如圖1所示，模型中抽出式風筒位于作業點約12m位置，壓入式風筒位于作業點約125m位置，共有84m的風筒重疊段。為了計算結果的準確性，適當縮小巷道尺寸，取工作面長度為70m，抽出式風筒位于作業點約27m位置，壓入式風筒位于作業點約28m位置，共有15m的風筒重疊段。模擬中壓入式通風型號為JBT-52，電機功率為11kW，風機提供的風量范圍為2.42-3.75m3·s-1，風壓范圍為490-2352Pa;抽出式通風型號為SCF-6，電機功率為18.5kW，風機提供的風量范圍為0.9-3.75m3·s-1，風壓范圍為196-2156Pa。

模型建立后需進行網格的劃分，網格劃分的精度直接決定了數值模擬計算結果的準確性。為了保證網格劃分數量的適量性和計算結果的精度，采用GAMBIT網格劃分程序中的Hex/Wedge型類型進行網格的劃分。對于可控循環通風巷道模型網格的劃分共有185423個節點，網格單元體共163245個，為了評價網格劃分的質量，進行了網格畸變率計算，90%的網格畸變率低于0.5證明了網格劃分的成功性。

結合礦井實際通風狀況，假定巷道內進風量為72.214 m3/min，壓入式風筒的直徑為600mm，風筒出口位置設為邊界，風筒提供的風流速度達到4.5m/s，抽出式風筒出口和入口分別設為邊界，方向與掘進巷道方向一致，設置工作面瓦斯涌出量為4.9×10-6kg/s，相關參數確定后，進行數值模擬。模擬得到圖2所示的工作面附近風速模擬矢量圖。

從圖2中可以看出，抽風筒的有效射程大于壓風筒的有效射程，且兩者都出現卷吸作用。從圖2中（a）圖壓風筒附近工作面風速模擬圖中可以看出，壓風筒有效射程較短，在其射程內出現了卷吸作用，分別發生在Y=54m、Y=60m、Y=70m，在卷吸作用下，風流聚集嚴重;圖2中（b）圖抽風筒附近工作面風速模擬圖中可以看出，抽風筒有效射程相對較長，在其射程內出現了卷吸作用，分別發生在Y=64m、Y=70m，在卷吸作用下，風流聚集嚴重，在壓風筒和抽風筒的共同作用下，聚集區風流發生碰撞，形成紊流，積聚區部分氣體在抽風筒的射流卷吸作用下排出巷道，剩余部分氣體則在壓風筒的作用下再次返回至工作面。

為了更直觀的觀測工作面附近氣體濃度的變化狀況，模擬了瓦斯濃度分布，通過模擬可知，采用循環通風后，工作面瓦斯聚集現象明顯得到改善，在壓風筒附近工作面夾角位置，瓦斯濃度變化較大，分析原因，在壓風筒附近，因為風流較大，在風流射流作用下，頂板與工作面夾角處風流較小，造成瓦斯濃度相對較高。可見可控循環通風對于減少工作面瓦斯濃度有明顯的改善作用，與常規通風類似的是，頂板與工作間夾角處瓦斯濃度依舊偏高，但是滿足安全生產的需要。

3 掘進工作面循環通風方案實施應用

礦井原通風方式為壓入式通風，要想實現循環通風，只需增加抽出式通風機，且布置氣體自動檢測和報警裝置，通過自動開關控制通風機的運行，調控風量。

礦井掘進工作面循環通風方案如下：首先調節風機通風量，減少巷道內總通風量，減少了壓入式風機通風量的同時，增加抽出式通風機，通過自動開關調節抽出式通風機的風量，使其大于壓入式通風機的通風量，隨后對抽出式風機和壓入式風機同時進行風量的調節，保證抽出式風筒和壓入式風筒的疊加長度大于10m，為了保證疊加段內出現瓦斯聚集現象，保證通風速度大于0.25m/s。

對改造前后的風機運行狀況進行比較，得到表1所示的結果。

從表1可知，改進后通風方案下，風機通風風量從之前的157.23 m3·s-1增長為185.23 m3·s-1，增幅達到17.8%，電機運行過程中承受的負壓、軸功率及運行功率都降低，設備損耗降低。通過對現場工作面附近瓦斯等氣體的測量可得，循環通風方案下工作面附近瓦斯含量明顯降低，雖然工作面上隅角瓦斯含量略高，但是滿足安全生產需求。

4 結論

本文針對礦井壓入式通風方法下掘進工作面瓦斯含量超標的現象，進行了通風系統的改進，對改進后的循環通風方案進行了數值模擬研究，數值模擬結果顯示，在循環通風方案下，工作面附近雖然會出現卷吸現象，但是工作面附近瓦斯含量明顯降低，通過現場應用，取得了良好的效果。