礦井掘進工作面可控循環通風技術數值模擬

雷禹

（西山煤電集團有限責任公司 鎮城底礦，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[1-2]是礦井安全開采的重要保障，不僅關系到礦井開采的連續、穩定及安全等，同時也影響著礦井的生產效益。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有的通風系統不足以支撐通風需求，所以對礦井通風系統進行相應的優化是十分重要的[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不再適用，因此提出可循環通風技術，可循環通風不僅可以控制循環風量，達到降溫、除塵等操作，將礦井瓦斯控制在規范以內，還可以將部分風流在此壓入進風巷，達到循環利用的目的。本文以鎮城底礦為研究背景，通過數值模擬軟件對掘進工作面循環通風進行研究，為低瓦斯礦井通風系統優化作出一定的貢獻。

1 礦井概況

鎮城底礦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下，風量不足，瓦斯及灰塵不能有效排除，因此本文提出循環式通風，并利用數值模擬軟件對循環通風的效果進行研究[5-6]。

2 循環通風技術研究

Fluent軟件是一種高精度、高效的流體計算軟件，可以較好的實現復雜物理現象的模擬。當掘進工作面采用循環通風方式時，掘進工作面的瓦斯及礦井粉塵分布與常規通風方式下的分布規律是不一樣的，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、網格劃分、參數設置等模擬步驟。

在進行建模時，首先分別建立循環通風巷道模型和常規壓入式通風系統，為了計算的方便，只建立作業點50 m的掘進巷道。完成模型建立后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，首先要考慮到計算精度及工作效率，當劃分網格較細時，此時的工作效率較低，計算時間較長，當網格劃分較少時，此時的模擬結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網格劃分方式，劃分完成后常規通風方式下網格總計有54 166個節點及49 317個單元，循環通風系統方式下網格總計有166 320個節點及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，根據鎮城底礦22605工作面原有的試驗數據將掘進工作面的瓦斯含量設定為0.06%～0.08%，在常規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，瓦斯的質量流量為5.8×10-6kg/s，完成參數設定后開始計算，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對工作面的沖刷，當風流達到工作面時，此時的沖刷風流出現自下向上的運動，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2次較為明顯的風流旋渦現象，分別出現在射流擴展段和沖刷工作面的反擊流位置。從距離作業工作面1.5 m剖面示意圖可以看出，風速最大值出現在巷道頂板位置，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部面，循環通風的模擬示意如圖2所示。

圖2 循環通風模擬示意Fig.2 Circulating ventilation simulation

從圖2中可以看出，在距離作業點0.5 m的位置時，此時的頂板出現風速的最大值，而在巷道的底板位置出現風速的最小值，對于瓦斯排除較為有利，當距離作業點的距離增大至8 m時，此時在巷道頂板附近位置仍出現風速的最大值，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，出現風流旋渦。在距離作業點40 m時，此時由于風筒的重疊使得風速在頂板位置出現最大值，風速在巷道的中心線位置出現最小值，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瓦斯聚集，在工作面的頂角位置瓦斯濃度最大，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。相比于常規的壓入式通風方式，循環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]。

對粉塵的分布規律進行研究，首先設定粉塵的體積分數為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、顆粒間的密度不發生變化、無壓縮等物理現象出現，模擬結果如圖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底板位置出現的粉塵濃度最大，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。可以看出，部分顆粒灰塵隨著循環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 語

為了降低礦井通風成本，達到降本增效的目的，本文利用數值模擬軟件對低瓦斯礦井循環式通風下的效果進行了一定的分析，通過對比循環通風及壓入式通風工作面的風流、瓦斯及灰塵分布情況，發現循環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，滿足礦井生產需求。