短壁连采工作面通风系统设计及流场数值模拟*

2018-09-18申丑孩

现代矿业 2018年8期

申丑孩

(晋能集团长治公司山西新村煤业有限公司)

短壁连采开采工艺具有采掘合一、机动灵活、适应范围广等特点，适用于三下开采及边角煤回收等，对提高煤炭资源回收率具有重要意义[1-3]。短壁开采通风系统通常采用矿井全负压通风与局扇通风相结合的方式，回采时，采用全风压通风，支巷掘进时采用局部通风机通风。通风系统设计及管理对煤矿安全生产至关重要，若通风不当，容易局部积聚瓦斯，给煤矿生产带来巨大安全隐患[4-6]。本文以常村煤矿4011连采短壁开采工作面为例，根据现场条件，设计工作面通风系统，并对掘进支巷流场数值模拟，分析支巷流场的特性，确定局部通风机风筒出口的安装位置，从而为煤矿通风系统管理提供科学理论依据。

1 工作面概况

常村煤矿4011和4012工作面为已经布置完成的综采工作面，两工作面位于4采区下山，其中，4011工作面为4采区下山首采工作面，4012为接替工作面，主采3#煤层，该煤层倾角为5°～8°，区域内煤层厚度不稳定，为6.9～2.4 m。 3#煤层伪顶一般为泥岩，时有炭质泥岩，厚0.20～0.30 m，随采随落；直接顶为粉砂岩或砂质泥岩，厚2～3 m，岩性较脆，放顶后随之垮落;老顶为砂岩，厚5～10 m，胶结坚硬，强度较大;底板多为粉砂岩或砂质泥岩，强度较小。由于4011工作面在开掘运输顺槽时揭露了位于巷道270～355 m的陷落柱，且两工作面内也发现分布有大型陷落柱和断层。此外，随着4011工作面回采，煤层厚度将由6 m逐渐变薄至2.8 m，综采液压支架与综采工作面不匹配。为尽量避开陷落柱，并科学回采这部分煤炭资源，经分析论证，考虑采用以连续采煤机为主的短壁机械化开采技术回采该部分煤炭资源，设计连采工作面位于图1中原4011(4012)综采工作面位置。

2 工作面巷道布置及设备选型

为提高煤炭资源回采率，降低生产成本投入，改善工作面工作环境，在工作面巷道布置时尽可能利用已有巷道。401运输下山、401回风下山2条巷道作为工作面运输大巷及回风大巷使用；原4011运输顺槽及4011回风顺槽作为连采工作面运输平巷、回风平巷；在4011(4012)运输平巷及4011(4012)回风平巷之间掘进回采支巷进行工作面的煤柱回收，支巷断面均采用矩形，规格为5 m×3 m。4011工作面共布置支巷44条，工作面每采3条支巷留设10 m 隔离保护煤柱。回采时工作面实现负压通风，在支巷两侧回采采硐。

根据4011连采工作面煤层地质条件，工作面选用一台EML340-18/35型连续采煤机完成割煤和装煤工序，其1.8～3.5 m的采高能较好地适应工作面的煤层厚度，提高资源的回收率；工作面选用一台SC15/182型梭车完成煤炭运输工序，由于行走支架所用工作面的支巷设计高度为3 m，且回采时需要进行卧底，为保证支架顶梁与顶板有效接触，工作面选用2台XZ7000/21/40型履带行走式液压支架，1台PZL460/150B型转载破碎机完成破碎和输送工序。

图1 工作面位置

3 通风系统设计

根据现有短壁开采工艺常见通风方式，结合现场生产情况，进行通风系统设计。支巷掘进时，利用局部通风机进行压入式通风；采硐回采时，新鲜风流依次经由集中运输巷、401运输下山、原4011(4012)运输顺槽后进入支巷，污风依次通过原4011(4012)回风顺槽、401回风下山，最终进入集中回风大巷，工作面巷道布置及通风系统见图2。工作面正常生产所需的最小风量为225 m3/min，考虑到回采期间采硐的需风，取风量附加系数K=1.2，则工作面实际需风量为270 m3/min。根据计算选用2组FBD6.3/2×18.5型对旋轴流压入式局部通风机，采用φ800 mm柔性胶质风筒，即可满足通风要求。局部通风机技术特征详见表1。

表1 风机技术特征

图2 工作面巷道布置及回采通风系统

本巷道布置通风系统具有以下优点：①利用已有巷道，充分降低成本；②避开陷落柱等地质构造，提高开采效率；③采用全负压通风，通风系统简单，改善工作环境，降低煤尘。

4 通风流场数值模拟

短壁连采工艺需要掘进大量的支巷，掘进支巷时运用局部通风机压入式通风，新鲜空气压送至工作面，污染空气沿巷道排出。新鲜风流自风筒口射出后与周围质点发生剧烈的动量交换而成紊流状态，由于风筒悬挂需考虑煤矿生产，风筒一般沿巷道侧帮靠近顶部悬挂，所以风流就会受到周围有限空间的约束，形成受限附壁射流，即局部通风机压入式通风实际上是紊流射流通风，流场结构较为复杂，通风管理以及风筒出口的位置是影响采场通风效果的重要因素。

Fluent是一高效模拟复杂流体流动的软件，含多种计算模型，其特点是精度高、速度快。采用Fluent软件对支巷掘进工作面通风进行流场模拟，并对其流场分布特性进行分析，为短壁连采工作面支巷掘进通风管理提供科学依据。

4.1 物理模型

以该矿4011短壁连采工作面支巷实际尺寸为参考，巷道断面为5 m×3 m，物理模型见图3。根据通风气温、风速、每班工作最多人数、瓦斯(二氧化碳)绝对涌出量进行风量计算，风机选取FBD6.3/2×18.5型局部通风机，按风量270 m3/min、风筒直径0.8 m进行数值模拟。局部通风机风筒出风口固定在巷道侧壁靠近顶部，选取风筒出口与工作面距离L为30 m，采用非结构化网格分别对上述模型进行网格化，网格大小为0.015 m，网格数为1 191 742。

图3 物理模型

4.2 流场数学模型

4.2.1 假设条件

通风流假设为不可压缩流体，流体黏性力做功产生的耗散热忽略不计，等温通风，稳态紊流；流体的紊流黏性具有各向同性，紊流黏性系数作标量处理。

4.2.2 数学公式

根据假设，采用k-ε方程对模型进行描述，其控制方程包括连续性方程、动量方程、紊流动能方程(k方程)和紊流动能耗散方程,即

(1)

式中,ui为速度分量，m/s；t为时间，s；fi为质量力，m/s2；p为压力，N；μ为动力黏性系数，pa·s；μt为紊流动力黏性系数，pa·s；Gk为紊流能量生成率；k为紊流动能，m2/s2；ε为紊流动能耗散率，m2/s3；σk、σε、C1ε、C2ε分别为经验常数,取1.00，1.30，1.44，1.92。

4.2.3 边界条件

入口边界为压入式风筒出口，出口边界为逆风风筒出口处的巷道断面，固定边界为支巷壁面及支巷掘进工作面。

4.3 数值模拟结果及分析

通过Fluent数值模拟，得出支巷通风流场流线图、辅助矢量图、速度云图，见图4～图7。

从支巷流场流线图(图4)可以看出，射流从风筒中射出后，逐渐以增大的自由风流沿射出风流的轴线方向在支巷内流动，且风流的速度随着距离的增加逐渐降低，射出的风流沿轴向到达一定的距离后会回流至支巷，风流比较明显地分为射流区、回流区、涡流区、循环涡流区4个分区。当风筒距离工作面较长时，风流的有效射程小于风筒至工作面的距离，在工作面容易形成了循环涡流区，不利于煤尘及其他有害气体的排出。

图4 支巷流场流线图

从支巷流场不同Y-Z平面速度矢量图(图5)可以看出，射流前进过程中，受巷道空间制约，在靠近支巷顶底板区域形成附壁射流，射流沿巷道顶底板向掘进头流动，到达工作面后，沿风流轴向反方向流动，形成回流，因此，风流在支巷流动过程中以射流、涡流、回流等多个流体状态耦合存在；风流从风筒射出以后，卷吸周围气流，射流区扩大，在射流区下方的风流速度非常低；距风筒的距离越远，风流的速度逐渐降低，当掘进头距风筒的位置超出风流的有效射程时，在支巷掘进头处中心区域形成涡流区，因此，在使用局部通风机通风时，必须保持风筒距掘进头的距离合理。从支巷流场X-Z平面速度矢量图(图6)可以看出，从风筒射出的风流射流在前进过程中，情况与图5一致，在靠近两帮区域形成附壁射流；在巷道中心区域形成涡流区；靠近底板的速度矢量图中，回流区的速度大于射流区的速度，涡流区也更偏向射流区。

从支巷流场速度云图(图7)可以得出，射流区对其周围空气有卷吸效应，射流卷吸周围气流；射流前进过程中，射流区的截面逐渐变大，当到7 m的时候，断面出现收缩现象，风速降至最低，逐渐形成涡流，因此，为保证掘进头位置不出现风流涡流停滞的现象，在掘进过程中，风筒出口与工作面距离应小于10 m；涡流区主要集中在支巷的中心位置，回流区主要集中在射流对面侧帮的中下区域；巷道顶部风筒出口正下方有一部分风速较低区域，应加强通风管理。