气动风机治理上隅角瓦斯技术在斜沟煤矿的应用

郝利生 毕建乙 刘飞宇 孙 亮

(1.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 033602；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 123000；3.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 113122)

1 工作面概况

斜沟煤矿位于山西省兴县县城北50km处岚漪河两侧，隶属于兴县魏家滩镇和保德县南河沟镇，属于河东煤田离柳矿区，主采煤层为8号、13号煤，煤层结构简单，井田南北长约22km，东西宽约4.5km，面积为88.6km2。矿井为低瓦斯矿井，采用斜井开拓方式，8号煤层厚度为3.80～5.50m，平均厚度为4.70m，倾角为7.5°～11.4°，平均9.4°。8号煤为自燃煤层，最短自然发火期为63d，煤尘具有爆炸性。顶板主要为泥岩，底板主要为泥岩和中细粒砂岩。8号煤透气性系数为0.00927～0.01416m2/(MPa2·d)，为低透性煤层。

8号煤18205工作面位于12采区辅助运输下山南侧，东部、南部、西部均为实煤区。工作面标高为+520～+584m，可采走向长度为2800m，倾斜长为260m，采用综合机械化采煤工艺进行回采，长壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板，平均推进速度3.2m/d，工作面共计157个支架；采用U型通风方式，根据掘进资料，最大绝对瓦斯涌出量为0.88m3/min，局部煤岩层裂隙瓦斯富集，预计回采过程中，局部瓦斯涌出量较大。目前工作面瓦斯涌出量为14.15m3/min，上隅角瓦斯浓度较大，严重影响工作面的推进速度。18205工作面布置方式如图1所示。

图1 18205工作面布置方式

2 模拟上隅角瓦斯的分布规律

使用Fluent模拟研究工作面、上隅角的瓦斯分布规律，为选择气动风机的类型、安装位置及布置方式提出依据。

2.1 18205工作面瓦斯流场数学模型的建立

根据18205工作面的实际情况和模拟要求，对18205工作面的工程实际进行简化：将18205工作面的物理模型分为5个部分，自内向外依次为深部采空区、浅部采空区、支架部分、工作面、进回风巷，各部分均简化为长方体模型，忽略工作面顶底板对采空区瓦斯运移规律的影响。由于采空区随其深度的不同，呈现的规律性也有所不同，故将采空区的模型分成两部分。深部采空区的模型尺寸为40m×260m×10m(走向、倾向、高)；浅部采空区的模型尺寸为25m×260m×6m；支架部分的模型尺寸为2m×260m×3m；工作面的模型尺寸为6m×260m×5m；两巷道的模型尺寸均为3m×6m×4m。18205工作面物理模型如图2所示。

图2 18205工作面模型

2.2 18205工作面瓦斯运移规律模拟结果分析

通过研究18205工作面及上隅角平面速度、气体压力、瓦斯浓度的分布规律为气动风机布置提出依据，模拟结果如图3所示。

图3 数值模拟结果

从图3a得到：瓦斯由工作面向回风巷运移时，受回风巷煤壁阻力的影响，在上隅角出现短暂的停滞，是瓦斯运移速度减慢的主要原因；从图3b发现：上隅角瓦斯出现短暂的停滞是造成上隅角瓦斯聚集的重要原因，致使瓦斯压力同比其他区域高，距工作面3～7m处瓦斯压力开始减小，压力的峰值位于工作面回风侧2～5m处；由图3c可得：瓦斯在上隅角短暂的停留导致瓦斯浓度较大，在工作面2～6m处瓦斯浓度最高，距回风巷与工作面的交界点1～2m处，瓦斯浓度仍然处于增大趋势，回风巷距工作面3～7m处瓦斯浓度呈现降低的趋势；模拟结果表明：上隅角的瓦斯压力和瓦斯浓度的分布规律基本相同，均与瓦斯运移速度有关，瓦斯撞击到回风巷煤壁后，气流会呈现反弹趋势，致使瓦斯运移速度减缓，积聚在此处的瓦斯量增多，使瓦斯压力及瓦斯浓度偏大。

由图3d发现：位于工作面的瓦斯在运移过程中，运移速度基本保持相对不变，受隅角局部阻力的影响，在隅角处瓦斯出现短暂的停滞；从图3e可得：沿着工作面倾向瓦斯在运移过程中，从进风巷到回风巷瓦斯压力不断增大，根据瓦斯压力的大小大致可划分五个范围，在隅角处瓦斯压力相对较大；由图3f得到：沿着工作面走向瓦斯浓度不断增大，在深部采空区达到峰值，沿工作面倾向瓦斯浓度基本不变。模拟结果表明：瓦斯运移速度、瓦斯浓度沿工作面走向依次增大，在深部采空区达到最大；沿工作面倾向瓦斯压力依次增大，在回风巷侧达到最大，受隅角阻力的影响在隅角处的瓦斯压力突然升高。

3 气动风机的布置及效果分析

气动风机是一种排风设备，适用于各种通风系统，专门满足地下管道的局部通风系统的需要。目前，矿用气动风机类型主要分为射流扰动型和制冷降温型，射流扰动型主要应用分散局部区域的气体聚集，制冷降温型主要应用降低局部区域气体温度，根据气动风机的功能及斜沟煤矿实际情况，选择射流扰动型风机。

3.1 气动风机的结构特征及基本参数

新鲜风流从入口进入气动马达，其叶轮被主轴带动而快速转动，使吸收进来的新鲜风流经过防护网的进风口流入叶轮，经过带有导页的环形气流通道后射出大量的高能量气流，实现风机的运转，射流扰动型风机结构如图4所示和风机实物如图5所示。气动风机的基本参数见表1。

3.2 气动风机的安装

气动风机不能产生新风，而是在新风流的配合下完成工作。按照气动风机的安装要求，风机必须安装在巷道新鲜风流一侧。根据模拟可知：瓦斯压力、 浓度在工作面回风侧2～5m处达到最大，在回风巷1～2m处仍有增大的趋势，3～7m处慢慢减小。现分别布置两套气动风机的安装方案，通过对比两种方案气动风机安装后，工作面瓦斯分布情况，为气动风机的安装提供依据。气动风机安装位置如图6所示。

表1 基本参数与尺寸

1—进口防护网；2—外筒；3—风机叶轮；4—内筒；5—气马达；6—进出气管；7—气动布风轮；8—可调叶片；9—出口防护网；10—布风轮轴承座；11—叶轮轴承座图4 射流扰动型风机结构

图5 气动风机实物

图6 气动风机安装方案示意图

方案一：气动风机安装在18205工作面上隅角处，风机用直径不小于12mm铁链吊挂在260号架顶梁上，吊挂牢固后，使风机出风口对准回风巷。

方案二：气动风机安装在18205工作面回风侧距上隅角7m处的位置，风机用直径不小于12mm铁链吊挂在153号架顶梁上，吊挂牢固后，使风机出风口对准上隅角。

3.3 气动风机布置方式的选择

通过观察瓦斯浓度来分析气动风机对上隅角瓦斯浓度的影响。通过对比三种方案，得到上隅角的实际瓦斯浓度变化规律，三种情况下上隅角瓦斯浓度的变化规律如图7、图8所示。通过对比分析检修班、生产班8个小时内上隅角的瓦斯浓度变化规律，得到气动风机对工作面瓦斯分布的影响。

图7 检修班使用风机前后工作面上隅角瓦斯浓度变化图

图8 生产班使用风机前后工作面上隅角瓦斯浓度变化图

通过对比检修班、生产班8个小时内上隅角的瓦斯浓度变化规律，来揭示气动风机对工作面瓦斯运移规律的影响。

由图7可以看出，在检修班期间无风机扰动时，瓦斯浓度基本维持在0.45%左右；当气动风机安装在18205工作面上隅角时(方案一)，启动风机后瓦斯浓度相比无风机扰动时有所下降，瓦斯浓度基本维持在0.4%左右；当气动风机安装在18205工作面回风侧距上隅角7m处的位置时(方案二)，瓦斯浓度基本维持在0.35%左右。同理，由图8可以看出，生产班期间，在无风机扰动时，瓦斯浓度基本维持在0.75%左右；当采用方案一时，瓦斯浓度平均约0.65%，比无风机扰动时略低；当采用方案二时，瓦斯浓度基本维持在0.55%左右；同理可确定方案二效果较好。因此，可以判断气动风机对减小上隅角瓦斯浓度起到一定的效果，但安装在上隅角并不是合适的位置，最终确定检修班期间气动风机安装位置为18205工作面回风侧距上隅角7m处。

综上所述，通过对三种情况下的检修班和生产班时18205工作面上隅角的瓦斯浓度分析，确定采用方案二气动风机的安装方式进行消除上隅角瓦斯。

4 结论

(1)上隅角的瓦斯压力和瓦斯浓度的分布规律基本相同，均与瓦斯运移速度有关，瓦斯撞击回风巷煤壁后，气流会呈现反弹趋势，致使瓦斯运移速度减缓，聚集瓦斯量较多，瓦斯压力及瓦斯浓度偏大。

(2)瓦斯运移速度、瓦斯浓度沿工作面走向依次增大，在深部采空区达到最大；瓦斯压力沿工作面倾向依次增大，在回风巷侧达到最大，受隅角阻力的影响在隅角处的瓦斯压力突然变大。

(3)通过模拟分析，确定了启动风机的安装方式如下：气动风机安装在18205工作面回风侧距上隅角7m处，风机用直径不小于12mm铁链吊挂在153号架顶梁上，吊挂牢固后，使风机出风口对准上隅角。