气动风机治理上隅角瓦斯技术在斜沟煤矿的应用
2018-12-13郝利生毕建乙刘飞宇
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。