Y型通风综采面运巷与风巷合理配风比研究

2019-04-28王春霞杨付领石开仪

煤 2019年4期

王春霞，杨付领，石开仪

(1.六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州六盘水 553004；2.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003)

“Y”型通风是指综采面通风方式为两进一回，运巷进入的风流经过工作面后和风巷进入的风流在上隅角处汇合共同流入尾巷。综采面采用Y型通风系统不仅从根本上解决了上隅角瓦斯的积聚问题，而且各种管道、设备、运煤都在新鲜风流中，在瓦斯专用巷(尾巷)没有轨道、电缆和管子等，提高了回风巷的安全性。运巷进风的作用可以稀释工作面煤壁涌出的瓦斯，风巷进风可以避免工作面上隅角瓦斯积聚，稀释沿空留巷瓦斯浓度。但是，运巷和风巷双巷配风比的不同，会造成工作面两端压差不同，使得工作面和采空区风流场也不一样。因此在工作面总风量一定的前提下，运巷、风巷合理的配风比至关重要[1-5]。本文以某矿8103工作面为背景，采用数值模拟的方法分析了运巷和风巷不同配风比情况下工作面和采空区流场分布以及瓦斯浓度分布规律，并结合现场试验，确定了合理的配风比。

1 数值模拟的物理模型及边界条件

1.1 物理模型

依据某矿8103工作面实际情况，建立CFD数值模拟物理模型。采空区长300 m、宽266 m、高50 m；工作面长266 m、宽5.5 m、高3.5 m；进、回风巷长30 m、宽5.4 m、高3 m；尾巷长300 m、宽5.4 m、高3 m。模型网格划分：进、回风巷等风流集中区域，网格划分为0.2 m的精细网格，而在采空区层流区域，网格划分为2 m网格。建立的物理模型如图1所示。

图1 工作面采空区数值模拟物理模型俯视

1.2 边界条件设定

经现场实测，8103工作面两端压差为244.8 Pa，运巷和风巷总进风量为2 019 m3/min，尾巷回风，故模型边界条件设置为：

1) 运巷入口设置为速度入口(Velocity-inlet)，固定风量根据运巷和风巷配风比例计算；

2) 风巷入口设置为速度入口(Velocity-inlet)，固定风量根据运巷和风巷配风比例计算；

3) 尾巷设置为自由流出口(Outflow)；

4) 工作面及采空区瓦斯涌出设置为均匀涌出，工作面煤壁及落煤平均瓦斯涌出量为10.35 m3/min，采空区平均瓦斯涌出量为5.20 m3/min；

5) 采空区孔隙率ε的设置：采空区为均匀孔隙率ε=0.3。

2 模拟结果分析

为了确定“Y”型通风综采面运巷与风巷合适配风比，对运巷和风巷配风比例分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1四种情况下采空区风流及瓦斯分布规律进行了数值模拟。

2.1 运巷和风巷不同配风比情况下采空区流场分布

不同配风比下工作面漏风分布和采空区流场分布模拟结果如图2、图3所示。

由图2、3可以看出，运巷和风巷不同配风比时，工作面向采空区漏风规律相同，均是全程向采空区漏风，从进风侧至回风侧，漏风量逐渐减少；但是运巷和风巷的风量配风比不同时，采空区漏风量有所差异。随着运巷进风比例的增加(从1∶1到4∶1)，流经工作面的风量不断增加，工作面两端的压差也不断增加，往采空区的漏风量也逐渐增大。

图2 不同配风比时采空区流线

图3 不同配风比时工作面漏风分布

2.2 运巷和风巷不同配风比情况下采空区瓦斯分布规律

工作面总风量一定的情况下，运巷和风巷不同配风比时采空区瓦斯分布规律如图4所示。

图4 不同配风比时采空区瓦斯分布

由图4可知，运巷和风巷不同配风比时采空区瓦斯分布规律一致，均是越往采空区深处瓦斯浓度越高，越靠近回风侧采空区瓦斯浓度越高；随着运巷进风比例的增加(从1∶1到4∶1)，高浓度瓦斯有向采空区深部运移的趋势，这是因为随着运巷、风巷配风比例的增大，工作面和尾巷之间的压差增大，工作面向采空区漏风风量增大。

2.3 运巷和风巷不同配风比情况下工作面和上隅角瓦斯变化规律

工作面总风量一定的情况下，运巷和风巷不同配风比时工作面和上隅角瓦斯浓度(平均浓度)分布规律，如图5所示。

图5 不同配风比时工作面和上隅角瓦斯浓度分布

由图5可以看出，在总风量不变的情况下随着运巷和风巷配风比的增大，上隅角瓦斯浓度逐渐升高，工作面瓦斯浓度逐渐降低。这主要是因为随着运巷与风巷的配风比增大，即运巷进风量增大，工作面瓦斯被稀释，其浓度逐渐降低，风巷进风量减小，对上隅角处涡流区吹散的动力变小，稀释瓦斯浓度效果减弱，造成上隅角瓦斯浓度升高。

2.4 运巷和风巷不同配风比情况下尾巷瓦斯浓度分布规律

工作面总风量一定的情况下，运巷和风巷不同配风比时尾巷瓦斯浓度变化规律，如图6所示。

由图6可以看出，越往尾巷深部，采空区瓦斯不断向尾巷内涌出，尾巷瓦斯浓度越来越高；在总风量不变的情况下随着运巷和风巷配风比的增大，尾巷内瓦斯浓度逐渐升高。这主要是由于随着运巷与风巷的配风比增大，工作面往采空区的漏风量越大，漏风进入采空区后又流入尾巷时带出的瓦斯也越大。

图6 不同配风比时尾巷内瓦斯浓度分布

3 不同配风比情况下工作面等地瓦斯浓度现场测试

为了更准确地掌握运巷和风巷不同配风比情况下实际现场瓦斯浓度情况，在某矿8103工作面进行了现场试验，通过2个月不断调整运巷和风巷风量，测试不同配风比情况下工作面上隅角、工作面中间和尾巷的瓦斯浓度，测试数据如图7所示。

图7 不同配风比时上隅角、工作面和尾巷瓦斯浓度变化

由图7可知，现场测试的运巷和风巷不同配风比情况下，上隅角、工作面和尾巷瓦斯浓度变化规律与数值模拟结果一致，均是运巷和风巷不同配风比越大，尾巷和上隅角瓦斯浓度越高，工作面瓦斯浓度越低。

4 运巷和风巷合适配风比确定

由数值模拟和现场测试结果可以看出，运巷和风巷配风比的变化，不仅可以改变工作面两端压差，影响工作面向采空区的漏风量，还对采空区流场、采空区瓦斯分布及工作面、上隅角、尾巷内瓦斯浓度都有影响。运巷和风巷配风比越大，即运巷风量越大，流经工作面的风量也越大，工作面两端压差也越大，工作面向采空区漏风量也越大，但总体流经工作面的风量还是会增加，这使得工作面瓦斯浓度会降低；但同时由于风巷风量的减少，对上隅角处涡流区吹散的动力变小，稀释瓦斯浓度效果减弱，造成上隅角瓦斯浓度升高；工作面向采空区漏风量的增加会导致采空区向尾巷内涌出瓦斯量增加，造成尾巷内瓦斯浓度也不断升高。

经过现场不断测试分析，确定运巷和风巷合适配风比为3∶1，此时工作面瓦斯浓度为0.4%、上隅角瓦斯浓度为0.68%、尾巷瓦斯浓度为1.2%，均符合《规程》要求。