综采工作面配风量对其风阻的影响规律分析

侯建军

(新郑煤电有限责任公司，河南 新郑 451150)

前人采用CFD模拟方法在矿井通风领域取得了丰硕的研究成果，在前人研究基础上，本文借助CFD流场模拟方法定量计算不同配风量条件下综采工作面风阻，以河南新郑煤电有限责任公司11208综采工作面为研究对象，采用现场实测与CFD数值模拟技术相结合的方法从“风流场”角度出发对综采工作面风阻随其配风量的变化规律进行研究。

1 综采工作面风阻实测研究

以河南新郑煤电有限责任公司11208综采工作面为研究对象，该工作面为“一进一回”U型通风方式，现场实测该工作面的风量、空气密度、通风阻力、风阻，选择在检修班期间进行测试，综采工作面通风参数现场实测布置如图1所示。在进风巷断面Ⅰ位置处实测工作面配风量，在进风巷断面Ⅱ位置处与回风巷断面Ⅲ位置处实测气压、风速、干温度、湿温度，计算风流密度、工作面通风阻力、工作面风阻，式(1)为工作面通风阻力计算公式，式(2)为工作面风阻计算公式，主要实测数据与计算结果数据见表1。

表1 综采工作面关键通风参数及风阻实测结果汇总

式中，hs为综采工作面通风阻力，Pa；PⅡ为综采工作面测试断面Ⅱ气压值，Pa；PⅢ为综采工作面测试断面Ⅲ气压值，Pa；hⅡ为综采工作面测试断面Ⅱ气压值，Pa；hⅢ为综采工作面测试断面Ⅲ气压值，Pa；Qs为综采工作面断面Ⅰ位置风量测试值，m3/min；Rs为综采工作面风阻，Ns2/m8；g为重力加速度，m/s2。

图1 综采工作面通风参数现场实测布置示意图

由表1可得工作面回采期间不同配风量条件下其风阻实测结果相差较大，为了进一步揭示工作面配风量对其风阻的影响变化规律，下文将采用数值模拟方法从工作面流场结构分布特征入手进行深入分析研究。

2 综采工作面流场模拟计算几何数学模型构建

2.1 综采工作面及采空区几何模型

综采工作面通风阻力与采空区漏风密切相关，一部分工作面风流从进风侧漏入采空区，而从回风侧返回到工作面，采空区漏风使得工作面巷道沿程风量出现先减小后增大的变化趋势，工作面风量变化会直接影响工作面通风阻力，因此研究综采工作面通风阻力及风阻变化必然需要考虑采空区漏风影响，采空区漏风率越大，其影响越大。新郑煤电有限责任公司属于突出矿井，煤层瓦斯含量大，为了防止采空区回采遗煤瓦斯随漏风涌入工作面，11208回采工作面采取了堵漏风措施，实测采空区漏风率介于2.7%～3.8%范围。为了尽可能使数值模拟条件与实际现场条件一致，综采工作面流场模拟计算需要考虑采空区漏风影响。

以11208综采工作面实际布置与尺寸为基础，利用GAMBIT几何建模软件构建1∶1无缩放比例几何模型，如图2所示。几何模型中构建了综采工作面以及采空区，其中综采工作面内构建了支架、端头支柱、采煤机、刮板输送机等众多机械设备，模拟情景为工作面检修班期间，采煤机位于工作面进风侧端头，采空区高度由采空区顶板裂隙带高度确定，现场实测11208工作面采空区顶板裂隙带高度约为29.5m，综采工作面及采空区几何建模关键参数见表2。

图2 11208综采工作面数值模拟整体几何模型

参数名称参数取值进风巷宽度/m3进风巷高度/m2.5回风巷宽度/m3回风巷高度/m2.5工作面高度/m2.5工作面控顶距/m4工作面支架数量/个200超前支护支柱数量/个200超前支护支柱间距/m1采煤机尺寸/m1.5×1.2×2.5刮板输送机尺寸/m200×0.2×1.2采空区范围/m200×200×29.5

综采工作面通风阻力损失区域主要分为三部分：①进风巷超前支护区域，该区域内液压支柱的布置导致该区域通风阻力较大；②工作面支架支护区域，该区域内液压支架以及靠近煤壁一侧底板布置刮板输送机导致该区域通风阻力较大；③回风巷超前支护区域，该区域内液压支柱的布置导致该区域通风阻力较大。因此重点对进风巷超前支护区域、工作面支架支护区域、回风巷超前支护区域内的几何建模情况进行局部放大显示，如图3—5所示。

图3 11208综采工作面局部区域一放大细观图

图4 11208综采工作面局部区域二放大细观图

图5 11208综采工作面局部放大区域三细观图

2.2 综采工作面流场计算数学模型

综采工作面巷道空间内风流属于紊流状态，REGk-ε湍流模型能够很好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动，该模型适用于综采工作面这类结构复杂受限空间内流体动力学计算。将REGk-ε湍流模型方程与纳维-斯托克斯方程组联立构建得到综采工作面巷道空间内风流场数值计算模型的方程组。采空区内空气流动属于非线性低速渗流过程，采用福希海默方程描述采空区内空气流动，将福希海默方程与连续性方程联立构建得到采空区漏风流场数值计算模型。

FLUENT软件中提供有上述综采工作面巷道空间风流场计算模型和采空区漏风流场计算模型，在此基础上，结合边界条件，就构成了综采工作面风流场计算模型，边界条件设置见表3。

综采工作面风流场数值模拟关键物理参数及其取值见表4，其中风流密度由实测得到，壁面粗糙度参数根据经验进行取值。实测采空区空隙率与渗透率分布难度大，计算模型中对采空区进行简化处理，将采空区近似为均质型多孔介质，根据采空区冒落岩石堆积情况与压实程度对采空区空隙率与渗透率进行初步取值，采用插值试算法，对比采空区漏风率模拟结果与实测结果，最终确定采空区空隙率与渗透率合理取值。

表3 边界条件设置

表4 综采工作面风流场数值模拟物理参数取值

3 综采工作面风流流场模拟分析研究

3.1 综采工作面流场分布特征研究

图6 综采工作面局部放大区域气压场分布模拟结果

工作面局部放大区域气压场和风速场模拟结果如图6、图7所示，由图6、图7可得：①工作面支架支护区域内气压逐渐降低，而工作面端头超前支护区域内出现气压骤降现象，表明工作面两个端头区域通风阻力损失大于综采工作面巷道内通风阻力损失；②工作面回风侧端头超前支护区域风速分布明显比进风侧端头超前支护区域更加紊乱，说明采煤机设备对风速场具有显著影响；③工作面巷道内支架设备将巷道划分为两个明显的风速区域，靠近煤壁侧区域的风速明显高于靠近采空区侧区域的风速，采空区内风速远小于回采工作面。

图7 综采工作面局部放大区域风速场分布模拟结果

工作面巷道断面内风速场与气压场模拟结果如图8所示。由图8可得，工作面巷道断面内气压与风速分布明显不均匀，气压高的区域风速低、风速的区域气压高。

图8 综采工作面巷道断面风速场与气压场分布模拟结果

综上所述，工作面内气压场与风速场分布明显不均匀，具有典型的局部阻力损失特征，论证了综采工作面通风阻力损失为局部阻力损失，而传统的局部阻力经验计算公式无法用于计算结构复杂的综采工作面风阻值，下文将采用数值模拟方法对综采工作面风阻进行定量计算。

3.2 综采工作面风阻随风量变化规律研究

式中，hs-n(Qs)为风量为Qs条件下综采工作面通风阻力，Pa；Rs-n(Qs)为风量为Qs条件下综采工作面风阻，Ns2/m8。

图9 综采工作面通风阻力随工作面风量的变化曲线

图10 综采工作面风阻随工作面风量的变化曲线

4 综采工作面风阻实测与数值模拟结果对比分析

将表1中综采工作面实测风量带入式(7)计算得到不同工作面配风量条件下综采工作面风阻，工作面风阻实测结果与拟合函数表达式计算结果相对误差均在6%以下，见表5，误差主要来源于三方面，一方面是数值模拟中采空区空隙率与渗透率参数设置与实际情况之间存在一定偏差，另一方面是尽管数值模拟中考虑了回采工作面具体设备布置情况，但无法做到与实际情况完全一致，第三方面是数值模拟中未考虑由综采工作面风流热量传递转移而引起的风流密度变化。

表5 综采工作面风阻计算结果与实测结果数据汇总

5 结 论

1)对河南新郑煤电有限责任公司11208综采工作面回采期间不同风量条件下风阻进行实测计算，实测结果表明工作面风阻随风量发生显著变化，研究表明工作面风阻具有非定值特点。

2)采用CFD模拟方法构建11208综采工作面风流场计算模型，模拟分析工作面内气压场与风速场分布特征，论证了综采工作面通风阻力损失具有明显的局部通风阻力损失特征。基于模拟结果，采用数值分析方法拟合得到工作面风量-风阻特性曲线及函数表达式，函数表达式为二次抛物线型函数，函数表达式计算结果与现场实测结果之间相对误差小于6%，研究表明CFD数值模拟方法能够用于计算工作面风量-风阻特性曲线。