矿井可控循环通风技术在杜家沟矿的应用

王康平

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 运城 043300）

引言

随着矿井的采掘深度和开采规模的不断扩大，通风线路也相应延长，增加了矿井的通风阻力，造成矿井的通风越来越困难，为给矿井采掘工作面提供足够的风量逐步成为保证矿井安全生产的难题。在低瓦斯矿井，利用区域可控循环风技术在区域供给风量不变的前提下，能够有限解决采掘工作面的瓦斯，粉尘，温度和火灾问题。杜家沟矿为满足2-102工作面通风需求，通过更换通风设备和改进通风方案是增量通风的两种主要方案，因为更换通风设备成本高，耗费时间长，不宜采用，因此改进通风方案称为增强通风的主要措施。本文从通风系统入手，对通风系统进行了优化改造，改造后的通风方案降低了工作面瓦斯浓度，有效保证了矿井的安全生产[1]。

1 矿井概况及循环通风理论

杜家沟矿位于山西河津市清涧镇西北3 km，矿井设计生产能力60 万t/年，2-105 工作面主要开采2#、10#煤层，开采深度标高为+840 m～+600 m，井田呈不规则多边形，南北长4.6km，东西宽4.5km，面积9.89 km2。2-102 工作面巷道掘进期间，为了安全高效的掘进作业，巷道必须进行连续通风减少有毒有害气体的含量，当巷道通风只有进口没有出口时，称为独头巷道，独头巷道的通风必须进行局部通风。目前局部通风的方法有压入式、抽出式和混合式三种方法。在通风的过程中，如果风流两次经过工作面，则这种通风方式成为循环通风。根据新鲜风流是否经过工作面，循环通风可分为开路式循环通风和闭路式循环通风两种。

闭路式循环通风时新鲜风流并未经过工作面。因为工作面瓦斯以及粉尘等的连续释放，在这种通风方式下加剧了气体的浓度，不利于安全生产。对于开路式循环通风，在通风过程中不断有新鲜风流流经工作面，工作面产生的污风同新鲜风流混合，降低了有毒有害气体的含量。这种通风方式下，工作面产生的污风与新鲜风流不断掺混循环通入工作弥漫，通过已有的研究可知，闭路式循环通风可以改善工作面附近气体的物理参数，可以有效降低有毒有害气体的浓度，但是并不会无限减少气体浓度，而是随着循环通风次数的增加趋于一个稳定值，工作面附近温度也会随着循环通风次数的增加趋于稳定值，在通风趋于内，风流速度、空气湿度最终都将趋于一个稳定值。

可控循环通风可以降低工作面附近瓦斯和粉尘等气体的浓度，具有改善掘进条件及降低通风能耗的优点，但是当矿井处于灾变时期，循环通风可能引起巷道内温度升高，有毒有害气体浓度增加的现象，不宜采用。

2 循环通风数值模拟分析

为验证循环通风的可靠性，采用CFD 数值模拟软件进行循环通风进行模拟研究。结合杜家沟矿2-102 工作实际地质条件，构建巷道三维数值模拟模型，如第281 页图1 所示。模型中抽出式风筒位于作业点约12 m 位置，压入式风筒位于作业点约125 m位置，共有84 m 的风筒重叠段。为了计算结果的准确性，适当缩小巷道尺寸，取工作面长度为70 m，抽出式风筒位于作业点约27 m 位置，压入式风筒位于作业点约28 m 位置，共有15 m 的风筒重叠段。模拟中压入式通风型号为JBT-52，电机功率为11kW，风机提供的风量范围为2.42 m3·s-1～3.75 m3·s-1，风压范围为490 Pa～2 352 Pa；抽出式通风型号为SCF-6，电机功率为18.5 kW，风机提供的风量范围为0.9 m3·s-1～3.75 m3·s-1，风压范围为196 Pa～2 156 Pa。

图1 可控循环通风巷道数值模拟模型

模型建立后需进行网格的划分，网格划分的精度直接决定了数值模拟计算结果的准确性。为了保证网格划分数量的适量性和计算结果的精度，采用GAMBIT 网格划分程序中的Hex/Wedge 型类型进行网格的划分。对于可控循环通风巷道模型网格的划分共有185 423 个节点，网格单元体共163 245 个，为了评价网格划分的质量，进行了网格畸变率计算，90%的网格畸变率低于0.5 证明了网格划分的成功性[2]。

结合矿井实际通风状况，假定巷道内进风量为72.214 m3/min，压入式风筒的直径为600 mm，风筒出口位置设为边界，风筒提供的风流速度达到4.5m/s，抽出式风筒出口和入口分别设为边界，方向与掘进巷道方向一致，设置工作面瓦斯涌出量为4.9×10-6kg/s，相关参数确定后，进行数值模拟。模拟得到图2 所示的工作面附近风速模拟矢量图。

从图2 中可以看出，抽风筒的有效射程大于压风筒的有效射程，且两者都出现卷吸作用。从图2 中2-1 图压风筒附近工作面风速模拟图中可以看出，压风筒有效射程较短，在其射程内出现了卷吸作用，分别发生在Y=54 m、Y=60 m、Y=70 m，在卷吸作用下，风流聚集严重；图2 中2-2 图抽风筒附近工作面风速模拟图中可以看出，抽风筒有效射程相对较长，在其射程内出现了卷吸作用，分别发生在Y=64 m、Y=70 m，在卷吸作用下，风流聚集严重，在压风筒和抽风筒的共同作用下，聚集区风流发生碰撞，形成紊流，积聚区部分气体在抽风筒的射流卷吸作用下排出巷道，剩余部分气体则在压风筒的作用下再次返回至工作面。

图2 工作面附近风速模拟矢量图

为了更直观地观测工作面附近气体浓度的变化状况，模拟了瓦斯浓度分布，图3 所示的工作面附近瓦斯浓度分布图，图3-1 图为压风筒附近工作面瓦斯分布图，图3-2 图为抽风筒附近工作面瓦斯分布图。从图中可以看出，采用循环通风后，工作面瓦斯聚集现象明显得到改善，在压风筒附近工作面夹角位置，瓦斯浓度变化较大，分析原因，在压风筒附近，因为风流较大，在风流射流作用下，顶板与工作面夹角处风流较小，造成瓦斯浓度相对较高。可见可控循环通风对于减少工作面瓦斯浓度有明显的改善作用，与常规通风类似的是，顶板与工作间夹角处瓦斯浓度依旧偏高，但是满足安全生产的需要[3]。

图3 工作面附近瓦斯浓度分布图

3 实践分析

矿井原通风方式为压入式通风，要想实现循环通风，只需增加抽出式通风机，且布置气体自动检测和报警装置，通过自动开关控制通风机的运行，调控风量。

矿井掘进工作面循环通风方案如下：首先调节风机通风量，减少巷道内总通风量，减少了压入式风机通风量的同时，增加抽出式通风机，通过自动开关调节抽出式通风机的风量，使其大于压入式通风机的通风量，随后对抽出式风机和压入式风机同时进行风量的调节，保证抽出式风筒和压入式风筒的叠加长度大于10 m，为了保证叠加段内出现瓦斯聚集现象，保证通风速度大于0.25 m/s。对改造前后的风机运行状况进行比较，得到表1 所示的结果。

表1 改造前后风机运行参数比较

从表1 可知，改进后通风方案下，风机通风风量从之前的157.23 m3/s 增长为185.23 m3/s，增幅达到17.8%，电机运行过程中承受的负压、轴功率及运行功率都降低，设备损耗降低。通过对现场工作面附近瓦斯等气体的测量可得，循环通风方案下工作面附近瓦斯含量明显降低，虽然工作面上隅角瓦斯含量略高，满足矿井安全生产要求[4]。

4 结语

针对杜家沟矿压入式通风方法下2-102 工作面的瓦斯含量超标的现象，采用可控循环通风技术对矿井的通风系统进行优化改造，并对改造后的循环通风方案进行了数值模拟研究，模拟研究结果显示，在循环通风方案下，工作面附近虽然会出现卷吸现象，但是工作面附近瓦斯含量明显降低，实践取得良好的效果，有效保证矿井的安全生产。