井下巷道不同支護形式斷面風速的分析研究

武宇鵬

（汾西礦業(yè)中興煤業(yè)有限責任公司， 山西 交城 030500）

引言

礦井通風系統(tǒng)為礦井井下正常采掘活動提供新鮮風流，其運行平穩(wěn)性直接影響礦井生產安全[1]。眾多的研究學者采用現(xiàn)場實測、理論分析、模擬試驗等方法對礦井通風系統(tǒng)展開研究，并取得了豐碩的研究成果，為后續(xù)進一步展開礦井通風系統(tǒng)研究提供了一定借鑒[2-3]。在巷道內現(xiàn)場對風速進行測定時由于受到測量環(huán)境影響，無法準確地反應出巷道內低風速區(qū)分布情況，然而巷道低風速區(qū)往往是瓦斯、二氧化硫、粉塵等有毒有害氣體的集聚區(qū)[4]。因此，對不同支護斷面巷道低風速區(qū)分布研究有助于降低風速分布不均衡而帶來的潛在威脅，對提升礦井生產安全能力具有一定的指導作用。

1 工程概況

山西某礦采用立井- 斜井開拓方式，通風方式為中央并列式，礦井現(xiàn)階段開采的煤層無突出危險性、煤塵具有爆炸性、煤層為II 類自燃煤層。礦井井下巷道采用的支護方式主要有工字鋼支護、錨噴支護、平整壁面支護等類型。巷道支護方式及壁面粗糙度等會影響巷道內風速分布，從而對風排瓦斯、粉塵等造成一定影響。因此，為了避免不同巷道支護形勢下巷道內部出現(xiàn)粉塵、瓦斯等有毒有害成分集聚，文中采用ANSYS 軟件對不同支護形勢下巷道內風速的分布情況進行分析。

2 模型的構建及模擬結果

2.1 模型的構建

構建的模擬模型以礦井井下巷道為基礎，模擬巷道寬、高均為4.0 m，在巷道內布置16 個測點用以監(jiān)測巷道內風速的變化情況，具體測點與巷道側壁間距依次為4 cm、10 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、100 cm、110 cm、120 cm、130 cm、250 cm。數(shù)據(jù)每隔0.1 s 采集一次，共計采集10 s，從而獲取到10 s 之內的平均風速，用以后續(xù)數(shù)據(jù)的分析。建立的模型分別模擬工字鋼支護、錨噴支護以及平整壁面三種類型，并根據(jù)有關研究成果確定具體粗糙度參數(shù)[5-7]。

2.2 模擬結果

2.2.1 工字鋼支護巷道

在工字鋼支護巷道內給巷道施加不同的風速，從而可以獲取不同測點位置的平均風速，具體測量結果見表圖1。

圖1 工字鋼支護巷道風速分布情況

圖1 給出的是巷道在不同施加風速時距離巷道壁不同距離處風速變化情況，從圖中看出，在工字鋼支護條件下隨著測點與巷道壁距離的增加，測點風速呈現(xiàn)快速增加后增速趨緩趨勢。

2.2.2 錨噴支護巷道

在錨噴支護巷道內給巷道施加不同的風速，從而可以獲取不同測點位置的平均風速，具體測量結果見下頁圖2。

圖2 錨噴支護巷道風速分布情況

從圖2 看出，隨著測點離開巷道壁測點風速變化形式呈現(xiàn)出快速增加后增加降低趨勢。相對于采用工字鋼支護巷道，錨噴支護巷道內測點平均風速在離開巷道壁位置處增加速度更快，在遠離巷道壁位置處風速增加速度有所降低。工字鋼支護、錨噴支護隨著與巷道壁距離增加測點風速均逐漸趨于平穩(wěn)。

2.2.3 平整壁面巷道

在井下有些巷道表面經過處理壁面較為平滑，此類巷道成為平整壁面巷道，采用模擬得出的不同施加風速下巷道內測點監(jiān)測到風速變化情況見圖3。

圖3 平整壁面巷道風速分布情況

從圖3 看出，隨著測點與巷道壁距離增加，測點在緊貼巷道壁位置呈現(xiàn)出迅速增加趨勢，后增加速度趨緩。相對于工字鋼、錨噴支護巷道，平整壁面巷道內在靠近巷道壁位置測點風速增加速度更大，在遠離壁面位置測點風速更早趨于平緩。

3 模擬獲取數(shù)據(jù)分析

為了實現(xiàn)對3 種不同支護形式下的巷道內風速分布情況進行分析，文中將風速小于中心點風速80%的區(qū)域稱之為低風速區(qū)，下文將重點對不同支護形勢下的巷道低風速區(qū)分布進行探討。

3.1 工字鋼支護巷道低風速區(qū)分布分析

設定巷道中心點位置風速為v，低風速區(qū)邊界為80%v，并對中心點風速80%時與巷道壁距離進行統(tǒng)計，具體結果見表1。

表1 工字鋼支護巷道內低風速區(qū)分布情況

從表1 看出，隨著巷道內風速增加，巷道內低風速區(qū)域的范圍明顯降低，風速0.79 m/s 時低風速區(qū)域邊界為距離巷道壁93.84 cm，風速增加至4.97 m/s時低風速區(qū)域邊界為距離巷道壁54.96 cm，因此，提高巷道內風速可以降低巷道周邊低風速區(qū)域范圍。

3.2 錨噴支護巷道低風速區(qū)分布分析

按照上述方法對錨噴支護時的巷道內低風速區(qū)域分布范圍進行統(tǒng)計，具體結果見表2。

表2 錨噴支護巷道內低風速區(qū)分布情況

從表2 中看出，隨著風速增加巷道內的低風速區(qū)范圍有所降低，相對于工字鋼支護，采用錨噴支護時巷道內風速接近時低風速區(qū)域范圍明顯降低，表明采用錨噴支護較工字鋼支護可以明顯降低巷道內低風速區(qū)范圍。

3.3 平整巷道低風速區(qū)分布分析

對平整巷道內的低風速區(qū)分布范圍進行統(tǒng)計，結果見表3。

表3 平整巷道內的低風速區(qū)分布情況

從表3 中看出，隨著風速增加巷道內低風速區(qū)范圍明顯降低。平整巷道相對于工字鋼、錨噴支護巷道而言，在風速接近情況下巷道內低風速區(qū)域最好，表明，巷道低風速區(qū)域與巷道壁表面粗糙度密切相關，巷道壁越平滑巷道內低風速區(qū)范圍越小。

4 結論

1）在煤礦進行正常通風過程中，由于受到巷道壁影響，巷道內存在一定范圍的低風速區(qū)，其范圍大小會影響風排有毒有害氣體的效果。采用模擬分析技術方法對工字鋼支護、錨噴支護以及平整巷道內的低風速區(qū)分布進行分析，結果表明，巷道內風速最高區(qū)域分布在巷道中心部，巷道壁表面粗糙度越大風速分布越不均衡；隨著風速增加，巷道內低風速區(qū)范圍會有所降低，同時巷道壁越平滑巷道內低風速區(qū)范圍越小。

2）在井下粉塵濃度或者瓦斯涌出量較高區(qū)域內，即便提供的風量滿足相關規(guī)范要求，但是從防止瓦斯、粉塵聚集等方面考慮，可以適當?shù)卦黾酉锏纼蕊L速的同時有條件時可以采取平整巷道壁方式降低巷道表明粗糙度，從而降低低風速區(qū)范圍。

（編輯：趙婧）