掘進(jìn)工作面循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的研究與應(yīng)用

宋鋒鋒

摘 要：本文以礦井通風(fēng)系統(tǒng)為切入點(diǎn)，針對(duì)原有壓入式通風(fēng)系統(tǒng)的工作面瓦斯含量高的特點(diǎn)，進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)的改造，通過數(shù)值模擬研究了改造后循環(huán)通風(fēng)方案下工作面風(fēng)速和瓦斯?jié)舛确植?，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，通風(fēng)效果良好，節(jié)約能耗的同時(shí)為安全生產(chǎn)提供了保障。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)系統(tǒng);循環(huán)通風(fēng);數(shù)值模擬

隨著煤炭開采深度的不斷增加，礦用通風(fēng)機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重，已有的通風(fēng)系統(tǒng)很難滿足礦井通風(fēng)需求，通過更換通風(fēng)設(shè)備和改進(jìn)通風(fēng)方案是增量通風(fēng)的兩種主要方案，因?yàn)楦鼡Q通風(fēng)設(shè)備成本高，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不宜采用，因此改進(jìn)通風(fēng)方案稱為增強(qiáng)通風(fēng)的主要措施。本文從通風(fēng)系統(tǒng)入手，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后的通風(fēng)方案降低了工作面瓦斯?jié)舛?，同時(shí)降低了通風(fēng)能耗，取得良好的應(yīng)用效果。

1 循環(huán)通風(fēng)理論

在巷道掘進(jìn)期間，為了安全高效的掘進(jìn)作業(yè)，巷道必須進(jìn)行連續(xù)通風(fēng)減少有毒有害氣體的含量，當(dāng)巷道通風(fēng)只有進(jìn)口沒有出口時(shí)，稱為獨(dú)頭巷道，獨(dú)頭巷道的通風(fēng)必須進(jìn)行局部通風(fēng)。目前局部通風(fēng)的方法有壓入式、抽出式和混合式三種方法。在通風(fēng)的過程中，如果風(fēng)流兩次經(jīng)過工作面，則這種通風(fēng)方式成為循環(huán)通風(fēng)。根據(jù)新鮮風(fēng)流是否經(jīng)過工作面，循環(huán)通風(fēng)可分為開路式循環(huán)通風(fēng)和閉路式循環(huán)通風(fēng)兩種。

對(duì)于閉路式循環(huán)通風(fēng)，新鮮風(fēng)流并沒有經(jīng)過工作面。因?yàn)楣ぷ髅嫱咚挂约胺蹓m等的連續(xù)釋放，在這種通風(fēng)方式下加劇了氣體的濃度，不利于安全生產(chǎn)。對(duì)于開路式循環(huán)通風(fēng)，在通風(fēng)過程中不斷有新鮮風(fēng)流流經(jīng)工作面，工作面產(chǎn)生的污風(fēng)同新鮮風(fēng)流混合，降低了有毒有害氣體的含量。這種通風(fēng)方式下，工作面產(chǎn)生的污風(fēng)與新鮮風(fēng)流不斷摻混循環(huán)通入工作彌漫，通過已有的研究可知，閉路式循環(huán)通風(fēng)可以改善工作面附近氣體的物理參數(shù)，可以有效降低有毒有害氣體的濃度，但是并不會(huì)無限減少氣體濃度，而是隨著循環(huán)通風(fēng)次數(shù)的增加趨于一個(gè)穩(wěn)定值，工作面附近溫度也會(huì)隨著循環(huán)通風(fēng)次數(shù)的增加趨于穩(wěn)定值，在通風(fēng)趨于內(nèi)，風(fēng)流速度、空氣濕度最終都將趨于一個(gè)穩(wěn)定值?？煽匮h(huán)通風(fēng)可以降低工作面附近瓦斯和粉塵等氣體的濃度，具有改善掘進(jìn)條件及降低通風(fēng)能耗的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)?shù)V井處于災(zāi)變時(shí)期，循環(huán)通風(fēng)可能引起巷道內(nèi)溫度升高，有毒有害氣體濃度增加的現(xiàn)象，不宜采用。

2 循環(huán)通風(fēng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

對(duì)于循環(huán)通風(fēng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，利用CFD數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究。根據(jù)礦井實(shí)際數(shù)據(jù)，建立巷道三維數(shù)值模擬模型，如圖1所示，模型中抽出式風(fēng)筒位于作業(yè)點(diǎn)約12m位置，壓入式風(fēng)筒位于作業(yè)點(diǎn)約125m位置，共有84m的風(fēng)筒重疊段。為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，適當(dāng)縮小巷道尺寸，取工作面長(zhǎng)度為70m，抽出式風(fēng)筒位于作業(yè)點(diǎn)約27m位置，壓入式風(fēng)筒位于作業(yè)點(diǎn)約28m位置，共有15m的風(fēng)筒重疊段。模擬中壓入式通風(fēng)型號(hào)為JBT-52，電機(jī)功率為11kW，風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量范圍為2.42-3.75m3·s-1，風(fēng)壓范圍為490-2352Pa;抽出式通風(fēng)型號(hào)為SCF-6，電機(jī)功率為18.5kW，風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量范圍為0.9-3.75m3·s-1，風(fēng)壓范圍為196-2156Pa。

模型建立后需進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的精度直接決定了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量的適量性和計(jì)算結(jié)果的精度，采用GAMBIT網(wǎng)格劃分程序中的Hex/Wedge型類型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。對(duì)于可控循環(huán)通風(fēng)巷道模型網(wǎng)格的劃分共有185423個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格單元體共163245個(gè)，為了評(píng)價(jià)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，進(jìn)行了網(wǎng)格畸變率計(jì)算，90%的網(wǎng)格畸變率低于0.5證明了網(wǎng)格劃分的成功性。

結(jié)合礦井實(shí)際通風(fēng)狀況，假定巷道內(nèi)進(jìn)風(fēng)量為72.214 m3/min，壓入式風(fēng)筒的直徑為600mm，風(fēng)筒出口位置設(shè)為邊界，風(fēng)筒提供的風(fēng)流速度達(dá)到4.5m/s，抽出式風(fēng)筒出口和入口分別設(shè)為邊界，方向與掘進(jìn)巷道方向一致，設(shè)置工作面瓦斯涌出量為4.9×10-6kg/s，相關(guān)參數(shù)確定后，進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬得到圖2所示的工作面附近風(fēng)速模擬矢量圖。

從圖2中可以看出，抽風(fēng)筒的有效射程大于壓風(fēng)筒的有效射程，且兩者都出現(xiàn)卷吸作用。從圖2中（a）圖壓風(fēng)筒附近工作面風(fēng)速模擬圖中可以看出，壓風(fēng)筒有效射程較短，在其射程內(nèi)出現(xiàn)了卷吸作用，分別發(fā)生在Y=54m、Y=60m、Y=70m，在卷吸作用下，風(fēng)流聚集嚴(yán)重;圖2中（b）圖抽風(fēng)筒附近工作面風(fēng)速模擬圖中可以看出，抽風(fēng)筒有效射程相對(duì)較長(zhǎng)，在其射程內(nèi)出現(xiàn)了卷吸作用，分別發(fā)生在Y=64m、Y=70m，在卷吸作用下，風(fēng)流聚集嚴(yán)重，在壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的共同作用下，聚集區(qū)風(fēng)流發(fā)生碰撞，形成紊流，積聚區(qū)部分氣體在抽風(fēng)筒的射流卷吸作用下排出巷道，剩余部分氣體則在壓風(fēng)筒的作用下再次返回至工作面。

為了更直觀的觀測(cè)工作面附近氣體濃度的變化狀況，模擬了瓦斯?jié)舛确植迹ㄟ^模擬可知，采用循環(huán)通風(fēng)后，工作面瓦斯聚集現(xiàn)象明顯得到改善，在壓風(fēng)筒附近工作面夾角位置，瓦斯?jié)舛茸兓^大，分析原因，在壓風(fēng)筒附近，因?yàn)轱L(fēng)流較大，在風(fēng)流射流作用下，頂板與工作面夾角處風(fēng)流較小，造成瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高?？梢娍煽匮h(huán)通風(fēng)對(duì)于減少工作面瓦斯?jié)舛扔忻黠@的改善作用，與常規(guī)通風(fēng)類似的是，頂板與工作間夾角處瓦斯?jié)舛纫琅f偏高，但是滿足安全生產(chǎn)的需要。

3 掘進(jìn)工作面循環(huán)通風(fēng)方案實(shí)施應(yīng)用

礦井原通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，要想實(shí)現(xiàn)循環(huán)通風(fēng)，只需增加抽出式通風(fēng)機(jī)，且布置氣體自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警裝置，通過自動(dòng)開關(guān)控制通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，調(diào)控風(fēng)量。

礦井掘進(jìn)工作面循環(huán)通風(fēng)方案如下：首先調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量，減少巷道內(nèi)總通風(fēng)量，減少了壓入式風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的同時(shí)，增加抽出式通風(fēng)機(jī)，通過自動(dòng)開關(guān)調(diào)節(jié)抽出式通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，使其大于壓入式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，隨后對(duì)抽出式風(fēng)機(jī)和壓入式風(fēng)機(jī)同時(shí)進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)，保證抽出式風(fēng)筒和壓入式風(fēng)筒的疊加長(zhǎng)度大于10m，為了保證疊加段內(nèi)出現(xiàn)瓦斯聚集現(xiàn)象，保證通風(fēng)速度大于0.25m/s。

對(duì)改造前后的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行比較，得到表1所示的結(jié)果。

從表1可知，改進(jìn)后通風(fēng)方案下，風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)量從之前的157.23 m3·s-1增長(zhǎng)為185.23 m3·s-1，增幅達(dá)到17.8%，電機(jī)運(yùn)行過程中承受的負(fù)壓、軸功率及運(yùn)行功率都降低，設(shè)備損耗降低。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面附近瓦斯等氣體的測(cè)量可得，循環(huán)通風(fēng)方案下工作面附近瓦斯含量明顯降低，雖然工作面上隅角瓦斯含量略高，但是滿足安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)礦井壓入式通風(fēng)方法下掘進(jìn)工作面瓦斯含量超標(biāo)的現(xiàn)象，進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)，對(duì)改進(jìn)后的循環(huán)通風(fēng)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在循環(huán)通風(fēng)方案下，工作面附近雖然會(huì)出現(xiàn)卷吸現(xiàn)象，但是工作面附近瓦斯含量明顯降低，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的效果。