Y型通風綜采面運巷與風巷合理配風比研究

王春霞，楊付領 ，石開儀

(1.六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553004；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

“Y”型通風是指綜采面通風方式為兩進一回，運巷進入的風流經(jīng)過工作面后和風巷進入的風流在上隅角處匯合共同流入尾巷。綜采面采用Y型通風系統(tǒng)不僅從根本上解決了上隅角瓦斯的積聚問題，而且各種管道、設備、運煤都在新鮮風流中，在瓦斯專用巷(尾巷)沒有軌道、電纜和管子等，提高了回風巷的安全性。運巷進風的作用可以稀釋工作面煤壁涌出的瓦斯，風巷進風可以避免工作面上隅角瓦斯積聚，稀釋沿空留巷瓦斯?jié)舛取５牵\巷和風巷雙巷配風比的不同，會造成工作面兩端壓差不同，使得工作面和采空區(qū)風流場也不一樣。因此在工作面總風量一定的前提下，運巷、風巷合理的配風比至關重要[1-5]。本文以某礦8103工作面為背景，采用數(shù)值模擬的方法分析了運巷和風巷不同配風比情況下工作面和采空區(qū)流場分布以及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，并結合現(xiàn)場試驗，確定了合理的配風比。

1 數(shù)值模擬的物理模型及邊界條件

1.1 物理模型

依據(jù)某礦8103工作面實際情況，建立CFD數(shù)值模擬物理模型。采空區(qū)長300 m、寬266 m、高50 m；工作面長266 m、寬5.5 m、高3.5 m；進、回風巷長30 m、寬5.4 m、高3 m；尾巷長300 m、寬5.4 m、高3 m。模型網(wǎng)格劃分：進、回風巷等風流集中區(qū)域，網(wǎng)格劃分為0.2 m的精細網(wǎng)格，而在采空區(qū)層流區(qū)域，網(wǎng)格劃分為2 m網(wǎng)格。建立的物理模型如圖1所示。

圖1 工作面采空區(qū)數(shù)值模擬物理模型俯視

1.2 邊界條件設定

經(jīng)現(xiàn)場實測，8103工作面兩端壓差為244.8 Pa，運巷和風巷總進風量為2 019 m3/min，尾巷回風，故模型邊界條件設置為：

1) 運巷入口設置為速度入口(Velocity-inlet)，固定風量根據(jù)運巷和風巷配風比例計算；

2) 風巷入口設置為速度入口(Velocity-inlet)，固定風量根據(jù)運巷和風巷配風比例計算；

3) 尾巷設置為自由流出口(Outflow)；

4) 工作面及采空區(qū)瓦斯涌出設置為均勻涌出，工作面煤壁及落煤平均瓦斯涌出量為10.35 m3/min，采空區(qū)平均瓦斯涌出量為5.20 m3/min；

5) 采空區(qū)孔隙率ε的設置：采空區(qū)為均勻孔隙率ε=0.3。

2 模擬結果分析

為了確定“Y”型通風綜采面運巷與風巷合適配風比，對運巷和風巷配風比例分別為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1四種情況下采空區(qū)風流及瓦斯分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬。

2.1 運巷和風巷不同配風比情況下采空區(qū)流場分布

不同配風比下工作面漏風分布和采空區(qū)流場分布模擬結果如圖2、圖3所示。

由圖2、3可以看出，運巷和風巷不同配風比時，工作面向采空區(qū)漏風規(guī)律相同，均是全程向采空區(qū)漏風，從進風側至回風側，漏風量逐漸減少；但是運巷和風巷的風量配風比不同時，采空區(qū)漏風量有所差異。隨著運巷進風比例的增加(從1∶1到4∶1)，流經(jīng)工作面的風量不斷增加，工作面兩端的壓差也不斷增加，往采空區(qū)的漏風量也逐漸增大。

圖2 不同配風比時采空區(qū)流線

圖3 不同配風比時工作面漏風分布

2.2 運巷和風巷不同配風比情況下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律

工作面總風量一定的情況下，運巷和風巷不同配風比時采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同配風比時采空區(qū)瓦斯分布

由圖4可知，運巷和風巷不同配風比時采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律一致，均是越往采空區(qū)深處瓦斯?jié)舛仍礁撸娇拷仫L側采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍礁撸浑S著運巷進風比例的增加(從1∶1到4∶1)，高濃度瓦斯有向采空區(qū)深部運移的趨勢，這是因為隨著運巷、風巷配風比例的增大，工作面和尾巷之間的壓差增大，工作面向采空區(qū)漏風風量增大。

2.3 運巷和風巷不同配風比情況下工作面和上隅角瓦斯變化規(guī)律

工作面總風量一定的情況下，運巷和風巷不同配風比時工作面和上隅角瓦斯?jié)舛?平均濃度)分布規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同配風比時工作面和上隅角瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖5可以看出，在總風量不變的情況下隨著運巷和風巷配風比的增大，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u升高，工作面瓦斯?jié)舛戎饾u降低。這主要是因為隨著運巷與風巷的配風比增大，即運巷進風量增大，工作面瓦斯被稀釋，其濃度逐漸降低，風巷進風量減小，對上隅角處渦流區(qū)吹散的動力變小，稀釋瓦斯?jié)舛刃Ч麥p弱，造成上隅角瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

2.4 運巷和風巷不同配風比情況下尾巷瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

工作面總風量一定的情況下，運巷和風巷不同配風比時尾巷瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，如圖6所示。

由圖6可以看出，越往尾巷深部，采空區(qū)瓦斯不斷向尾巷內涌出，尾巷瓦斯?jié)舛仍絹碓礁撸辉诳傦L量不變的情況下隨著運巷和風巷配風比的增大，尾巷內瓦斯?jié)舛戎饾u升高。這主要是由于隨著運巷與風巷的配風比增大，工作面往采空區(qū)的漏風量越大，漏風進入采空區(qū)后又流入尾巷時帶出的瓦斯也越大。

圖6 不同配風比時尾巷內瓦斯?jié)舛确植?/p>

3 不同配風比情況下工作面等地瓦斯?jié)舛痊F(xiàn)場測試

為了更準確地掌握運巷和風巷不同配風比情況下實際現(xiàn)場瓦斯?jié)舛惹闆r，在某礦8103工作面進行了現(xiàn)場試驗，通過2個月不斷調整運巷和風巷風量，測試不同配風比情況下工作面上隅角、工作面中間和尾巷的瓦斯?jié)舛龋瑴y試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同配風比時上隅角、工作面和尾巷瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

由圖7可知，現(xiàn)場測試的運巷和風巷不同配風比情況下，上隅角、工作面和尾巷瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律與數(shù)值模擬結果一致，均是運巷和風巷不同配風比越大，尾巷和上隅角瓦斯?jié)舛仍礁撸ぷ髅嫱咚節(jié)舛仍降汀?/p>

4 運巷和風巷合適配風比確定

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試結果可以看出，運巷和風巷配風比的變化，不僅可以改變工作面兩端壓差，影響工作面向采空區(qū)的漏風量，還對采空區(qū)流場、采空區(qū)瓦斯分布及工作面、上隅角、尾巷內瓦斯?jié)舛榷加杏绊憽＿\巷和風巷配風比越大，即運巷風量越大，流經(jīng)工作面的風量也越大，工作面兩端壓差也越大，工作面向采空區(qū)漏風量也越大，但總體流經(jīng)工作面的風量還是會增加，這使得工作面瓦斯?jié)舛葧档停坏瑫r由于風巷風量的減少，對上隅角處渦流區(qū)吹散的動力變小，稀釋瓦斯?jié)舛刃Ч麥p弱，造成上隅角瓦斯?jié)舛壬撸还ぷ髅嫦虿煽諈^(qū)漏風量的增加會導致采空區(qū)向尾巷內涌出瓦斯量增加，造成尾巷內瓦斯?jié)舛纫膊粩嗌摺?/p>

經(jīng)過現(xiàn)場不斷測試分析，確定運巷和風巷合適配風比為3∶1，此時工作面瓦斯?jié)舛葹?.4%、上隅角瓦斯?jié)舛葹?.68%、尾巷瓦斯?jié)舛葹?.2%，均符合《規(guī)程》要求。

5 結 語

1) 采用數(shù)值模擬分析了運巷和風巷不同配風比情況下采空區(qū)流場分布、采空區(qū)瓦斯分布及工作面、上隅角、尾巷瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。表明：運巷和風巷配風比越大，工作面向采空區(qū)漏風量也越大，工作面瓦斯?jié)舛葧档停嫌缃峭咚節(jié)舛壬撸蚕飪韧咚節(jié)舛纫膊粩嗌摺?/p>

2) 現(xiàn)場測試了不同配風比情況下工作面上隅角、工作面中間和尾巷的瓦斯?jié)舛龋瑴y試結果與數(shù)值模擬結果一致。

3) 綜合分析數(shù)值模擬結果及現(xiàn)場測試結果，確定了運巷和風巷合適配風比為3∶1。