井下巷道不同支護(hù)形式斷面風(fēng)速的分析研究

武宇鵬

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

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)為礦井井下正常采掘活動提供新鮮風(fēng)流，其運(yùn)行平穩(wěn)性直接影響礦井生產(chǎn)安全[1]。眾多的研究學(xué)者采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析、模擬試驗(yàn)等方法對礦井通風(fēng)系統(tǒng)展開研究，并取得了豐碩的研究成果，為后續(xù)進(jìn)一步展開礦井通風(fēng)系統(tǒng)研究提供了一定借鑒[2-3]。在巷道內(nèi)現(xiàn)場對風(fēng)速進(jìn)行測定時由于受到測量環(huán)境影響，無法準(zhǔn)確地反應(yīng)出巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)分布情況，然而巷道低風(fēng)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(hù)斷面巷道低風(fēng)速區(qū)分布研究有助于降低風(fēng)速分布不均衡而帶來的潛在威脅，對提升礦井生產(chǎn)安全能力具有一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

山西某礦采用立井- 斜井開拓方式，通風(fēng)方式為中央并列式，礦井現(xiàn)階段開采的煤層無突出危險(xiǎn)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(hù)方式主要有工字鋼支護(hù)、錨噴支護(hù)、平整壁面支護(hù)等類型。巷道支護(hù)方式及壁面粗糙度等會影響巷道內(nèi)風(fēng)速分布，從而對風(fēng)排瓦斯、粉塵等造成一定影響。因此，為了避免不同巷道支護(hù)形勢下巷道內(nèi)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(hù)形勢下巷道內(nèi)風(fēng)速的分布情況進(jìn)行分析。

2 模型的構(gòu)建及模擬結(jié)果

2.1 模型的構(gòu)建

構(gòu)建的模擬模型以礦井井下巷道為基礎(chǔ)，模擬巷道寬、高均為4.0 m，在巷道內(nèi)布置16 個測點(diǎn)用以監(jiān)測巷道內(nèi)風(fēng)速的變化情況，具體測點(diǎn)與巷道側(cè)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(jì)采集10 s，從而獲取到10 s 之內(nèi)的平均風(fēng)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(hù)、錨噴支護(hù)以及平整壁面三種類型，并根據(jù)有關(guān)研究成果確定具體粗糙度參數(shù)[5-7]。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 工字鋼支護(hù)巷道

在工字鋼支護(hù)巷道內(nèi)給巷道施加不同的風(fēng)速，從而可以獲取不同測點(diǎn)位置的平均風(fēng)速，具體測量結(jié)果見表圖1。

圖1 工字鋼支護(hù)巷道風(fēng)速分布情況

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

2.2.2 錨噴支護(hù)巷道

在錨噴支護(hù)巷道內(nèi)給巷道施加不同的風(fēng)速，從而可以獲取不同測點(diǎn)位置的平均風(fēng)速，具體測量結(jié)果見下頁圖2。

圖2 錨噴支護(hù)巷道風(fēng)速分布情況

從圖2 看出，隨著測點(diǎn)離開巷道壁測點(diǎn)風(fēng)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(hù)巷道，錨噴支護(hù)巷道內(nèi)測點(diǎn)平均風(fēng)速在離開巷道壁位置處增加速度更快，在遠(yuǎn)離巷道壁位置處風(fēng)速增加速度有所降低。工字鋼支護(hù)、錨噴支護(hù)隨著與巷道壁距離增加測點(diǎn)風(fēng)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(jīng)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(fēng)速下巷道內(nèi)測點(diǎn)監(jiān)測到風(fēng)速變化情況見圖3。

圖3 平整壁面巷道風(fēng)速分布情況

從圖3 看出，隨著測點(diǎn)與巷道壁距離增加，測點(diǎn)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(hù)巷道，平整壁面巷道內(nèi)在靠近巷道壁位置測點(diǎn)風(fēng)速增加速度更大，在遠(yuǎn)離壁面位置測點(diǎn)風(fēng)速更早趨于平緩。

3 模擬獲取數(shù)據(jù)分析

為了實(shí)現(xiàn)對3 種不同支護(hù)形式下的巷道內(nèi)風(fēng)速分布情況進(jìn)行分析，文中將風(fēng)速小于中心點(diǎn)風(fēng)速80%的區(qū)域稱之為低風(fēng)速區(qū)，下文將重點(diǎn)對不同支護(hù)形勢下的巷道低風(fēng)速區(qū)分布進(jìn)行探討。

3.1 工字鋼支護(hù)巷道低風(fēng)速區(qū)分布分析

設(shè)定巷道中心點(diǎn)位置風(fēng)速為v，低風(fēng)速區(qū)邊界為80%v，并對中心點(diǎn)風(fēng)速80%時與巷道壁距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果見表1。

表1 工字鋼支護(hù)巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)分布情況

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

3.2 錨噴支護(hù)巷道低風(fēng)速區(qū)分布分析

按照上述方法對錨噴支護(hù)時的巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)域分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體結(jié)果見表2。

表2 錨噴支護(hù)巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)分布情況

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

3.3 平整巷道低風(fēng)速區(qū)分布分析

對平整巷道內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)分布范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

表3 平整巷道內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)分布情況

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

4 結(jié)論

1）在煤礦進(jìn)行正常通風(fēng)過程中，由于受到巷道壁影響，巷道內(nèi)存在一定范圍的低風(fēng)速區(qū)，其范圍大小會影響風(fēng)排有毒有害氣體的效果。采用模擬分析技術(shù)方法對工字鋼支護(hù)、錨噴支護(hù)以及平整巷道內(nèi)的低風(fēng)速區(qū)分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明，巷道內(nèi)風(fēng)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(fēng)速分布越不均衡；隨著風(fēng)速增加，巷道內(nèi)低風(fēng)速區(qū)范圍會有所降低，同時巷道壁越平滑巷道內(nèi)低風(fēng)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(nèi)，即便提供的風(fēng)量滿足相關(guān)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(dāng)?shù)卦黾酉锏纼?nèi)風(fēng)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(fēng)速區(qū)范圍。

（編輯：趙婧）