王春霞，楊付領(lǐng) ，石開儀

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

“Y”型通風(fēng)是指綜采面通風(fēng)方式為兩進(jìn)一回，運(yùn)巷進(jìn)入的風(fēng)流經(jīng)過工作面后和風(fēng)巷進(jìn)入的風(fēng)流在上隅角處匯合共同流入尾巷。綜采面采用Y型通風(fēng)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(shè)備、運(yùn)煤都在新鮮風(fēng)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(fēng)巷的安全性。運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)的作用可以稀釋工作面煤壁涌出的瓦斯，風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)可以避免工作面上隅角瓦斯積聚，稀釋沿空留巷瓦斯?jié)舛?。但是，運(yùn)巷和風(fēng)巷雙巷配風(fēng)比的不同，會(huì)造成工作面兩端壓差不同，使得工作面和采空區(qū)風(fēng)流場(chǎng)也不一樣。因此在工作面總風(fēng)量一定的前提下，運(yùn)巷、風(fēng)巷合理的配風(fēng)比至關(guān)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(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下工作面和采空區(qū)流場(chǎng)分布以及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了合理的配風(fēng)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(shí)際情況，建立CFD數(shù)值模擬物理模型。采空區(qū)長(zhǎng)300 m、寬266 m、高50 m；工作面長(zhǎng)266 m、寬5.5 m、高3.5 m；進(jìn)、回風(fēng)巷長(zhǎng)30 m、寬5.4 m、高3 m；尾巷長(zhǎng)300 m、寬5.4 m、高3 m。模型網(wǎng)格劃分：進(jìn)、回風(fēng)巷等風(fēng)流集中區(qū)域，網(wǎng)格劃分為0.2 m的精細(xì)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(shè)定

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，8103工作面兩端壓差為244.8 Pa，運(yùn)巷和風(fēng)巷總進(jìn)風(fēng)量為2 019 m3/min，尾巷回風(fēng)，故模型邊界條件設(shè)置為：

1) 運(yùn)巷入口設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet)，固定風(fēng)量根據(jù)運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比例計(jì)算；

2) 風(fēng)巷入口設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet)，固定風(fēng)量根據(jù)運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比例計(jì)算；

3) 尾巷設(shè)置為自由流出口(Outflow)；

4) 工作面及采空區(qū)瓦斯涌出設(shè)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(shè)置：采空區(qū)為均勻孔隙率ε=0.3。

2 模擬結(jié)果分析

為了確定“Y”型通風(fēng)綜采面運(yùn)巷與風(fēng)巷合適配風(fēng)比，對(duì)運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比例分別為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1四種情況下采空區(qū)風(fēng)流及瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下采空區(qū)流場(chǎng)分布

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

由圖2、3可以看出，運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比時(shí)，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律相同，均是全程向采空區(qū)漏風(fēng)，從進(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)，漏風(fēng)量逐漸減少；但是運(yùn)巷和風(fēng)巷的風(fēng)量配風(fēng)比不同時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)量有所差異。隨著運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)比例的增加(從1∶1到4∶1)，流經(jīng)工作面的風(fēng)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(fēng)量也逐漸增大。

圖2 不同配風(fēng)比時(shí)采空區(qū)流線

圖3 不同配風(fēng)比時(shí)工作面漏風(fēng)分布

2.2 運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律

工作面總風(fēng)量一定的情況下，運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比時(shí)采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同配風(fēng)比時(shí)采空區(qū)瓦斯分布

由圖4可知，運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比時(shí)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(fēng)側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍礁?；隨著運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)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(yùn)移的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著運(yùn)巷、風(fēng)巷配風(fēng)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(fēng)風(fēng)量增大。

2.3 運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下工作面和上隅角瓦斯變化規(guī)律

工作面總風(fēng)量一定的情況下，運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比時(shí)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(fēng)比時(shí)工作面和上隅角瓦斯?jié)舛确植?/p>

由圖5可以看出，在總風(fēng)量不變的情況下隨著運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)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?yàn)殡S著運(yùn)巷與風(fēng)巷的配風(fēng)比增大，即運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)量增大，工作面瓦斯被稀釋，其濃度逐漸降低，風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)量減小，對(duì)上隅角處渦流區(qū)吹散的動(dòng)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(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下尾巷瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

工作面總風(fēng)量一定的情況下，運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比時(shí)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(nèi)涌出，尾巷瓦斯?jié)舛仍絹碓礁?；在總風(fēng)量不變的情況下隨著運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比的增大，尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u升高。這主要是由于隨著運(yùn)巷與風(fēng)巷的配風(fēng)比增大，工作面往采空區(qū)的漏風(fēng)量越大，漏風(fēng)進(jìn)入采空區(qū)后又流入尾巷時(shí)帶出的瓦斯也越大。

圖6 不同配風(fēng)比時(shí)尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛确植?/p>

3 不同配風(fēng)比情況下工作面等地瓦斯?jié)舛痊F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了更準(zhǔn)確地掌握運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛惹闆r，在某礦8103工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過2個(gè)月不斷調(diào)整運(yùn)巷和風(fēng)巷風(fēng)量，測(cè)試不同配風(fēng)比情況下工作面上隅角、工作面中間和尾巷的瓦斯?jié)舛?，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 不同配風(fēng)比時(shí)上隅角、工作面和尾巷瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

由圖7可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)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(jié)果一致，均是運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)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(yùn)巷和風(fēng)巷合適配風(fēng)比確定

由數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以看出，運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)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(fēng)量，還對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)、采空區(qū)瓦斯分布及工作面、上隅角、尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛榷加杏绊?。運(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比越大，即運(yùn)巷風(fēng)量越大，流經(jīng)工作面的風(fēng)量也越大，工作面兩端壓差也越大，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量也越大，但總體流經(jīng)工作面的風(fēng)量還是會(huì)增加，這使得工作面瓦斯?jié)舛葧?huì)降低；但同時(shí)由于風(fēng)巷風(fēng)量的減少，對(duì)上隅角處渦流區(qū)吹散的動(dòng)力變小，稀釋瓦斯?jié)舛刃Ч麥p弱，造成上隅角瓦斯?jié)舛壬?；工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量的增加會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)向尾巷內(nèi)涌出瓦斯量增加，造成尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛纫膊粩嗌摺?/p>

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)不斷測(cè)試分析，確定運(yùn)巷和風(fēng)巷合適配風(fēng)比為3∶1，此時(shí)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(jié) 語

1) 采用數(shù)值模擬分析了運(yùn)巷和風(fēng)巷不同配風(fēng)比情況下采空區(qū)流場(chǎng)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(yùn)巷和風(fēng)巷配風(fēng)比越大，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量也越大，工作面瓦斯?jié)舛葧?huì)降低，上隅角瓦斯?jié)舛壬撸蚕飪?nèi)瓦斯?jié)舛纫膊粩嗌摺?/p>

2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了不同配風(fēng)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(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

3) 綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，確定了運(yùn)巷和風(fēng)巷合適配風(fēng)比為3∶1。