基于气动风机的某矿工作面上隅角瓦斯治理技术*

毕建乙 王宗贵 张 辉

(1．山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿；2．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院)

随着煤矿开采强度的增大及开采深度的增加，瓦斯是目前制约煤矿安全生产的主要影响因素[1-3]。在高瓦斯特厚煤层开采过程中，采空区瓦斯涌出占矿井瓦斯涌出总量较大比重，加强采空区瓦斯抽采是提高瓦斯抽采率，确保矿井安全生产的基础。

在采空区瓦斯治理方面，目前常用的方法主要有三大类：上隅角埋管抽采[4-5]、顶板高位钻孔抽采[6-7]与顶板高位抽放巷抽采[8-9]。尽管上述方法在采空区瓦斯治理方面得到了较好的应用，但仍有一些弊端。上隅角埋管抽采仅能在一定时间内解决上隅角的瓦斯问题，并不能长期有效解决上隅角瓦斯浓度高的问题，因而，多数矿井仅仅将其作为辅助手段；顶板高位钻孔技术对钻孔的施工工艺要求较高，受采空区顶板冒落影响，容易造成钻孔抽采浓度低，提前失效等问题；顶板高位抽放巷是目前使用较多的一项采空区瓦斯治理技术，但其仍然有掘进工程量大、掘进成本高、影响顶板稳定性等缺陷[10]。

以某矿81304工作面为研究背景，基于矿井实际情况，使用气动风机解决上隅角瓦斯浓度超限[11]等问题，通过模拟工作面、上隅角的瓦斯分布特征[12-13]，合理设计气动风机类型、位置以有效治理上隅角瓦斯[14-15]。

1 工作面概况

某矿属高瓦斯矿井，81304工作面是该矿3盘区第四个回采工作面，长260 m，推进长度约2 700 m，开采面积约70.2万m2。81304工作面开采8#煤层，煤层平均厚6.66 m，倾角为3°～7°，采用U型通风方式。81304工作面的瓦斯基础参数测定结果见表1。

2 81304工作面上隅角瓦斯的分布规律

2.1 瓦斯流场数学模型的建立

表1 8#煤层81304工作面瓦斯基础参数测定结果

使用Fluent模拟研究工作面、上隅角的瓦斯分布规律，根据81304工作面的实际情况和模拟要求，对81304工作面工程实际进行简化。将81304工作面的物理模型分为5个部分，由内向外依次为深部采空区、浅部采空区、支架部分、工作面、顺槽，各部分均简化为长方体模型，忽略工作面顶底板对采空区瓦斯运移规律的影响。模型尺寸(走向×倾向×高)为深部采空区40 m×260 m×10 m，浅部采空区25 m×260 m×6 m，支架部分2 m×260 m×3 m，工作面6 m×260 m×5 m，两巷道均3 m×7 m×3 m。81304工作面物理模型见图1。

图1 81304工作面物理模型

2.2 瓦斯运移规律模拟结果分析

81304工作面及上隅角平面速度、气体压力、瓦斯浓度的分布情况见图2。

图2 数值模拟结果

由图2(a)可以看出，受回风顺槽煤壁阻力的影响，瓦斯从工作面向回风顺槽转移时，在上隅角出现短暂的停滞，是瓦斯运移速度减慢的主要原因；由图2(b)可以看出，瓦斯在上隅角出现短暂的停滞造成瓦斯在上隅角出现聚集现象，以至于瓦斯压力比其他位置高，在回风顺槽离开工作面3～7 m处瓦斯压力出现减缓的现象，压力最大点在工作面回风侧2～5 m处；由图2(c)可以看出，瓦斯在上隅角出现短暂的停滞也是瓦斯浓度较大的主要原因，瓦斯浓度在工作面2～5 m处最大，到达回风顺槽与工作面的交界点后，浓度在1～2 m处仍然增大，在离开工作面3～7 m处的瓦斯浓度呈现降低的趋势。模拟结果表明，上隅角的瓦斯压力和瓦斯浓度的分布规律基本相同，均与瓦斯运移速度有关，瓦斯撞击回风顺槽煤壁后，气流会呈现反弹趋势，致使瓦斯运移速度减缓，聚集瓦斯量较多，瓦斯压力及瓦斯浓度偏大。由图2(d)可以看出，瓦斯在工作面运移过程中，运移速度基本保持相对均匀趋势，受隅角局部阻力的影响，瓦斯运移在隅角处出现短暂的停滞；由图2(e)可以看出，瓦斯沿工作面倾向运移过程中，自运输顺槽到回风顺槽瓦斯压力不断增大，根据压力值的大小大致可划分5个范围，由于瓦斯在隅角运移停滞的影响，瓦斯压力相对较大；由图2(f)可以看出，沿工作面走向，向采空区深部的瓦斯浓度不断增大，在深部采空区达到最大，沿工作面方向瓦斯浓度基本相同，因此，可以判断上隅角瓦斯浓度升高的主要原因为采空区漏风，而不是瓦斯运移停滞的影响。模拟结果表明，瓦斯运移速度、瓦斯浓度沿工作面走向依次增大，在深部采空区达到最大；瓦斯压力沿工作面倾向依次增大，在回风顺槽侧达到最大，受隅角阻力的影响，在隅角处的瓦斯压力突然变大。

3 气动风机的应用

气动风机是一种排风设备，适用于各种特殊的通风系统，可专业地满足地下管道的局部通风系统的需要。目前，矿用气动风机类型主要分为射流扰动型和制冷降温型。射流扰动型主要用于分散局部区域的气体聚集，制冷降温型主要用于降低局部区域气体温度，根据气动风机的功能及某矿实际需要，选择射流扰动型风机。

3.1 气动风机的结构特征及基本参数

新鲜风流从入口进入气动马达，其叶轮被主轴带动而快速转动，吸收的新鲜风流经过防护网的进风口流入叶轮，经过带有导叶的环形气流通道后射出能量气流，实现风机的运转。扰动射流型风机结构见图3，扰动射流型风机基本参数见表2。

图3 扰动射流型风机结构

风机型号叶轮直径/mm转速/(r/min)风量/(m3/min)FQ-80/5.05001 300～2 00080～200气流射程/m马达耗气量/(m3/min)供气压力/MPa外型尺寸/mm>13<3.20.3～0.7ϕ556×624

3.2 气动风机布置

气动风机不能产生新风，而是在新风流的配合下完成工作，风机必须安装在巷道新鲜风流一侧。根据2.2章节的模拟结果，瓦斯压力、浓度在工作面回风侧2～5 m处达到最大，在回风顺槽1～2 m处仍有增大的趋势，3～7 m处慢慢减小，分别设计2套气动风机的安装方案(图4)。

图4 气动风机安装方案示意

(1)方案一。气动风机安装在81304工作面上隅角处，风机用直径不小于12 mm铁链吊挂在260#架顶梁上，吊挂牢固后，风机出风口对准回风顺槽。

(2)方案二。气动风机安装在81304工作面回风侧距上隅角6 m处的位置，风机用直径不小于12 mm 铁链吊挂在254#架顶梁上，吊挂牢固后，风机出风口对准上隅角。

3.3 气动风机应用效果

无风机、方案一和方案二条件下检修班、生产班时间内上隅角的实际瓦斯浓度变化见图5、图6。

图5 检修班使用风机前后工作面上隅角瓦斯浓度变化

图6 生产班使用风机前后工作面上隅角瓦斯浓度变化

由图5可以看出，在检修班期间，无风机扰动，瓦斯浓度基本维持在0.45%左右；采用方案一，启动风机后瓦斯浓度相比无风机扰动有所下降，瓦斯浓度基本维持在0.4%左右；采用方案二，瓦斯浓度基本维持在0.35 %左右。由图6可以看出，在生产班期间，无风机扰动，瓦斯浓度基本维持在0.75%左右；采用方案一，瓦斯浓度平均约0.65%，比无风机扰动略低；采用方案二，瓦斯浓度基本维持在0.55%左右。检修班与生产班期间均是方案二效果最好。因此，可以判断气动风机对减小上隅角瓦斯浓度起到一定的效果，但安装在上隅角并不是合适的位置，最终确定气动风机安装在81304工作面回风侧距上隅角6 m处消除上隅角瓦斯。

4 结 论

(1)上隅角的瓦斯压力和瓦斯浓度的分布规律基本相同，均与瓦斯运移速度有关，瓦斯撞击回风顺槽煤壁后，气流会呈现反弹趋势，致使瓦斯运移速度减缓，聚集瓦斯量较多，瓦斯压力及瓦斯浓度偏大。

(2)瓦斯运移速度、瓦斯浓度沿工作面走向依次增大，在深部采空区达到最大；瓦斯压力沿工作面倾向依次增大，在回风顺槽侧达到最大，受隅角阻力的影响，在隅角处的瓦斯压力突然变大。

(3)通过模拟分析及气动风机布置方案对比，确定气动风机安装在81304工作面回风侧距上隅角6 m处，风机用直径不小于12 mm铁链吊挂在254#架顶梁上，使风机出风口对准上隅角的方案最佳，上隅角瓦斯浓度分别在检修班和生产班同比无风机治理时减少22.2%和26.7%，瓦斯治理效果显著。