羊场湾煤矿综采工作面风速场模拟分析

刘语卓

(宁夏煤矿安全监察局，宁夏银川 750001)

羊场湾煤矿综采工作面风速场模拟分析

刘语卓

(宁夏煤矿安全监察局，宁夏银川 750001)

研究采煤工作面风速分布情况，分析风速对CO积聚和煤尘漂移的影响，对综采工作面CO、煤尘防治有重要的意义。以神华宁煤集团羊场湾煤矿130202综采工作面为研究背景，采用SolidWorks软件对综采工作面进行了建模，并用flow simulation模块对工作面风速场进行了模拟。模拟结果显示，在综采面回风口综采支架靠近采空区0.5米范围的风速低于0.5 m/s，靠近采空区0.5～1 m范围内风速低于1.5 m/s，局部处于涡流状态，这种涡流使采空区涌出的CO难以进入到主风流中，从而使高浓度CO在上隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角的CO超限。在采煤机端面处横向移动风速最大达到0.35 m/s，风流带动煤尘向综采支架方向漂移，距采煤机前端面距离越远，横向风速越小，对煤尘横向漂移影响也越小。

风速场; CO;煤尘

0 引言

130202工作面位于神华宁煤集团羊场湾煤矿一号井+980 m回风巷东侧，地表为沙丘覆盖，地形低缓平坦，起伏不大。工作面煤质为不粘煤，易自燃，煤尘具有爆炸危险性，瓦斯绝对涌出量为0.59 m3/min，相对涌出量为0.07 m3/t，工作面平均倾角8°，平均厚度8.2 m，采用大采高一次采全高走向长壁后退式采煤法，采空区采用全部垮落法处理。因采空区浮煤氧化，综采工作面上隅角CO经常超限，在实际工作中仅仅对个别点进行检测，对整个工作面CO积聚区和煤尘积聚带难以测量[1]。综采工作面风速场对有毒有害气体积聚区及煤尘的分布有直接的影响。数值模拟技术是近年来工程设计领域重要的计算方法，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题研究的目的。通过对综采工作面风速场进行数值模拟，进而分析工作面CO积聚区、煤尘分布带，从理论上得出CO、煤尘的防治重点区域。

1 综采工作面风速场数值模拟

综采工作面风速场分析属于流体力学分析，可采用美国ansys公司研制的大型通用有限元分析软件ansys或Solid Works公司的Flow Simulation流体分析模块[4]。考虑到综采工作面风速受装备、支护条件影响，为方便建模采用Flow Simulation进行分析。

1.1 综采工作面基本参数

对神华宁煤集团羊场湾煤矿130202工作面风速场进行模拟，130202工作面为13采区的第四个回采工作面，位于羊场湾一分区井田中部，工作面平均倾角8°，倾向长度295 m，走向长度2452 m，净宽为8.6 m，采高为5.6 m，采用大采高一次采全高走向长壁后退式采煤法。装备上海天地MG900/2245-GWD型采煤机，ZY10000/28/62D支撑掩护支架，久益公司JOY 3×855 KW中双链刮板输送机。

1.2 建模

在solidworks软件中对综采工作面、采煤机、刮板输送机、综采支架建模，为减少建模量，对风速场影响不大的部位可以进行简化。综采工作面模型见图1。

图1 综采工作模型

1.3 风速场进行有限元分析

130202工作面的巷道布置和回采工艺，采用全风压U型上行通风系统，130202机巷进风，130202风巷回风。对工作面空气风速场进行有限元分析首先要在Flow Simulation设置分析参数，这些参数包括回风巷风速、进风巷空气压力等，参数数值见表1。有限元单元格划分、迭代计算这部分，软件可自动进行[3]。经过计算机模拟，工作面风速场分布流迹图如图2所示，选取工作面上下出口分析风速对CO积聚的影响，选取采煤机机身部分分析风速对煤尘分布的影响。

图2 综采工作面风速场分布

回风巷风速(m/s)进风巷风压(pa)湍流强度湍流长度(m)湍流动能(K/kg)湍流耗散(w/kg)31013252%0.0111

2 工作面上下出口风速场分析

2.1 进风口风速分析

130202机巷进风，选取工作面进风口第二过渡支架分析风速[7]。工作面进风口风速模拟图见图3。以靠近采空区方向，距地面1.3 m点作为原点，调取沿工作面风流方向和沿机巷进风方向风速，绘制速度曲线见图4。由图可以看出风速从支架最后部到支架中间风速由0逐渐增大，在支架中间稳定在2 m/s，因风速缓慢采空区出现的CO逐步积聚，缓慢流到回风口。

图3 工作面进风口风速场分布

图4 工作面进风口风速

2.2 出风口风速分析

130202综采工作面上隅角CO浓度经常超过80ppm，风流对CO的积聚影响最大。选取工作面回风口第二过渡支架分析风速[5]。由图5可以看出，在工作面回风口第二过渡支架开始风流从支架底部向上回流，风速很低。选取距地面1.3 m点作为原点，调取沿工作面风流方向和沿回风巷方向风速，绘制速度曲线见图6可以看出综采支架靠近采空区0.5 m范围的风速低于0.5 m/s，靠近采空区0.5～1 m范围内风速低于1.5 m/s，整个工作面这一范围风速较缓，容易积聚CO，在回风口第二过渡支架处风流由下向上回流，CO随风回流到上隅角。

图5 工作面进风口风速场分布

图6 工作面出风口风速

2.3 采煤机处风速对煤尘分布影响分析

煤尘在空中受重力、风速等因素的影响移动复杂，为便于分析仅考虑前滚筒割煤时风速对煤尘的影响。采煤机滚筒在割煤过程中会产生大量煤尘，横向漂移的风速会将滚筒处产生的煤尘吹到支架下面，严重影响煤矿工人的健康[2]。采煤机处风速模拟图见图7。调取采煤机前滚筒后方前端面处风速、距采煤机前端面3 m处、距采煤机前端面8 m处风速见图8，可以看出在采煤机端面处横向移动风速最大达到0.35 m/s，所以这一区域煤尘会受横向风速影响向支架下面漂移。距采煤机前端面3 m处横向移动风速最大为0.1 m/s，对煤尘漂移影响较小[6]。距采煤机前端面8 m处横向移动风速接近为0，对煤尘漂移影响可以忽略。

图7 采煤机处风速场分布

图8 采煤机不同地点断面处风速

3 结论

综采工作面风速场可以用FlowSimulation流体分析模块进行模拟，上隅角靠近煤壁和采空区侧，风流速度很低，局部处于涡流状态。这种涡流使采空区涌出的CO难以进入到主风流中，从而使高浓度CO在上隅角附近循环运动而聚集在涡流区中，形成了上隅角的CO超限。 在采煤机前端面处，因受采煤机影响，风流产生横向移动，带动煤尘向综采支架下漂移，距采煤机前端面距离越远，横向风速越小，对煤尘横向漂移影响也越小[8]。模拟结果合理的解释了综采工作面CO集聚区和煤尘分布带所在区域。

[1] 蒋志刚. 灵武矿区采煤工作面CO产生机理及变化规律研究[D].西安科技大学，2009.

[2] 王福军.计算流体动力学分析软件原理与应用 [M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 姚玉静，程卫民，聂文.综掘工作面粉尘浓度分布的数值模拟[J]. 矿业安全与环保，2011(3):21-22，25.

[4] 王丙建.支护结构与输送机布设巷道断面风速分布特征的风洞试验和数值模拟研究[D].太原理工大学，2013.

[5] 蒋仲安，张中意，谭聪.基于数值模拟的综采工作面通风除尘风速优化[J].煤炭科学技术，2014(10)：75-78.

[6] 白若男，张琦，于海明.综采工作面风速对粉尘分布规律影响的数值模拟分析[J]. 煤矿安全，2015(9)：180-183.

[7] 王军，陈开岩，黄帅.基于CFD数值模拟的矿井巷道平均风速单点测法[J].煤矿安全，2013(3):144-146.

[8] 刘毅，蒋仲安，蔡卫.综采工作面粉尘浓度分布的现场实测与数值模拟[J].煤炭科学技术，2006(4):80-82.

Wind velocity field simulation analysis of mechanized coal mining face in Yangchangwan Coal Mine

LIU Yu-zhuo

(NingxiaCoalMineSupervisionBureau，Yinchuan，750001，China)

It has important significance for CO and dust prevention and control of fully mechanized mining face to study the air velocity distribution of mining work face and analyze the effect of wind speed on CO accumulation and coal drift. Taking 130202 fully mechanized coal mining face of Yangchangwan Coal Mine in Shenhua Ningxia Coal Group as the researching background，the fully mechanized coal mining face was modeled with SolidWorks software，and the wind speed field on the working face was simulated with flow simulation module. The simulation results showed that the wind speed at the range of 0.5m of supports at the return air gate in fully mechanized mining face near the goaf is less than 0.5 m/s，that at the range of 0.5～1 m is less than 1.5 m/s，it’s partially in eddy state，which makes the CO gushed from the goaf to enter to the main airflow difficultly，so that CO of high concentration is in circular motion near the upper corner and aggregates in the eddy region，which forms CO over-limit of the upper corner. The wind speed maximum at the end surface of the shearer at lateral movement reaches 0.35m/s，airflow drives the coal dust to drift toward fully mechanized supports，the farther the distance away from the front surface of the coal mining machine，the smaller the transverse wind speed，the less influence on the lateral drift of coal dust.

wind speed field; CO; coal dust

2016-02-27

刘语卓(1962-)，女，辽宁开原人，大学毕业，高级工程师，宁夏煤矿安全监察局党组成员、纪检组长，主要从事煤矿安全监察业务和纪检监察政策研究。E-mail：liuyzh@nxmj.gov.cn

TD714.2

A

1672-7169(2016)03-0020-04