内错式顶抽系统瓦斯抽采规律的相似模拟实验

王 飞， 王星宇

(1.同煤集团挖金湾虎龙沟煤业公司, 山西 大同 037000;2.大连枫叶职业技术学院, 辽宁 大连 116000)

内错式顶抽系统瓦斯抽采规律的相似模拟实验

王 飞1， 王星宇2

(1.同煤集团挖金湾虎龙沟煤业公司, 山西 大同 037000;2.大连枫叶职业技术学院, 辽宁 大连 116000)

为提高内错式顶抽系统的瓦斯抽采效率，基于流体相似模拟理论，1∶10的几何比例焊接成工作面进行相似模拟实验，研究工作面内错式顶抽系统规律性，分析抽放风量与甲烷流量的关系、顶抽巷位置与回风甲烷流量和抽放甲烷流量的关系。结果表明：随着抽放风量的增加，由于“顺效应”和“逆效应”的影响，甲烷流量增加速率先提高后降低，存在最优抽放点；1、2、3 m位置的最优抽放风量为50、70、100 m3/min，甲烷流量为0.475、0.644、0.580 m3/min，电机功率为92、103、179 kW；2 m位置抽放风量为70 m3/min时，甲烷流量增速最高点、耗能低，为系统最优点。该研究为瓦斯抽放系统设计提供了新思路。

瓦斯抽采； 相似模拟； 风量； 甲烷流量； 速率； 最优点

随着煤矿的深入开采，开采深度逐年加深。开采深度的增加，煤层瓦斯赋存含量必然随之升高，井下瓦斯涌出量也会大幅提高，增加了煤层突出和瓦斯爆炸的可能性，危及人员生命及财产安全。利用瓦斯抽采技术对采空区瓦斯进行抽采，不仅降低采煤工作面危险性，也做到了瓦斯的合理利用[1-2]。采煤工作面采用内错式顶抽系统进行采空区抽放，取得很好的治理效果。随着内错式顶抽系统的极大推广，其使用的高效性、节能性的研究就显得尤为重要。然而，利用现场试验存在着工作面瓦斯积聚爆炸、设备损耗及人员安全等风险，应用相似模拟理论对内错式顶抽系统的运行规律进行研究，就有着极为重要的意义。

1 相似模拟理论

相似模拟必须具备几何相似、运动相似和动力相似三个条件，两个流体系统的流体流动状态才能一致[3]。几何相似边界条件为实物与模拟流对应尺寸成比例，如式(1)；运动相似为对应瞬间，所有对应点的速度大小比值固定，方向一致，如式(2)；动力相似为对应瞬时，对应点上力性质相同，方向一致，比值固定，如式(3)；几何相似是模型相似的必要条件，动力相似则是模型相似的充要条件；风流流动主要靠惯性力和黏性力，满足动力相似的条件为雷诺数相等，如式(4)。由雷诺数相等得到相似模型与实物风量关系如式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中：C为相似比例常数；l为长度；v为速度；F为受力；Re为雷诺数;μ为运动黏性系数;q为风量；U为巷道周界；实物流动用脚标t表示；模型流用脚标m表示。

2 顶抽系统相似模拟实验

2.1 实验模型

实验采煤工作面相似模型以同煤集团虎龙沟煤业有限公司81503采煤工作面内错式顶抽系统为基础。采用方形不锈钢管与不锈钢材料按几何比例1∶10焊接形成工作面相似模型[4]。考虑采空区随着“三带”逐渐密实情况，利用碎石块模拟81503工作面“三带”密实分布[5]；布置20个甲烷释放点，每个点释放甲烷流量为0.05 m3/min。模型设置风量、甲烷浓度数据监测点。顶抽巷及回风巷安设型号为2BE3520(420减速机)水循环瓦斯抽放泵进行抽放风量。工作面内错式顶抽系统模型及参数测点位置如图1所示。相似模型与实物参数对比如表1所示。

图1 顶抽系统相似模拟模型

工作面参数参数值相似模拟模型21503进风量/m3·min-12500250绝对瓦斯涌出量/m3·min-110151503断面(长×高)/m5.2×3.50.52×0.3551503-1断面(长×高)/m4.0×3.00.40×0.3021503断面(长×高)/m4.5×3.50.45×0.3551503与21503水平间距/m180.018.051503-1与工作面水平间距/m35.03.551503-1与工作面层间距/m10.01.0散热带宽度/m40.04.0自然带宽度/m70.07.0

2.2 实验方案

实验通过调整顶抽巷与进回风巷的距离以及顶抽巷抽采风量得到内错式顶抽系统规律性。顶抽巷与回风巷距离d为1、2、3 m；进风风量为定值250 m3/min，顶抽巷抽放量抽放范围为20～130 m3/min，进行交叉实验，得到回风量与甲烷流量、抽放量与甲烷流量、上隅角甲烷体积分数及抽放泵功率实验数据。

3 结果分析

根据相似模拟正交实验得到实验数据，以风量q为横坐标，甲烷流量qCH4为纵坐标绘制曲线，见图2。实验得到各点上隅角甲烷体积分数φ如表2所示。

表2 上隅角甲烷体积分数

随着抽放风量的增加，风流中甲烷流量也随之增加。抽放甲烷流量增加速率随着风量的增加，呈现先增加后降低的规律。风流的流动方向从进风巷流向回风巷，抽放风流同时存在顺风抽和逆风抽两种情形；顶抽入口处抽放靠近进风侧为顺风抽有利于抽放风流，为“顺效应”，靠近回风侧为逆风抽不利于抽放风流，为“逆效应”。相似模拟模型工作面长度为18 m，实验顶回位置处抽放风量较小时，“顺效应”起主导作用，甲烷易被吸入，甲烷增加速率随之增加；当抽放风量逐渐较大时，靠近回风侧风被大量吸入，“逆效应”作用增大，导致甲烷流量增加速率降低；抽放风量越高，抽出甲烷流量越高，耗能越高，抽放速率存在先增加后降低的情形，故选择甲烷增加速率作为甲烷抽放指标；甲烷增加速率最高点抽放效率最佳即为最优抽放点。总进风量与总甲烷流量为定值，回风量与甲烷流量曲线随着抽放风量与甲烷流量的变化而逆变化。

a 抽放风量与甲烷流量

b 回风量与甲烷流量

对比图2a、b曲线，随着距离的加大，抽放风量与甲烷流量曲线坡度逐渐减缓；1 m位置时曲线最陡，3 m位置时曲线最缓。顺着采空区风流方向，甲烷流量逐渐增加，越靠近回风巷，越容易抽到甲烷，故甲烷流量增幅较快。1、2、3 m位置顶抽风量与甲烷流量关系中，抽放风量分别在50、70、100 m3/min时达到速率最高点， 甲烷流量依次为0.475、0.644、0.580 m3/min，上隅角甲烷体积分数为0.57%、0.36%、0.62%。最优点甲烷量2 m位置处最高；1 m位置时靠近回风巷，风流阻力较大，“逆效应”作用明显，3 m位置离回风巷较远，甲烷抽放在采空区回风方向之外，“逆效应”作用，不利于瓦斯抽放，故2 m位置最优点甲烷流量最高；最优点甲烷体积分数均未超限，符合要求。1、2、3 m位置时电机功率为92、103、179 kW，甲烷抽放量与功率比值为1.84、1.47、1.79；2 m位置，抽放风量70 m3/min时，甲烷流量高、耗能低，为系统最优点。

4 结果应用

现阶段虎龙沟煤业公司81503采煤工作面内错式顶抽系统瓦斯抽放泵抽放量为960 m3/min，耗能为1 005 kW/h；顶抽巷与回风巷间距为20 m。由式(5)可知。

相似模拟实验研究内错式顶抽系统最优点为2m位置，甲烷抽放流量为70m3/min，qt51503-1=10×70=700m3/min，甲烷体积分数为0.92%，甲烷流量为6.44m3/min；对应回风风量为1 800m3/min，甲烷体积分数为0.18%，甲烷流量为3.24m3/min，上隅角甲烷体积分数为0.36%。实验结论应用于实践时，实测工作面瓦斯绝对涌出量为10.28m3/min，51505-1巷抽采风量为700m3/min时，瓦斯体积分数为0.89%，瓦斯量为6.23m3/min；回风量瓦斯体积分数为0.17%，瓦斯量为3.06m3/min，上隅角瓦斯体积分数为0.38%；与实验结果相吻合。抽放风量为700m3/min时，耗能为748kW/h，每年节省电费S=(1 005-748)×24×365×0.65=146.34万元。

5 结束语

相似模拟实验能够解决现实条件下难以实现或者危险性较大的工程实践。采煤工作面内错式抽放系统，随着瓦斯抽放风量的增加，风流中瓦斯量也随之增加。瓦斯抽放 “顺效应”与“逆效应”共同作用下，瓦斯量增加速率随着风量呈现先增加后降低的规律。顺着采空区风流方向抽放，风阻小，有利于瓦斯抽放，距离回风巷越远，越不利于瓦斯抽放；距离回风巷越近，抽放阻力越大，抽放效果不佳。通过相似模拟结果应用于同煤集团虎龙沟81503工作面顶抽系统，取得了很好的效果。相似模拟实验不仅给瓦斯抽放系统的研究提供新思路及技术参数，而且对顶抽系统的有效利用也有一定意义。

[1] 王铁军, 赵传龙, 代华明， 等. 矿井瓦斯抽采技术的研究现状及前景[J]. 山西焦煤科技, 2012, 36(6): 27-30.

[2] 张峰瑞, 肖福坤， 申志亮， 等. 单轴压缩状态下瓦斯抽采钻孔破裂规律的实验研究[J]. 黑龙江科技大学学报, 2016, 26(1): 17-20.

[3] 陈卓如, 金朝铭. 工程流体力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 215-226.

[4] 刘佳佳, 王 丹， 高建良. 高抽巷抽采负压对采空区漏风及自然带的影响[J]. 黑龙江科技大学学报, 2016, 26(4): 362-367.[5] 曾海利, 李 川, 赵洪伟. 综放工作面采空区“三带”分布规律分析[J]. 煤矿安全, 2012, 43(5): 137-140.

(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Experiment of internal system based on analog simulation

WangFei1，WangXingyu2

(1.Datong Coal Mine Group of Hulonggou, Datong 037000, China;2.Dalian Harbour Affairs College, Dalian 116000, China)

This paper describes an experiment building on fluid analog simulation and using the 1∶10 ratio. The study works towards an investigation into the underlying law behind staggered top pumping system working in the coal faces and an analysis of the relationship between the drainage volume and gas content and the relationship between roof drainage roadway position and return air gas quantity and gas drainage amount. The results demonstrate that along with an increase in the drainage volume comes an initial increase and a subsequent decrease in gas rate due to the “smooth effect” and “reverse effect”, suggesting an optimal drainage point; the location 1, 2, 3 m away from the return airway is observed to have an optimal drainage air volume of 50, 70, 100 m3/min; a gas content of 0.475, 0.644 and 0.580 m3/min, and a motor power of 92, 103 and 179 kW; the location 2 m away from the return airway, with the 70 m3/min drainage volume, makes the optimum point in the system, displaying the highest gas content and the lowest energy consumption and thus proving practicable and high-efficient. The research may provide a novel idea for gas drainage system.

gas drainage; analog simulation; air volume; gas content; rate; optimum

2017-03-28

王 飞(1988-)，男，山西省平遥人，助理工程师，硕士，研究方向：矿山通风理论及技术，E-mail:wangfei20080808521@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.005

TD712

2095-7262(2017)05-0468-04

A