矿井掘进工作面通风方式选取的数值模拟研究

乔桥

【摘 要】 本文对煤矿巷道掘进工作面压入式及抽出式通风的有效风程进行了计算，同时，利用FLUENT数值模拟软件对掘进工作面压入式通风的风流流动以及瓦斯浓度分布进行了数值模拟，模拟结果显示，抽出式通风以及压入式通风应该根据具体掘进巷道的气体成分以及掘进的强度进行选择，对于巷道断面积大且掘进长度较长的掘进，应该采用混合式通风对巷道进行通风以保证掘进的顺利进行。

【关键词】 FLUENT 软件;计算流体力学;压入式通风;抽出式通风

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0042-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

矿井掘进工作面的通风是掘进顺利安全进行的保障，目前，随着科学技术水平的不断发展，矿井通风系统也越来越丰富全面，可控循环通风系统广泛应用于低瓦斯矿井中。实践证明，可控循环通风系统对于采场的通风效果较好，在深部矿井中，循环通风有效地降低了瓦斯的含量，利用巷道以及采空区自然净化的能力实现顺利通风，结合众多学者的研究，本文对通风系统进行了深入的研究，为掘进工作面的通风提供了依据。

1掘进工作面通风方式选择

如果掘进工作面瓦斯含量高，巷道以煤为主，采用压入式通风;如果掘进工作面以岩石为主，为了排除掘进造成的固体粉末颗粒，适宜采用抽出式通风。

在实际的工程中，抽出式通风与压入式通风往往配合使用，从而加快通风效率，保证巷道掘进时的安全性与稳定性。混合式通风中，两台通风机一台用于压入式通风，一台用于抽出式通风，通过两台通风机的联合运作，进行排出污风的运转。图1、图2分别为掘进工作面通风平面示意图和剖面图，风机性能如表1所示：

2通风风场数值模拟

我们利用FLUENT软件并结合计算流体力学对某矿的风场进行了数值模拟，本次模拟的是常规压入式通风、抽出式通风以及混合式通风方式下的掘进工作面风场图，在压入式通风情况下，通风进风量为82.75m3/min，风筒直径为600mm，瓦斯的密度为0.665kg/m3，根据工作面实测的数据，设工作面的瓦斯质量流量为4.5×10-6kg/s。将数据输入软件中，得到图3所示的模拟结果。从图3中可以看出，通风机运行后，风流迅速进入巷道，风流从工作面底部开始运动，充满底部后开始向顶板扩张，在新鲜气流不断注入的情况下，巷道内出现旋涡，旋涡现象总共出现两次，两次旋涡距离风机风筒的位置分别为1.5m和7m;在抽出式通风情况下，因为吸风筒的行程有限，仅能形成工作面端约2.5m的有效工作范围，风流发生卷吸作用从而实现汇聚现象，而随着与工作面距离的增加，通风效果极差;采用混合方式通风，由于抽风机风筒的卷吸作用和压风机鼓入的风流发生碰撞，在Y=60m与Y=62m 位置均有漩涡流形成，风流沿着巷道到达作业点后，由于作业点和压入式风筒出口距离超出了压风筒的有效射程，从而在抽风筒出口位置形成射流，在射流作用下，一部分风流随漩涡沿巷道流出，另一部分风流随漩涡沿巷道再次返回作业点。

在掘进时期，工作面瓦斯直接影响到掘进的安全，瓦斯中甲烷无色无味，在大量聚集的情况下，极易发生爆炸，因此对瓦斯进行模拟研究是必要的。在正常情况下，甲烷浓度达到5%-16%时，遇到高温就会发生爆炸，本文中，巷道掘进工作面瓦斯为0.5%-0.8%，含量较低，从模拟图中可以看出，当风机开始运行后，新鲜风流迅速进入巷道内，对瓦斯等气体有一定的冲击作用，因为瓦斯气体密度较空气低，气流运行至巷道的端面，拐角处气流小，所以瓦斯主要都聚集在巷道顶板的拐角处，其中工作面瓦斯含量最高，在实际工作中，应该对瓦斯含量较高的地方进行稀释以保证掘进的安全。

结合风场的模拟，压入式通风中，风机不断射流过程中工作面会出现两次旋涡现象，其中距离工作面较远的一侧旋涡现象明显，且会加剧顶板拐角的瓦斯聚集，所以在掘进工作面通风时，应该充分考虑通风的效果，目前，大多数矿井选择压入式通风与抽出式通风相结合的混合通风方式，通过压入式通风机压入新鲜风流至工作面，同时利用抽出式通风机抽出巷道内的污风，混合通风情况下，长距离抽出通风短距离压入通风或者长距离压入通风短距离抽出通风的方式是最常用的通风方法，长距离压入通风短距离抽出通风风流经过风机压入巷道内，巷道内的气体迅速抽出，这种通风方式适合于巷道掘进长且瓦斯含量低的掘进工作面，长距离抽出通风短距离压入通风风流压入的路径较短，而抽出时的风流路径较长，这种通风方适用于巷道中瓦斯含量较高或在煤层中进行掘进工作的巷道，短距离的压入风流能够使得气体粉末迅速获得动能，在抽出风机的负压作用下，气体及颗粒迅速被排出。混合通风方式下巷道通风效果最好，巷道内会有源源不断的新鲜风流注入，同时，巷道内原有的气体以及掘进产生的颗粒物会及时被抽出式通风机抽出，保证通风动力的同时，能够有效地降低巷道拐角及工作面的瓦斯含量，对于大断面长距离的巷道掘进也是最佳的选择。

3结论

（1）通过对掘进工作面的通风方式及理论的研究，得到压入式通风适合于工作面有毒有害气体含量高的掘进工作面使用;抽出式通风适合于掘进过程中固体颗粒粉末较多的巷道。

（2）通过对通风机风筒近工作面的压入式通风风场以及巷道内瓦斯的分布模拟，在风流压入巷道时，巷道内会出现两次旋涡，旋涡更容易造成巷道顶板拐角处以及工作面的的瓦斯积聚。

（3）对于掘进巷道断面积较大，掘进长度长的巷道，应该选取压入式通风与抽出式通风结合的通风方式，保证巷道内良好的通风效果，有效地降低瓦斯的含量。

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