浅埋近距离煤层群综放工作面回风隅角低氧治理技术

金永飞，张科峰，郭 军，张 光，晏 立，刘仁飞

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

我国陕北地区开采的煤层大多属于浅埋煤层，大部分开采煤层处于CO2～N2瓦斯分带[1]。由于地表漏风和层间漏风，采空区遗煤会经历瓦斯吸解及多次氧化，导致采空区低氧气体向工作面回风侧异常涌出，从而造成工作面回风隅角低氧现象发生[1]。近些年工作面回风隅角低氧问题一直是该地区矿井生产所面临的难题，严重影响煤炭开采，同时在低氧环境下工作很容易窒息，严重威胁矿工的生命安全。当O2浓度为17%时，人员工作时将会出现呼吸困难现象；当O2浓度为10%～12%时，井下工作人员将会失去理智，若长时间在该O2浓度的环境下工作将会有生命危险[2]。近年来许多国内外学者在矿井通风方面做了大量研究，但在工作面回风隅角低氧问题研究相对较少，该问题仍未很好地得到解决，所以对工作面回风隅角低氧防治措施刻不容缓。

关于工作面回风隅角低氧防治技术，很多学者提出了新的防治措施。国内学者刘永邦[3]在研究多种工作面回风隅角低氧治理措施的基础上，结合郭家湾煤矿51107工作面在开采的过程中频繁出现回风隅角低氧问题的实际情况，通过对比分析得出低氧问题的主要原因是采空区存在遗煤氧化现象。制定了适用于该矿的采空区封堵漏风的治理措施，以保证工作面氧浓度恢复正常范围内。赵罗飞[4]以祁连塔矿22411工作面为研究对象，重点分析工作面回风隅角低氧产生的原因及来源，结合现有防控措施，提出了利用CO2来减弱煤对氧吸附的科学高效防治措施。杨小彬[5]等以神东矿区某工作面气体数据为参考，借助广义回归神经网络，构建了关于氧浓度的工作面气体预测模型，为煤矿井下工作面回风隅角低氧防治技术提供了新的参考。方保明[6]以锦界矿31406工作面低氧问题为研究背景，采用理论分析和现场观测相结合的方法，得出工作面回风隅角低氧主要原因是采空区漏风所致，提出了可以通过减少漏风、提高密闭质量和加强气体监测的综合治理方案。郭永文[7]以神东矿区浅埋藏近距离煤层群工作面回风隅角低氧问题为案例，提出了设置氧气传感器、对采空区进行封堵措施。国内外关于引射器的主要应用在航空航天、化学工业和煤炭工业，Jedelsky[8]等从射流的物理概念出发，重点研究了引射器壁面的射流影响因素，通过CFD模拟几何形状与实验进行比较，找到了CE(a jet blowing over convex surface)的正确预测工具，对许多工程应用具有重要意义。Zihan Yan[9，10]通过实验研究了不同气体喷嘴角度对气固混合效率的影响，得出在实际安装中，当喷射角度为30°～45°时，可以极大提高工作效率。宋晓栋[11]针对工作面回风隅角存在的瓦斯积聚问题，在工作面回风隅角安装了引射装置，取得一定的效果，徐守仁[12]以保德煤矿81306工作面为研究对象，通过理论分析工作面瓦斯出现原因影响因素等问题，提出采用引射器治理瓦斯，为井下治理瓦斯提供了新的思路。

综上所述，现有的低氧防治手段难以从根本上解决工作面回风隅角低氧的问题。基于引射原理的工作面低氧防治技术可在保持矿井工作面全风压通风方式不变的前提下对局部气体环境进行改善。因此，本研究针对陕北小保当煤矿112207工作面回风隅角低氧问题，提出运用引射技术提高回风隅角低速风流从而使得该区域氧气浓度达到正常范围内，利用数值模拟软件，对不同引射风流条件下工作面风速及氧浓度变化规律进行分析，分析引射风流对工作面氧浓度及风速的作用效果，确定引射风流的最佳工艺参数，为现场应用提供数据支持。

1 风流引射技术及原理

引射器是利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合反应设备[13]。

对于各类风流引射技术可用如下三个基本定律来描述。

1)能量守恒定律，在引射器之前工作和引射流体的动能和在引射器之后混合流体的动能通常忽略不计[13]。

IP+uIH=(1+u)Ic

(1)

式中，IP为在引射器前工作流体的焓，J/mol，IH为在引射前引射流体的焓，J/mol，Ic为在引射器之后混合流体的焓，J/mol，u=MH/MP称为引射系数，即引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比。

2)质量守恒定律：

MC=MP+MH

(2)

式中，MP为工作流体的质量流量，kg/h；MH为引射流体的质量流量，kg/h；MC为混合流体的质量流量，kg/h。

3)动量定量，假设在引射器中流动是均匀的，那么对于任意形状的混合室的动量定理可写成：

MPWP1+MHWH1-(MP+MH)W3=

(3)

通过查阅相关文献[14]，发现前人在治理瓦斯灾害时，比较高效的治理手段是采用引射技术，这种技术可以简化为：以一个圆柱形装置为载体(后面称之为引射器)，以“孔达效应”为基本原理，以主流气体(压缩空气)为动力，在次流入口产生巨大负压，将次流气体(装置周边低速气体)诱导进入装置并与主流气体混合增速，最后两种气体在混合室充分融合之后，从装置出口高速喷向目标区域，达到将风流速度较低区域迅速提高的目的。这样就能解决工作面风量在回风隅角处较少的问题，引射过程原理如图1所示。

图1 引射过程原理

2 工作面概况及设备选取

2.1 工作面概况

112207综采工作面位于小保当煤矿二-2煤11盘区，煤层厚度5.51～6.29 m，平均煤厚5.7 m，倾向不足1°的单斜构造。根据井下实际情况设计采高5.5～6.3 m，工作面标高为+940～+995 m，地面标高为+1276～+1326 m，煤层走向长度5802 m，倾向长度350 m，面积为2030700 m2，西部与112201采空区相邻，东部有112208工作面正在掘进回采巷道，北至二-2铺运大巷，切眼中线距南部边界26 m，112207工作面所属二-2煤煤层为中厚-厚煤层，为Ⅰ类容易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性，厚度规律性变化明显煤类单一，11207工作面为负压通风，采用两进一回U型通风方式，112207综采工作面通风路线如图2所示。

图2 工作面通风路线

2.2 设备选取

2.2.1 设备选取原则

1)安全性原则：引射装置应满足防水、防电、防爆、耐高温和耐腐蚀等性能，能够在复杂多变的环境中安全可靠运行。

2)可靠性原则：引射装置应尽量避免受环境因素影响能够稳定运行。

3)经济性原则：引射装置要能够实时根据工作面监测监控数据调整引射风流，避免不必要的经济损失。

2.2.2 设备优选

根据设备选取原则，结合112207工作面实际情况，对市面上引射装置进行优选，最后选取无需用电、安全可靠的气相引射器，气相引射器分为外引射器和内引射器，为优选出性能较好的引射器，详细分析了相同型号的两种引射器的各项技术指标，将其技术指标汇总见表1。

表1 设备性能对比

引射器的主流压力来自井下压风管，其压力一般不超过0.8 MPa，若采用外引射器，必须在压风管与引射器入口接入储气罐，以提高工作压力，在井下很难实现。还有外引射器外形更大、重量更重，不便于井下随时拆卸移动，且进气口直径较大，容易吸收更多的杂物，造成内部堵塞。所以选用综合性能更好的内引射器进行研究分析，即ZYW-150型内引射器。

3 治理效果的数值模拟研究

3.1 基本方程

任何运动都必须满足三大守恒定律，即质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。流体在引射器内运动所不同的是，采空区内部为多孔介质，在对多孔介质中的流体运动进行计算仿真模拟时，动量消耗被称为源项。动量源项一般由惯性阻力和粘性阻力两个部分组成，其方程表达如式(1)所示[15]：

式中，Si为x，y或z方向动量方程的源项，i=x，y，z；Dij，Cij分别为黏性阻力项和惯性阻力项中给定的损失系数矩阵；μ为采空区混合气体的动力黏度；N·s/m2；vj为3个方向的速度分量，m/s，j=1，2，3，分别表示x，y，z方向。

对于一些结构均匀，组成简单的多孔介质的流体流动，可以简化其损失方程式如式(2)所示[16]。

式中，e为渗透率；C2为内部阻力因子。

一般通过卡尔曼公式来计算上式中的渗透率e，卡尔曼公式如下[16]：

式中，DP为平均颗粒直径；m；n为介质孔隙率。

3.2 参数设置

3.2.1 几何模型确立

采用Ansys Workbench14.5平台中Geometry模块建立112207采空区及工作面的几何模型，其中以112207综采工作面回风隅角与非采煤壁面为坐标原点，X轴为工作面倾向方向，Y轴为工作面走向方向，Z轴为垂直方向。根据实际情况模型主要参数如下：采空区长350 m，宽300 m，高30 m；根据经验公式[16]，求出冒落带和裂隙带高度，冒落带长400 m，宽350 m，高20 m；裂隙带长400 m，宽350 m，高80 m；工作面长350 m，宽5.4 m，高4.4 m；进、回风巷长20 m，宽5.4 m，高4.4 m；112207工作面所属煤层为Ⅰ类易自燃煤层，工作面推进期间会采取注氮防灭火，因此模型中设置有注氮口，直径0.3 m；几何模型如图3所示。使用Ansys Workbench14.5平台中Mesh模块，网格数量约为2500000，类型为六面体网格，大小设为0.5 m，网格划分如图4所示。

图3 几何模型

图4 网格划分

3.2.2参数设置

合理的参数设置对模拟结果的准确性有很大的影响，主要对边界条件、区域条件、源项等进行设置，具体如下：采空区冒落带和裂隙带设置为多孔介质，孔隙率[17]计算方法如下：依据采空区裂隙带以及垮落带的空隙率推导公式[16]，采空区中对于气体的渗透率，垮落带与裂隙带是不一致的，因为垮落带中空隙率比较大，而对于裂隙带的空隙率以及渗透率比较小变化也不明显，对采空区气体运移以及分布影响较小，所以对裂隙带的空隙率以及渗透率取常数[17]。

当y≤100时，按式(3)计算渗透率e，当y>100时，为常数值，设为0.06；氮气入口按实际注氮量432 m3/h设置，入口直径0.3 m，故氮气入口速度为1.7 m/s；112207工作面回采率95%，故耗氧高度设为0.29 m；将进风巷设为空气流入，断面速度1.68 m/s；回风巷自由流出。

n=0.000019x2-0.0038x+0.25

(4)

将上述分析结果，结合前述研究对煤样耗氧速率和不同工况下风速的计算，编写112207工作面及采空区数值模拟UDF并导入计算。

3.3 结果模拟分析

3.3.1 引射风流与回风巷垂直时工作面氧浓度及风速变化规律

引射风流与回风巷垂直及倾斜设置时工作面氧浓度及风速变化规律如图5、图6所示。由图5、图6分析可知，当引射风流与回风巷垂直设置时，引射风流速度为4 m/s时，工作面及回风巷大部分区域风速变化不大，虽在一定程度上增加了回风隅角局部风流，但是低氧现象依然存在，不同高度内，回风隅角大部分区域氧浓度为18%以上，在高度为4 m时，在倾向方向上整个回风隅角空间存在低氧现象，对低氧环境的改善效果甚微。引射风流速度为8 m/s时，当风速增大以后，回风隅角低速区域基本消失，最小风速与工作面风速基本相同。随着引射风速的增加，工作面回风隅角低氧现象严重程度逐步变弱，工作面回风隅角最低氧浓度也在逐步升高，回风隅角氧浓度约为18%左右，与回风巷垂直设置引射风流时，工作面及回风隅角低氧现象会有一定程度的改善。但不断的增加风量，并不能有效解决工作面回风隅角低氧问题。

图5 引射风流速度为4 m/s

图6 引射风流速度为8 m/s

3.3.2 引射风流与回风巷倾斜设置时工作面氧浓度及风速变化规律

引射风流与回风巷垂直及倾斜设置时工作面氧浓度及风速变化规律如图7-图8所示。

图7 引射风流速度为4 m/s

图8 引射风流速度为8 m/s

由图7、图8分析可知，当引射风流与回风巷倾斜设置时，引射风流速度为4 m/s时，引射风流呈夹角吹向回风隅角时，在工作面走向方向上低速区域基本消失，而在工作面倾向方向上，还存在一定的低速区域，约为1.2 m/s左右。从高度为1 m和4 m的上隅角氧浓度分布云图还可以看出，引射原理对于低氧环境的治理还没有达到最佳效果。引射风流速度为8 m/s时，与其他条件相比，回风隅角风量得到了极大的提高，在此前风速最低区域，风速提高到5 m/s左右。随着高度的增加，氧气浓度基本在19%以上，综上所述，当引射风流与回风巷呈一定夹角布置，对工作面回风隅角的低氧环境改善效果更佳，风速达到8 m/s时，工作面回风隅角氧浓度在立体空间内最低氧浓度可达19%，低氧现象基本消失。同时可以确定在现场应用时引射器的最佳角度参数和有效风速参数分别为安装角度与回风巷倾斜设置，引射风速8 m/s。

4 现场试验

4.1 现场工艺参数确定

4.1.1 设备工作方式

采用引射原理来改变风流运动状态时，一般有正压和负压两种工作方式：①正压工作方式是利用大量新鲜风流，将需要改善的局部环境的气体进行稀释，达到改善局部气体环境的目的；②负压工作方式是利用引射风流将外部气体卷吸进入引射设备内部，通过管路排出。

正压工作方式下，井下工作人员无需其他辅助设施，且由于设备重量较轻，体积较小，两个人便可完成安装作业，非常安全方便，但采用负压工作方式引射效率相对较高，但是工艺复杂，不方便随时拆卸移动，所以从安全高效、简洁可靠和后期维护成本的方面考虑，本次现场采用正压工作方式。现场布置如图9所示。

图9 现场布置方案

4.1.2 设备运行时间

对井下不同月份的监测数据进行了汇总，并选取每个月15号不同班次的回风隅角氧气浓度进行绘图分析，如图10所示。由图10可知，随着月份的增加，三个班次的氧浓度都呈下降趋势，且三个班次之间，同一月份的氧浓度也随着取样时大气温度的增加，呈下降趋势，说明在引射器工作时，应该在每天的八点班，增加引射风量，以保证低氧防治效果。

图10 不同月份工作面氧气浓度变化

4.1.3 设备安装高度

在112207综采工作面三个不同班次的回风隅角距煤壁0.5 m处，用球形橡胶气囊分别采集高度为0.5、1、1.5、2、2.5 m的气体，密封保存，在实验室采用气相色谱仪进行分析。进行气体采集时，为了保证结果的准确性，每个气体收集点取样三次，把结果求平均值。不同班次氧气浓度变化趋势如图11所示。

图11 回风隅角立体空间内氧气浓度变化

由图11可知，不同班次氧气浓度随高度的增加，基本逐渐减小的趋势，验证了模拟结果的准确性。其中，八点班氧气浓度，在不同高度均低于其他两个班次，另外考虑到井下工作人员在井下活动时，呼吸的气体大部分来自上部空间，即1.5～1.8 m左右。因此，基本可以确定引射器的出风口应该设置在2 m左右，方向为前端向下倾斜呈俯视状。

4.2 引射器安装

在112207工作面进行了引射装置安装，在井下用喷射烟雾的方法逐步调整至对准上隅角端头支架立柱处。根据现场情况，将引射器初步吊挂端头支架第三架处，并焊接转接直筒。在安装完成后，将主流压力设为0.4 MPa，即引射效率最高下运行。

为了准确、全面分析引射器安装后，回风隅角立体空间范围内氧气变化特征与防治效果，分别对不同班次回风隅角氧气浓度进行观测，从回风隅角采空区与非采煤壁处为起点，布置方向与回风巷风流方向一致，每0.5 m布置一个测点；竖直方向上分别在1、1.5 m、1.8 m三个高度置测点，然后分别对八点班、四点班、零点班回风隅角氧气浓度进行检测并分析其变化规律。

4.3 效果分析

4.3.1 八点班回风隅角氧气浓度变化分析

八点班回风隅角氧气浓度变化曲线如图12所示。由图12可知，主流压力为0.4 MPa时，即引射器达到最佳工作效率时的压力，在设备运行一段时间后，每天八点班的回风隅角氧气浓度观测结果。总体来看，在设备正常运行过程中，在设备运行的前几天，回风隅角氧气浓度快速升高，接着呈缓慢上升趋势，说明在工作面正常回采期间，在加装引射器后，回风隅角低氧环境能得到有效改善，氧浓度基本保持在18.5%以上。

图12 八点班回风隅角氧气浓度变化曲线

4.3.2 四点班回风隅角氧气浓度变化

四点班回风隅角氧气浓度变化曲线如图13所示。根据设备运行一段时间后，四点班回风隅角氧气浓度变化曲线可以看出，在监测范围内的回风隅角氧气浓度在各个不同高度，均随着时间的增加，快速上升到20%左右。氧浓度在上升过程中未出现反复现象，低氧治理效果优于八点班。最终氧气浓度基本能维持人体工作时所需值。

图13 四点班回风隅角氧气浓度变化曲线

4.3.3 零点班回风隅角氧气浓度变化

零点班回风隅角氧气浓度变化曲线如图14所示。由图14可知，与前两个班的氧气浓度观测结果相比，零点班氧气浓度在防治开始前较高，在设备运行一段时间后快速上升到21%，在达到氧浓度最大值前，上升速度基本不变。综上所述，引射器主流压力为0.4 MPa、安装高度2 m、设备出风口与工作面呈一定夹角，且略微向下倾斜等工艺参数适用于该矿112207工作面的工作面回风隅角低氧防治。通过以上分析可以得出，ZYX-150型引射器对112207工作面回风隅角低氧环境的改善效果良好，且设备处于高效率运行状态，即使工作面低氧问题出现加剧的情况，还可通过调整压力参数，增加出口风量和风速，来保证低氧防治效果。

图14 零点班回风隅角氧气浓度变化曲线

5 结 论

1)确定了基于引射原理的工作面回风隅角低氧防治技术的主要工艺参数，包括引射器在回风隅角采用正压工作方式，设备最佳高度2 m，引射风流方向与回风巷呈一定夹角、引射风速8 m/s。

2)引射风流对工作面回风隅角低氧环境改善效果良好，引射风流方向与回风巷呈一定夹角设置时，改善效果最佳。此位置条件下引射风速8 m/s便可有效消除回风隅角低氧现象，使整体氧浓度保持在19%以上。

3)采用基于引射原理的工作面低氧防治技术，对陕北小保当煤矿112207工作面回风隅角低氧现象进行了现场工业试验。设备正常运行一周后，工作面回风隅角整体氧浓度保持在18.5%以上，防治效果显著。