王 飛， 王星宇

(1.同煤集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司, 山西 大同 037000;2.大連楓葉職業(yè)技術(shù)學院, 遼寧 大連 116000)

內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)瓦斯抽采規(guī)律的相似模擬實驗

王 飛1， 王星宇2

(1.同煤集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)公司, 山西 大同 037000;2.大連楓葉職業(yè)技術(shù)學院, 遼寧 大連 116000)

為提高內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)的瓦斯抽采效率，基于流體相似模擬理論，1∶10的幾何比例焊接成工作面進行相似模擬實驗，研究工作面內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)規(guī)律性，分析抽放風量與甲烷流量的關(guān)系、頂抽巷位置與回風甲烷流量和抽放甲烷流量的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著抽放風量的增加，由于“順效應”和“逆效應”的影響，甲烷流量增加速率先提高后降低，存在最優(yōu)抽放點；1、2、3 m位置的最優(yōu)抽放風量為50、70、100 m3/min，甲烷流量為0.475、0.644、0.580 m3/min，電機功率為92、103、179 kW；2 m位置抽放風量為70 m3/min時，甲烷流量增速最高點、耗能低，為系統(tǒng)最優(yōu)點。該研究為瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計提供了新思路。

瓦斯抽采； 相似模擬； 風量； 甲烷流量； 速率； 最優(yōu)點

隨著煤礦的深入開采，開采深度逐年加深。開采深度的增加，煤層瓦斯賦存含量必然隨之升高，井下瓦斯涌出量也會大幅提高，增加了煤層突出和瓦斯爆炸的可能性，危及人員生命及財產(chǎn)安全。利用瓦斯抽采技術(shù)對采空區(qū)瓦斯進行抽采，不僅降低采煤工作面危險性，也做到了瓦斯的合理利用[1-2]。采煤工作面采用內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)進行采空區(qū)抽放，取得很好的治理效果。隨著內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)的極大推廣，其使用的高效性、節(jié)能性的研究就顯得尤為重要。然而，利用現(xiàn)場試驗存在著工作面瓦斯積聚爆炸、設(shè)備損耗及人員安全等風險，應用相似模擬理論對內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)的運行規(guī)律進行研究，就有著極為重要的意義。

1 相似模擬理論

相似模擬必須具備幾何相似、運動相似和動力相似三個條件，兩個流體系統(tǒng)的流體流動狀態(tài)才能一致[3]。幾何相似邊界條件為實物與模擬流對應尺寸成比例，如式(1)；運動相似為對應瞬間，所有對應點的速度大小比值固定，方向一致，如式(2)；動力相似為對應瞬時，對應點上力性質(zhì)相同，方向一致，比值固定，如式(3)；幾何相似是模型相似的必要條件，動力相似則是模型相似的充要條件；風流流動主要靠慣性力和黏性力，滿足動力相似的條件為雷諾數(shù)相等，如式(4)。由雷諾數(shù)相等得到相似模型與實物風量關(guān)系如式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(1)～(5)中：C為相似比例常數(shù)；l為長度；v為速度；F為受力；Re為雷諾數(shù);μ為運動黏性系數(shù);q為風量；U為巷道周界；實物流動用腳標t表示；模型流用腳標m表示。

2 頂抽系統(tǒng)相似模擬實驗

2.1 實驗模型

實驗采煤工作面相似模型以同煤集團虎龍溝煤業(yè)有限公司81503采煤工作面內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)為基礎(chǔ)。采用方形不銹鋼管與不銹鋼材料按幾何比例1∶10焊接形成工作面相似模型[4]?？紤]采空區(qū)隨著“三帶”逐漸密實情況，利用碎石塊模擬81503工作面“三帶”密實分布[5]；布置20個甲烷釋放點，每個點釋放甲烷流量為0.05 m3/min。模型設(shè)置風量、甲烷濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測點。頂抽巷及回風巷安設(shè)型號為2BE3520(420減速機)水循環(huán)瓦斯抽放泵進行抽放風量。工作面內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)模型及參數(shù)測點位置如圖1所示。相似模型與實物參數(shù)對比如表1所示。

圖1 頂抽系統(tǒng)相似模擬模型

工作面參數(shù)參數(shù)值相似模擬模型21503進風量/m3·min-12500250絕對瓦斯涌出量/m3·min-110151503斷面(長×高)/m5.2×3.50.52×0.3551503-1斷面(長×高)/m4.0×3.00.40×0.3021503斷面(長×高)/m4.5×3.50.45×0.3551503與21503水平間距/m180.018.051503-1與工作面水平間距/m35.03.551503-1與工作面層間距/m10.01.0散熱帶寬度/m40.04.0自然帶寬度/m70.07.0

2.2 實驗方案

實驗通過調(diào)整頂抽巷與進回風巷的距離以及頂抽巷抽采風量得到內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)規(guī)律性。頂抽巷與回風巷距離d為1、2、3 m；進風風量為定值250 m3/min，頂抽巷抽放量抽放范圍為20～130 m3/min，進行交叉實驗，得到回風量與甲烷流量、抽放量與甲烷流量、上隅角甲烷體積分數(shù)及抽放泵功率實驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

根據(jù)相似模擬正交實驗得到實驗數(shù)據(jù)，以風量q為橫坐標，甲烷流量qCH4為縱坐標繪制曲線，見圖2。實驗得到各點上隅角甲烷體積分數(shù)φ如表2所示。

表2 上隅角甲烷體積分數(shù)

隨著抽放風量的增加，風流中甲烷流量也隨之增加。抽放甲烷流量增加速率隨著風量的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。風流的流動方向從進風巷流向回風巷，抽放風流同時存在順風抽和逆風抽兩種情形；頂抽入口處抽放靠近進風側(cè)為順風抽有利于抽放風流，為“順效應”，靠近回風側(cè)為逆風抽不利于抽放風流，為“逆效應”。相似模擬模型工作面長度為18 m，實驗頂回位置處抽放風量較小時，“順效應”起主導作用，甲烷易被吸入，甲烷增加速率隨之增加；當抽放風量逐漸較大時，靠近回風側(cè)風被大量吸入，“逆效應”作用增大，導致甲烷流量增加速率降低；抽放風量越高，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，故選擇甲烷增加速率作為甲烷抽放指標；甲烷增加速率最高點抽放效率最佳即為最優(yōu)抽放點。總進風量與總甲烷流量為定值，回風量與甲烷流量曲線隨著抽放風量與甲烷流量的變化而逆變化。

a 抽放風量與甲烷流量

b 回風量與甲烷流量

對比圖2a、b曲線，隨著距離的加大，抽放風量與甲烷流量曲線坡度逐漸減緩；1 m位置時曲線最陡，3 m位置時曲線最緩。順著采空區(qū)風流方向，甲烷流量逐漸增加，越靠近回風巷，越容易抽到甲烷，故甲烷流量增幅較快。1、2、3 m位置頂抽風量與甲烷流量關(guān)系中，抽放風量分別在50、70、100 m3/min時達到速率最高點， 甲烷流量依次為0.475、0.644、0.580 m3/min，上隅角甲烷體積分數(shù)為0.57%、0.36%、0.62%。最優(yōu)點甲烷量2 m位置處最高；1 m位置時靠近回風巷，風流阻力較大，“逆效應”作用明顯，3 m位置離回風巷較遠，甲烷抽放在采空區(qū)回風方向之外，“逆效應”作用，不利于瓦斯抽放，故2 m位置最優(yōu)點甲烷流量最高；最優(yōu)點甲烷體積分數(shù)均未超限，符合要求。1、2、3 m位置時電機功率為92、103、179 kW，甲烷抽放量與功率比值為1.84、1.47、1.79；2 m位置，抽放風量70 m3/min時，甲烷流量高、耗能低，為系統(tǒng)最優(yōu)點。

4 結(jié)果應用

現(xiàn)階段虎龍溝煤業(yè)公司81503采煤工作面內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)瓦斯抽放泵抽放量為960 m3/min，耗能為1 005 kW/h；頂抽巷與回風巷間距為20 m。由式(5)可知。

相似模擬實驗研究內(nèi)錯式頂抽系統(tǒng)最優(yōu)點為2m位置，甲烷抽放流量為70m3/min，qt51503-1=10×70=700m3/min，甲烷體積分數(shù)為0.92%，甲烷流量為6.44m3/min；對應回風風量為1 800m3/min，甲烷體積分數(shù)為0.18%，甲烷流量為3.24m3/min，上隅角甲烷體積分數(shù)為0.36%。實驗結(jié)論應用于實踐時，實測工作面瓦斯絕對涌出量為10.28m3/min，51505-1巷抽采風量為700m3/min時，瓦斯體積分數(shù)為0.89%，瓦斯量為6.23m3/min；回風量瓦斯體積分數(shù)為0.17%，瓦斯量為3.06m3/min，上隅角瓦斯體積分數(shù)為0.38%；與實驗結(jié)果相吻合。抽放風量為700m3/min時，耗能為748kW/h，每年節(jié)省電費S=(1 005-748)×24×365×0.65=146.34萬元。

5 結(jié)束語

相似模擬實驗能夠解決現(xiàn)實條件下難以實現(xiàn)或者危險性較大的工程實踐。采煤工作面內(nèi)錯式抽放系統(tǒng)，隨著瓦斯抽放風量的增加，風流中瓦斯量也隨之增加。瓦斯抽放 “順效應”與“逆效應”共同作用下，瓦斯量增加速率隨著風量呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。順著采空區(qū)風流方向抽放，風阻小，有利于瓦斯抽放，距離回風巷越遠，越不利于瓦斯抽放；距離回風巷越近，抽放阻力越大，抽放效果不佳。通過相似模擬結(jié)果應用于同煤集團虎龍溝81503工作面頂抽系統(tǒng)，取得了很好的效果。相似模擬實驗不僅給瓦斯抽放系統(tǒng)的研究提供新思路及技術(shù)參數(shù)，而且對頂抽系統(tǒng)的有效利用也有一定意義。

[1] 王鐵軍, 趙傳龍, 代華明， 等. 礦井瓦斯抽采技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景[J]. 山西焦煤科技, 2012, 36(6): 27-30.

[2] 張峰瑞, 肖福坤， 申志亮， 等. 單軸壓縮狀態(tài)下瓦斯抽采鉆孔破裂規(guī)律的實驗研究[J]. 黑龍江科技大學學報, 2016, 26(1): 17-20.

[3] 陳卓如, 金朝銘. 工程流體力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 215-226.

[4] 劉佳佳, 王 丹， 高建良. 高抽巷抽采負壓對采空區(qū)漏風及自然帶的影響[J]. 黑龍江科技大學學報, 2016, 26(4): 362-367.[5] 曾海利, 李 川, 趙洪偉. 綜放工作面采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律分析[J]. 煤礦安全, 2012, 43(5): 137-140.

(編輯 晁曉筠 校對 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 飛(1988-)，男，山西省平遙人，助理工程師，碩士，研究方向：礦山通風理論及技術(shù)，E-mail:wangfei20080808521@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.005

TD712

2095-7262(2017)05-0468-04

A