通道增压法在复杂工作面液压支架回撤上的应用

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[摘 要]为了解决通风困难、瓦斯涌出量较大的复杂工作面液压支架的安全回撤问题，提出了通道增压法。该方法通过沿着回撤方向预留小通风道，确保回撤支架时工作面的正常通风，并在尾架附近范围内形成一个压力较高区，进而改变采空区风流流场以避免瓦斯超限。根据赛尔三矿A4005工作面实际情况建立了二维物理模型及数学模型，然后采用FLUENT软件模拟了通道增压法回撤支架前后工作面风流流场的变化情况；模拟结果表明风速分布与现场实测情况基本吻合，表明了数值模拟较为合理。研究表明：在通风困难、瓦斯涌出较大的复杂工作面进行液压支架回撤时，采用常规方法进行回撤易导致工作面瓦斯超限，运用通道增压法可确保通风及改变风流流场，避免了工作面瓦斯超限。

[关键词]通道增压法；复杂工作面；支架回撤；数值模拟；风流流场

中图分类号：TD355+.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0189-02

0 引言

煤炭在我国能源结构中占有最大比例，其需求量巨大。为满足能源需求，高产高效的综采工艺逐渐得到推广应用。然而，在通风困难、瓦斯涌出较大的复杂工作面回撤液压支架时，局部区域瓦斯易积聚，严重威胁安全生产。为克服常规液压支架回撤方法的不足，解决复杂工作面液压支架的回撤难题，结合复杂工作面顶底板岩层松软、瓦斯涌出较大的特征条件，提出了通道增压法。本文以赛尔三矿A4005工作面液压支架回撤为例，采用FLUENT软件对通道增压法回撤液压支架前后采空区的风流流场进行数值模拟，并通过分析采空区风流流场变化情况来阐述其原理及实施过程。

1 通道增压法数值模拟及分析

本文以赛尔三矿A4005工作面液压支架回撤为例，通过采用FLUENT软件对通道增压法回撤液压支架前后采空区风流流场进行数值模拟，阐述了通道增压法的原理、实施过程及效果。

1.1 工作面概况及回撤方法

⑴ 工作面概况

A4005工作面布置在赛尔三矿东翼采区，走向长为640m，倾斜长为160m；末采期间煤层均厚3.6m，平均倾角为23°。煤层直接顶为灰色砂质页岩，厚度约为3.87m，莫氏硬度为3.03，极易垮落；直接顶上为厚1.1m的煤层，该煤层瓦斯含量较高，该煤层垮落后瓦斯会涌向工作面。直接底为灰色砂质页岩，厚度约为5.82m，莫氏硬度为2.85，遇水易膨胀。工作面采用U型负压通风方式，风量为780m3/min，进风巷与采空区交界处风压为90.2kpa；回采期间工作面瓦斯涌出量约为1m3/min，采空区瓦斯涌出量约为4m3/min。采煤法为走向长臂后退式，工作面配备了100架ZY4600-14/29型掩护式液压支架和6架ZYG4600-14/29液压支架。

⑵ 通道增压法

通道增压法指沿着液压支架回撤方向预留小通风道，确保正常通风，并使尾架处附近一定范围内风压增高，改变采空区风流流场进而避免工作面瓦斯超限的方法，其示意图如图1。

通道增压法回撤支架的工序为：上引绳铺网扩道支护撤架回柱。上引绳的目的是确保停采时支架、刮板输送机与停采线平行，以便进行铺网。距停采线12m处上第1根钢丝绳时，将高强度柔性塑编网对折裹住钢丝绳并固定，并将钢丝绳从机尾拉到机头。工作面推进到6m时，进入铺网阶段。该阶段每割一刀煤就铺设一根钢丝绳，直至10根钢丝绳铺设完毕。铺网操作应逐架进行，确保钢丝绳拉直后与工作面平行。工作面推进到1.8m时，进入扩通道阶段。该阶段液压支架不再前移，采煤机割煤时一定要确保割平顶底板避免出现坡度急剧变化的情况。通道高度不低于2.9m。扩出的通道用于回撤液压支架，应采用“锚索+锚杆+双层塑编网”对顶帮进行联合支护。为形成预留小通道，需要在架设3.5m长的的工字钢梁（24kg/m），梁的一端搭在液压支架的顶梁上，搭接长度不小于0.4m，另一端用贴帮单体支柱支撑。单体支柱必须支设在实底上，并采取防倒措施。工作面液压支架从1号架开始，从下至上进行回撤支架，在回风巷中进行调向、装车、运移工作。工作面液压支架装车后，可进行回收单体支柱、下放悬空工字钢梁。工字钢下放后与煤壁成30°的夹角，形成一个约为2.6m2的小通道；该通道用于新鲜风流进风，未进行支架回撤的通道断面积约为9m2。因风量基本不变，利用尾架处通风断面的突然变化使风速改变，可使尾架附近区域压力增高，略高于尾架后方采空区的压力，进而改变采空区后方风流流场。

1.2 模型建立

井下采场由进风巷，工作面，采空区及回风巷组成；其中采空区充满了大量的冒落物，该冒落物压实程度在采空区不同地点是不同的。根据压实度的变化情况，在走向方向上将采空区可划分为三个区：距工作面最近的区域为自然堆积区，该区冒落物碎胀系数及孔隙度大；随后依次为载荷影响区和压实稳定区，其碎胀系数和孔隙度逐渐变小。正常回采时新鲜风流自进风巷流入工作面与采空区交界处，由于工作面没有冒落物阻挡，所以大部分风流进入工作面，少量风流进入采空区。进入采空区的风流状态在不同区域是不同的。其中，压实程度低的自然堆积区风流为紊流，其风速变化不大；随着压实程度的变高，风流逐渐变成渗流、层流。

⑴ 物理模型

本文分别对工作面停采时、回风巷单向撤架法撤架时、通道增压法撤架时的工作面进行合理简化，取工作面斜长为160m，采空区长度为300m，工作面进回风巷道宽为5m，回撤通道宽为1.8m，液压支架长为2.2m，建立二维物理模型，其示意图如图2，3。

⑵ 数学模型

本次模拟将井下采场风流视为理想流体，则该风流在井下采场流动时应符合一定的物理规律，并可以通过数学方程来表达。采用FLUENT软件来模拟采场风流运动状态就是对这些数学方程进行联合求解，最后以图形、数值的形式输出结果。采场风流运动所符合的规律主要有：

质量守恒定律

恒定流条件下，微小流束的形状和位置不随时间而改变，流体为连续不可压缩流。若在一段流道中没有流体的分流和汇入，则该段流动为连续流动。连续流动条件下经过一定空间的流体总质量保持不变，其数学方程表示如下式：

1.3 数值模拟与分析

⑴ 基本假设

采空区冒落物是非均质多孔介质，将该介质视为各向同性。

井下采场空气视为理想流体，即该气体为不可压缩流体，流体的任何一点之性质不随时间改变，摩擦效应及黏滞效应可忽略，流体沿着流线流动。

井下采场空气流动为连续流动，符合达西定律。

⑵ 模型网格划分

井下采场空间较大，且各地点风流及瓦斯的运移参数在时间及空间上变化较大，故应采用局部网格加密法将不同区域内划分出不同密度的网格。因此，本次将采空区压实稳定区域用1m×1m的网格进行划分，然后将进回风巷及工作面、自然堆积区、载荷承压区、采空区边界附近区域进行局部加密调整。

⑶ 模型边界条件

根据模拟假设及现场实际条件，将进风巷入口设为velocity inlet类型，入口处风速为1.5m/s；回风巷出口设为outflow类型，进回风巷、工作面及预留小通道区域设为fluid类型，工作面与采空区交界面设为interior类型，采空区设为porous类型，其黏性阻力设为定值；其他设为wall类型。

⑷ 数值模拟及结果分析

数值模拟

井下工作面及进回风巷可以实测风速等，而采空区无法实测相关参数，故本次沿工作面倾斜方向测定特征点的风速，以便与模拟结果相比较。采用FLUENT软件分别对停采时及回撤支架时的风流流场进行了模拟，并对结果进行处理。模拟结果表明，停采时沿工作面进风口开始0～40m范围内风流出现波动，40～140m范围内风流速度较稳定，140～160m范围内风流速度略微增加。采用通道增压法回撤支架时沿工作面进风口开始0～60m范围内因通风道变小导致风速增加，60～160m范围内风流速度与停采时风速分布相似。通过分析现场实测风速分布情况，其变化趋势与模拟结果趋势基本一致，其示意图如图4。由此得知，本次模拟结果合理。

模拟结果分析

由于采空区风速较小，使用FLUENT软件观测计算结果不方便，应采用其他软件对计算结果进行可视化处理，得出停采时及回撤支架时风压及风流流场分布图，其示意图如图5、6。

由图5可以看出，沿着工作面自进风巷至回风巷方向上风压逐渐变小，自交界线至采空区深部的方向上风压也逐渐变小。自进风入口起0～30m范围内，漏入采空区的风流部分返回工作面，部分进入采空区；30～140m范围内，工作面风流较稳定；140～160m范围内，采空区漏风及瓦斯大量涌向工作面。若供风不足，则易导致工作面及上隅角瓦斯超限。

由图6可以看出，沿着工作面自进风巷至回风巷方向上风压整体上会逐渐变小，自交界线至采空区深部的方向上风压也逐渐变小；然而在通道面积突变的附近范围内会形成一个局部压力增高区，该区压力比后方采空区的压力略高。自进风入口起0～30m范围内，漏入采空区的风流只有一小部分返回工作面；30～60m范围内（通风道面积变化区），漏入采空区的风流绕过尾架向采空区深部运移；60～140m范围内，工作面风流较稳定；140～160m范围内，采空区漏风及瓦斯大量涌向工作面。

由此可知，通道增压法能保证工作面正常通风，减少采空区漏风，不易导致工作面及上隅角瓦斯超限；通风道面积突变区附近能形成一个局部压力增高区，可改变采空区内风流流场，不易导致尾架处瓦斯超限。经过实测，A4005工作面液压支架回撤期间，尾架处瓦斯浓度最高为0.32%，上隅角瓦斯最高浓度0.65%，回风流瓦斯浓度平均为0.6%。

2 结论

在顶板底板松软、采空区瓦斯涌出较大的情况下，常规回撤方法回撤支架时无法保证可靠的通风，易导致工作面瓦斯超限；通道增压法回撤支架时既保证了可靠的通风，且能改变尾架附近采空区风流流场，避免了工作面瓦斯超限。因此，通道增压法对复杂工作面的液压支架回收具有较高的实用价值。

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