武宇鹏

（汾西矿业中兴煤业有限责任公司， 山西 交城 030500）

引言

矿井通风系统为矿井井下正常采掘活动提供新鲜风流，其运行平稳性直接影响矿井生产安全[1]。众多的研究学者采用现场实测、理论分析、模拟试验等方法对矿井通风系统展开研究，并取得了丰硕的研究成果，为后续进一步展开矿井通风系统研究提供了一定借鉴[2-3]。在巷道内现场对风速进行测定时由于受到测量环境影响，无法准确地反应出巷道内低风速区分布情况，然而巷道低风速区往往是瓦斯、二氧化硫、粉尘等有毒有害气体的集聚区[4]。因此，对不同支护断面巷道低风速区分布研究有助于降低风速分布不均衡而带来的潜在威胁，对提升矿井生产安全能力具有一定的指导作用。

1 工程概况

山西某矿采用立井- 斜井开拓方式，通风方式为中央并列式，矿井现阶段开采的煤层无突出危险性、煤尘具有爆炸性、煤层为II 类自燃煤层。矿井井下巷道采用的支护方式主要有工字钢支护、锚喷支护、平整壁面支护等类型。巷道支护方式及壁面粗糙度等会影响巷道内风速分布，从而对风排瓦斯、粉尘等造成一定影响。因此，为了避免不同巷道支护形势下巷道内部出现粉尘、瓦斯等有毒有害成分集聚，文中采用ANSYS 软件对不同支护形势下巷道内风速的分布情况进行分析。

2 模型的构建及模拟结果

2.1 模型的构建

构建的模拟模型以矿井井下巷道为基础，模拟巷道宽、高均为4.0 m，在巷道内布置16 个测点用以监测巷道内风速的变化情况，具体测点与巷道侧壁间距依次为4 cm、10 cm、15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm、65 cm、75 cm、85 cm、100 cm、110 cm、120 cm、130 cm、250 cm。数据每隔0.1 s 采集一次，共计采集10 s，从而获取到10 s 之内的平均风速，用以后续数据的分析。建立的模型分别模拟工字钢支护、锚喷支护以及平整壁面三种类型，并根据有关研究成果确定具体粗糙度参数[5-7]。

2.2 模拟结果

2.2.1 工字钢支护巷道

在工字钢支护巷道内给巷道施加不同的风速，从而可以获取不同测点位置的平均风速，具体测量结果见表图1。

图1 工字钢支护巷道风速分布情况

图1 给出的是巷道在不同施加风速时距离巷道壁不同距离处风速变化情况，从图中看出，在工字钢支护条件下随着测点与巷道壁距离的增加，测点风速呈现快速增加后增速趋缓趋势。

2.2.2 锚喷支护巷道

在锚喷支护巷道内给巷道施加不同的风速，从而可以获取不同测点位置的平均风速，具体测量结果见下页图2。

图2 锚喷支护巷道风速分布情况

从图2 看出，随着测点离开巷道壁测点风速变化形式呈现出快速增加后增加降低趋势。相对于采用工字钢支护巷道，锚喷支护巷道内测点平均风速在离开巷道壁位置处增加速度更快，在远离巷道壁位置处风速增加速度有所降低。工字钢支护、锚喷支护随着与巷道壁距离增加测点风速均逐渐趋于平稳。

2.2.3 平整壁面巷道

在井下有些巷道表面经过处理壁面较为平滑，此类巷道成为平整壁面巷道，采用模拟得出的不同施加风速下巷道内测点监测到风速变化情况见图3。

图3 平整壁面巷道风速分布情况

从图3 看出，随着测点与巷道壁距离增加，测点在紧贴巷道壁位置呈现出迅速增加趋势，后增加速度趋缓。相对于工字钢、锚喷支护巷道，平整壁面巷道内在靠近巷道壁位置测点风速增加速度更大，在远离壁面位置测点风速更早趋于平缓。

3 模拟获取数据分析

为了实现对3 种不同支护形式下的巷道内风速分布情况进行分析，文中将风速小于中心点风速80%的区域称之为低风速区，下文将重点对不同支护形势下的巷道低风速区分布进行探讨。

3.1 工字钢支护巷道低风速区分布分析

设定巷道中心点位置风速为v，低风速区边界为80%v，并对中心点风速80%时与巷道壁距离进行统计，具体结果见表1。

表1 工字钢支护巷道内低风速区分布情况

从表1 看出，随着巷道内风速增加，巷道内低风速区域的范围明显降低，风速0.79 m/s 时低风速区域边界为距离巷道壁93.84 cm，风速增加至4.97 m/s时低风速区域边界为距离巷道壁54.96 cm，因此，提高巷道内风速可以降低巷道周边低风速区域范围。

3.2 锚喷支护巷道低风速区分布分析

按照上述方法对锚喷支护时的巷道内低风速区域分布范围进行统计，具体结果见表2。

表2 锚喷支护巷道内低风速区分布情况

从表2 中看出，随着风速增加巷道内的低风速区范围有所降低，相对于工字钢支护，采用锚喷支护时巷道内风速接近时低风速区域范围明显降低，表明采用锚喷支护较工字钢支护可以明显降低巷道内低风速区范围。

3.3 平整巷道低风速区分布分析

对平整巷道内的低风速区分布范围进行统计，结果见表3。

表3 平整巷道内的低风速区分布情况

从表3 中看出，随着风速增加巷道内低风速区范围明显降低。平整巷道相对于工字钢、锚喷支护巷道而言，在风速接近情况下巷道内低风速区域最好，表明，巷道低风速区域与巷道壁表面粗糙度密切相关，巷道壁越平滑巷道内低风速区范围越小。

4 结论

1）在煤矿进行正常通风过程中，由于受到巷道壁影响，巷道内存在一定范围的低风速区，其范围大小会影响风排有毒有害气体的效果。采用模拟分析技术方法对工字钢支护、锚喷支护以及平整巷道内的低风速区分布进行分析，结果表明，巷道内风速最高区域分布在巷道中心部，巷道壁表面粗糙度越大风速分布越不均衡；随着风速增加，巷道内低风速区范围会有所降低，同时巷道壁越平滑巷道内低风速区范围越小。

2）在井下粉尘浓度或者瓦斯涌出量较高区域内，即便提供的风量满足相关规范要求，但是从防止瓦斯、粉尘聚集等方面考虑，可以适当地增加巷道内风速的同时有条件时可以采取平整巷道壁方式降低巷道表明粗糙度，从而降低低风速区范围。

（编辑：赵婧）