工作面U型與Y型通風(fēng)方式風(fēng)排瓦斯能力探討

王子龍

（山西西山煤電晉興能源有限公司，山西 太原 030052）

合理的礦井通風(fēng)方式設(shè)計是煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前我國各大煤礦工作面的采掘深度和范圍都明顯增大，對相應(yīng)通風(fēng)方式的可靠性和安全性要求越來越高［1-3］。西山煤電晉興能源有限公司23107綜采工作面采用傳統(tǒng)的U形通風(fēng)方式，但在實際生產(chǎn)中，工作面回風(fēng)隅角在部分生產(chǎn)時段的瓦斯?jié)舛榷啻谓咏R界報警值0.8%，對安全穩(wěn)定生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。針對這一問題，本文將重點對工作面U型及Y型通風(fēng)方式的瓦斯風(fēng)排能力進行探討，從而為通風(fēng)方式的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 工作面瓦斯來源

圖1中井下工作面瓦斯來源可分為三部分：采落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯涌出。其中，前兩者一般濃度較小，涌出量有限，因此易于控制。而采空區(qū)瓦斯涌出成因復(fù)雜，可分為三個方面：采空區(qū)內(nèi)煤壁及圍巖瓦斯涌出、采空區(qū)內(nèi)頂煤墜落瓦斯涌出、采空區(qū)頂部或底部巖層內(nèi)瓦斯涌出，這三部分的瓦斯?jié)舛群陀砍隽侩S回采推進和頂板垮落而不斷變化，容易出現(xiàn)較大波動，并在采空區(qū)和工作面之間形成較大的瓦斯?jié)舛忍荻?，因此對工作面瓦斯?jié)舛瓤刂朴绊戄^大［4-5］。

圖1 工作面瓦斯來源

2 工作面U型及Y型通風(fēng)工作原理

2.1 U型通風(fēng)方式

工作面U型通風(fēng)方式在煤礦應(yīng)用最為廣泛，見圖2。通過不斷補充新鮮風(fēng)流，將工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。這種通風(fēng)方式巷道工程維護量小，風(fēng)流穩(wěn)定。缺點是，一方面，新鮮風(fēng)流進入工作面后，一部分漏入采空區(qū)，然后攜帶瓦斯氣體從工作面回風(fēng)區(qū)域流出，增大了該區(qū)域的瓦斯?jié)舛?；另一方面，風(fēng)流在回風(fēng)巷的回風(fēng)隅角處易產(chǎn)生渦流，從而使該位置通風(fēng)不暢，瓦斯在此聚集。對于瓦斯?jié)舛绕呋驖舛茸兓^大的工作面，采用U型通風(fēng)方式顯然無法保證煤炭的安全生產(chǎn)。

圖2 U型通風(fēng)方式結(jié)構(gòu)

2.2 Y型通風(fēng)方式

圖3 中Y型通風(fēng)方式是在原U型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過沿空留巷將原運輸巷保留作為回風(fēng)巷道，將原U型的“一進一回”通風(fēng)結(jié)構(gòu)升級為由主進風(fēng)巷、副進風(fēng)巷和回風(fēng)巷組成的“兩進一回”式結(jié)構(gòu)。該種通風(fēng)方式在一定程度上加大了巷道維護作業(yè)量，但兩條進風(fēng)巷保證了工作面的新鮮風(fēng)流供應(yīng)，且避免了單一巷道大量進風(fēng)造成的工作面揚塵現(xiàn)象，為機械和人員操作提供了良好環(huán)境。另一方面，Y型通風(fēng)方式保證了巷道和工作面各處的風(fēng)量供給均勻，不會在巷道局部形成渦流和弱風(fēng)力區(qū)，因此對解決工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}有積極作用。

圖3 Y型通風(fēng)方式結(jié)構(gòu)

3 傳統(tǒng)U型通風(fēng)方式風(fēng)排瓦斯能力模擬

3.1 U型通風(fēng)方式建模

以西山煤電晉興能源有限公司23107綜采工作面為例，在FLUENT軟件中建立其U型通風(fēng)方式數(shù)值模型。工作面走向長度為560 m，傾向長度260 m，采高為3.6 m，有效控頂距為6.5 m；兩側(cè)進風(fēng)巷和回風(fēng)巷斷面尺寸為3.5 m×5 m。采空區(qū)長度300 m，假設(shè)采空區(qū)為非均勻多孔介質(zhì)，自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū)的孔隙率分別為0.31、0.24、0.09，且不隨時間變化。 另外，忽略通道內(nèi)各種機械設(shè)備對氣流的影響。

3.2 U型通風(fēng)方式模擬結(jié)果

圖4 U型通風(fēng)方式流場分布

圖4 為U型通風(fēng)方式下模擬得到的流場分布圖，可見工作面巷道內(nèi)的流線分布最為集中，表明多數(shù)分流可由工作面進入回風(fēng)巷，為工作面提供新鮮空氣。而在工作面末端采空區(qū)區(qū)域，部分風(fēng)流漏入采空區(qū)，形成流線稀疏的拋物線狀風(fēng)流，其形成原因是采空區(qū)深部的壓力增大，孔隙率降低，因此風(fēng)流受到的阻力增大，因此逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)向，并在回風(fēng)巷一側(cè)負(fù)壓作用下，攜帶采空區(qū)瓦斯氣體的風(fēng)流移動至工作面回風(fēng)隅角，造成該位置瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

圖5 U型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植记衅?/p>

由于瓦斯密度較小，故巷道及采空區(qū)上部空間瓦斯?jié)舛容^高，因此選擇接近且平行于頂板的剖切面瓦斯?jié)舛冗M行研究。圖5為U型通風(fēng)方式中距頂板0.5 m高位置的瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D，可見在靠近進風(fēng)巷的工作面和采空區(qū)的大部區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低，且越靠近進風(fēng)巷，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍降停秶酱?。但在工作面回風(fēng)隅角處，瓦斯?jié)舛燃眲∩?，接?%，出現(xiàn)瓦斯聚集現(xiàn)象，增大了該位置采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸的風(fēng)險。

由此可知，U型結(jié)構(gòu)通風(fēng)方式確實可降低工作面和采空區(qū)一定范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，但其工作面回風(fēng)隅角位置的瓦斯風(fēng)險仍較高，在風(fēng)量供給波動或其它不利因素影響下，回風(fēng)隅角對應(yīng)采空區(qū)的高濃度瓦斯擴散進入工作面，從而引起瓦斯?jié)舛瘸迗缶?，停電停產(chǎn)。因此，有必要通過改變本文所述23107綜采工作面的通風(fēng)方式，來提高其生產(chǎn)過程的安全性和穩(wěn)定性。

4 Y型通風(fēng)方式瓦斯風(fēng)排能力模擬

圖6 Y型通風(fēng)方式流場分布

圖6 為Y型通風(fēng)方式的流場分布圖，可見通過沿空留巷形成后部回風(fēng)巷后，流場流線結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。在工作面全長上均有來自主進風(fēng)巷的風(fēng)流漏入采空區(qū)內(nèi)，這部分風(fēng)流攜帶采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體進入回風(fēng)巷。同時，來自主進風(fēng)巷的剩余風(fēng)流與副進風(fēng)巷的風(fēng)流匯合后進入回風(fēng)巷，并在回風(fēng)巷內(nèi)形成負(fù)壓，加速采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體的排出。另外，這種“兩進一回”的通風(fēng)結(jié)構(gòu)使回風(fēng)巷內(nèi)的質(zhì)量流速更大，更利于巷道內(nèi)瓦斯的快速排出。因此可知，Y型通風(fēng)方式的流場結(jié)構(gòu)更利于工作面和采空區(qū)瓦斯氣體的排出，以降低瓦斯?jié)舛取?/p>

圖7 Y型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植记衅?/p>

圖7 為Y型通風(fēng)方式中距頂板0.5 m高位置的瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D，可見在工作面后側(cè)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體濃度從前向后呈較為明顯的梯度分布，比U型通風(fēng)方式對應(yīng)濃度分布更加合理。同時，工作面回風(fēng)隅角、及回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫蔡幱谳^低水平，在0.1%～0.2%之間，遠低于U型結(jié)構(gòu)對應(yīng)濃度，有效避免了回風(fēng)隅角瓦斯聚集現(xiàn)象，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。因此Y型系統(tǒng)相比U系統(tǒng)更加適合于偏高濃度瓦斯礦井的生產(chǎn)。

5 井下通風(fēng)方式的合理選擇

由上分析可知，傳統(tǒng)U型通風(fēng)方式容易出現(xiàn)工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瘸?，而Y型結(jié)構(gòu)可較好地解決這一問題，因此在瓦斯風(fēng)險較高的礦井中適宜采用Y型通風(fēng)方式。但不容忽視的是，Y型巷道結(jié)構(gòu)增加了沿空留巷的維護作業(yè)量，采掘成本提高，因此應(yīng)綜合考慮。例如，為解決一般性工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕邌栴}，可以嘗試在U型通風(fēng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用高位鉆孔或低位布管等方式，對正對回風(fēng)巷的采空區(qū)進行瓦斯抽排，以降低維護作業(yè)成本。

西山煤電晉興能源有限公司23107綜采工作面，在傳統(tǒng)U形通風(fēng)方式出現(xiàn)工作面回風(fēng)隅角瓦斯聚集超限情況后，一方面嘗試增加配風(fēng)量，但工作面揚塵嚴(yán)重；另一方面，采用了低位布管的方式進行抽排，但效果不甚明顯。因此，在研究當(dāng)前皮帶巷（回風(fēng)巷）實際支護及頂板情況后，提出可通過沿空留巷方法，將當(dāng)前通風(fēng)方式改造為Y型。另外，通過本文模擬可知，通過Y型通風(fēng)形式的改造，預(yù)計可將回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛扔赡M濃度1%降低至0.1%～0.2%之間，效果顯著。

6 結(jié)語

合理的井下通風(fēng)方式設(shè)計是煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，為解決傳統(tǒng)U型通風(fēng)方式存在的工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕邌栴}，本文結(jié)合西山煤電晉興能源有限公司23107綜采工作面實際情況，首先分析了工作面U型和Y型通風(fēng)方式的工作原理，然后分別利用FLUENT軟件模擬了兩種通風(fēng)方式的流場分布及瓦斯?jié)舛确植记闆r，結(jié)果表明Y型結(jié)構(gòu)可顯著降低工作面回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛?，其“兩進一回”式通風(fēng)方式更利于工作面的通風(fēng)，但在井下通風(fēng)方式選擇過程中，還應(yīng)從維護成本等角度考慮，選用適宜的瓦斯排除方式。