工作面U與U+L型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯風(fēng)排能力研究

李云龍

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦 ，山西 古交 030200）

0 引 言

我國各地區(qū)煤層地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，部分煤層中的瓦斯氣體含量較高，一般以吸附或游離狀態(tài)存在，氣體壓力最高達(dá)數(shù)十兆帕。一般情況下，煤層內(nèi)各部分壓力相互平衡，瓦斯氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會發(fā)生游移現(xiàn)象。但當(dāng)煤炭采挖過程對煤層和地下巖層結(jié)構(gòu)造成擾動時，內(nèi)部壓力平衡狀態(tài)被打破，瓦斯氣體自發(fā)向工作面和巷道等低壓位置移動聚集，從而對安全生產(chǎn)造成極大隱患。

良好的井下通風(fēng)系統(tǒng)可使瓦斯富集區(qū)的有害氣體按設(shè)定風(fēng)道排出，并為工作面提供新鮮的空氣，井下通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(shè)計是煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。近年來，我國各大煤礦的采掘深度和范圍都明顯增大，對相應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性和安全性要求越來越高[1-3]。傳統(tǒng)的U形通風(fēng)系統(tǒng)在此遇到嚴(yán)峻考驗，本文將重點對U+L型通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯風(fēng)排能力進(jìn)行研究，從而為通風(fēng)系統(tǒng)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 井下瓦斯來源

煤礦井下瓦斯來源主要包括三部分：采空區(qū)瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出、和落煤瓦斯涌出。其中，后兩部分的瓦斯?jié)舛群秃枯^小，一般無較大危害，且易于控制。而采空區(qū)瓦斯的形成因素較為復(fù)雜，包括多個來源，例如煤壁和圍巖內(nèi)的瓦斯涌出、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，這些位置的瓦斯?jié)舛群陀砍隽侩S回采推進(jìn)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)舛忍荻龋虼藢ぷ髅嫱咚節(jié)舛瓤刂朴绊戄^大[4,5]。

另外，工作面通風(fēng)系統(tǒng)造成工作面內(nèi)風(fēng)速加大，壓力減小，在壓差作用下，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯加速向工作面擴(kuò)散，加之通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計不合理，極易造成工作面局部區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

2 U型及U+L型通風(fēng)系統(tǒng)工作原理

2.1 U型通風(fēng)系統(tǒng)

U型通風(fēng)系統(tǒng)是低瓦斯風(fēng)險礦井中最為常見的一種通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要利用已有的材料巷、皮帶巷、工作面巷道等組成進(jìn)風(fēng)、通風(fēng)和回風(fēng)系統(tǒng)，從而通過不斷補(bǔ)充新鮮空氣和風(fēng)流，將工作面各處的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。由于這種結(jié)構(gòu)的巷道施工簡單、工程維護(hù)量小，且風(fēng)流穩(wěn)定，因此在我國各大煤礦均有廣泛應(yīng)用。但其缺點在于，一方面，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流在進(jìn)入工作面后，一部分漏入采空區(qū)內(nèi)，然后攜帶瓦斯氣體從工作面后部區(qū)域流出，增大了該區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋涣硪环矫妫L(fēng)流在回風(fēng)巷的上隅角處易產(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)系統(tǒng)顯然無法保證煤炭的安全生產(chǎn)。

圖1 U型通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 U+L型通風(fēng)系統(tǒng)

如圖2所示，U+L型通風(fēng)系統(tǒng)在原U型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過開設(shè)聯(lián)絡(luò)巷和尾巷，將原U型的“一進(jìn)一回”通風(fēng)結(jié)構(gòu)升級為由進(jìn)風(fēng)巷、工作面、回風(fēng)巷、尾巷和聯(lián)絡(luò)巷組成的“一進(jìn)兩回”式結(jié)構(gòu)。一般情況下，隨著工作面推進(jìn)，相距約40～70m的各聯(lián)絡(luò)巷在滯后工作面推進(jìn)位置依次打開，保證正常回風(fēng)。該種通風(fēng)結(jié)構(gòu)需要對采空區(qū)的尾巷和聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行一定程度維護(hù)，防止因塌落而堵塞尾巷回風(fēng)通道，因此其工程作業(yè)量相比U型巷道增大。但該種結(jié)構(gòu)巷道，其進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流一部分進(jìn)入采空區(qū)后，攜帶采空區(qū)瓦斯氣體由聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入尾巷，并且由工作面而來的風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷和尾巷后，造成兩巷負(fù)壓，加速了采空區(qū)瓦斯的排出；另一方面，回風(fēng)巷上隅角位置的風(fēng)流一部分經(jīng)臨時支護(hù)巷道和聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入尾巷，從而避免了該位置處渦流的出現(xiàn)，對解決回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}有積極作用。

圖2 U+L型通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 傳統(tǒng)U型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯風(fēng)排能力模擬

3.1 U型通風(fēng)系統(tǒng)建模

以山西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)系統(tǒng)數(shù)值模型。工作面采高為3.5m，有效控頂距為6.4m，長度250m；兩側(cè)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷斷面尺寸為3.5m×5m；后側(cè)采空區(qū)走向長度300m，傾向長度250m。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0.32、0.26、0.1，且不隨時間變化。另外，忽略通道內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備對氣流的影響。

3.2 U型通風(fēng)系統(tǒng)模擬結(jié)果

圖3 U型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D

圖3 為U型通風(fēng)系統(tǒng)中距底板3m高位置的瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D，可見在靠近進(jìn)風(fēng)巷的工作面和采空區(qū)的大部區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低，在1.0%以下，且越靠近進(jìn)風(fēng)巷，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍降停秶酱蟆５诨仫L(fēng)巷上隅角處，瓦斯?jié)舛燃眲∩撸霈F(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。

另外，通過流場分析可知，多數(shù)風(fēng)流可由主巷道進(jìn)入回風(fēng)巷，而在進(jìn)風(fēng)巷末端采空區(qū)區(qū)域，部分風(fēng)流漏入采空區(qū)內(nèi)部，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)流移動至回風(fēng)巷上隅角，造成該位置瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

由此可知，U型結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)確實可降低工作面和采空區(qū)一定范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋浠仫L(fēng)巷上隅角位置的瓦斯超限問題仍待解決。

4 U+L型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯風(fēng)排能力模擬

圖4為U+L型通風(fēng)系統(tǒng)中距底板3m高位置的瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D，可見回風(fēng)巷上隅角30-40范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛让黠@降低，采空區(qū)攜帶有較高濃度瓦斯氣體的風(fēng)流可由尾巷排出，有效避免了上隅角瓦斯聚集現(xiàn)象。

圖4 U+L型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯?jié)舛确植记衅瑘D

另外，流場分析可知，在增加聯(lián)絡(luò)巷和尾巷結(jié)構(gòu)后，在靠近回風(fēng)巷上隅角位置的流場形狀發(fā)生明顯變化，部分風(fēng)流在漏入采空區(qū)后，經(jīng)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入尾巷，并排出。少部分風(fēng)流仍從采空區(qū)流回工作面，但所攜帶瓦斯?jié)舛容^低，且不會在風(fēng)力較弱的回風(fēng)巷上隅角聚集。

由此可知，U+L型通風(fēng)系統(tǒng)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)舛龋啾萓系統(tǒng)更加適合于偏高濃度瓦斯礦井的生產(chǎn)。

5 井下通風(fēng)系統(tǒng)的合理選擇

分析可知，傳統(tǒng)U型通風(fēng)系統(tǒng)雖施工簡單，但其缺點在于回風(fēng)巷上隅角的瓦斯?jié)舛绕撸子|發(fā)報警，而U+L型結(jié)構(gòu)可較好地解決這一問題，因此，對于瓦斯風(fēng)險等級較高的礦井，適宜采用U+L型通風(fēng)系統(tǒng)。但不容忽視的是，U+L型巷道結(jié)構(gòu)增加了維護(hù)作業(yè)量，采掘成本提高，因此還應(yīng)綜合考慮。例如，為解決一般性回風(fēng)巷上隅角瓦斯?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(jìn)行瓦斯抽排，以降低維護(hù)作業(yè)成本。

6 結(jié) 論

井下通風(fēng)系統(tǒng)的合理設(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)系統(tǒng)存在的回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛绕邌栴}，本文首先分析了兩種通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后分別利用FLUENT軟件模擬了兩種通風(fēng)結(jié)構(gòu)下的流場分布及瓦斯?jié)舛确植记闆r，結(jié)果表明U+L型系統(tǒng)可顯著降低回風(fēng)巷上隅角的瓦斯?jié)舛龋洹耙贿M(jìn)兩回”式通風(fēng)結(jié)構(gòu)更利于工作面的通風(fēng)，但在井下通風(fēng)系統(tǒng)選擇過程中，還應(yīng)從維護(hù)成本等角度考慮，選用適宜的瓦斯排除方式。