“U+L”型和“Y”型通風(fēng)方式治理瓦斯效果對比分析研究

李慶源，劉 洋，李進鵬，吳世躍

（1.華晉焦煤公司，山西 離石 033000；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

“U+L”型和“Y”型通風(fēng)方式治理瓦斯效果對比分析研究

李慶源1，劉 洋2，李進鵬1，吳世躍2

（1.華晉焦煤公司，山西 離石 033000；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

通過對綜采面“U+L”型及“Y”型通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進行理論、數(shù)值模擬對比分析，并結(jié)合沙曲礦24202綜采面前期“U+L”型通風(fēng)及后期沿空留巷“Y”型通風(fēng)條件下瓦斯治理效果，闡述了采用“Y”型通風(fēng)進行瓦斯治理的優(yōu)越性，最后結(jié)合礦井生產(chǎn)的實際情況提出了今后的改進意見。

通風(fēng)系統(tǒng)；瓦斯治理；沿空留巷

回采工作面通風(fēng)方式對采空區(qū)瓦斯涌出治理具有重要影響。傳統(tǒng)的“U”型通風(fēng)，因其系統(tǒng)簡單而風(fēng)靡一時，但其只有一個回風(fēng)通道，漏風(fēng)流場將近采空區(qū)瓦斯攜帶到工作面出風(fēng)口，致使上隅角瓦斯積聚超限現(xiàn)象嚴(yán)重。為了解決回風(fēng)隅角問題，人們又提出了“Y”型、“H”型、“U+I”型、“U+L”型等多種通風(fēng)方式。目前，雖然“U+L”型已被大范圍推廣應(yīng)用，但“Y”型通風(fēng)因其強大的排瓦斯能力，再次受到人們的青睞。本文就這兩種通風(fēng)系統(tǒng)在使用中工作面及采空區(qū)瓦斯流動分布規(guī)律、瓦斯治理能力做出詳細(xì)的對比分析，闡述了在實際工程應(yīng)用中“Y”型通風(fēng)的優(yōu)越性，最后就該通風(fēng)方式存在的問題及改進意見做出探討。

1 兩種通風(fēng)方式的工作原理

1.1“U+L”型通風(fēng)瓦斯排放原理

為了解決回風(fēng)隅角問題，相關(guān)學(xué)者探討采用“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)[1.2]，實質(zhì)是對“U”型通風(fēng)系統(tǒng)的一種改進：即將原“U”型通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)巷改為進風(fēng)巷，在其外側(cè)另布置一條巷道作回風(fēng)巷，在綜放工作面回風(fēng)上隅角以打木垛的方式臨時沿空留巷，回風(fēng)巷通過排瓦斯橫貫與沿空留巷連通。工作面上下風(fēng)巷同時進風(fēng)，漏風(fēng)向工作面后方排瓦斯橫貫移動，最終將流經(jīng)區(qū)域內(nèi)的瓦斯排入回風(fēng)巷內(nèi)。

1.2“Y”型通風(fēng)瓦斯排放原理

“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)也可以說是“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)的改進：采取工作面的上、下巷同時進風(fēng)，并對副進風(fēng)巷在采空區(qū)的部分在覆巖未垮落之前進行材料填充，維護出一條巷道來作為回風(fēng)巷，利用工作面漏風(fēng)將瓦斯帶入采空區(qū)深部的沿空留巷處。

2 兩種通風(fēng)方式下瓦斯治理效果比較

2.1 理論對比分析

大量研究表明,由于采用冒落法管理頂板，煤層開采后，在采空區(qū)頂板巖層形成卸壓區(qū)，卸壓瓦斯在多孔介質(zhì)中的流動服從達(dá)西定律。裂隙帶的形成，會促使煤體的滲透率迅速增大，使得煤體內(nèi)卸壓解吸的瓦斯運移速度加快。從鄰近層涌出的瓦斯大部分滲流到采空區(qū)，使得采空區(qū)瓦斯在空間上存在壓力差，這樣就會導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯涌向工作面附近，直至壓力平衡。在相同的工作面使用不同的通風(fēng)系統(tǒng)，由于向采空區(qū)漏風(fēng)程度及漏風(fēng)流線不同，會使得壓力平衡點向采空區(qū)內(nèi)部不同程度的移動，致使瓦斯在采空區(qū)內(nèi)運移規(guī)律、各點積聚程度以及涌向工作面的瓦斯量具有很大差異：

（1）對于“U+L”型通風(fēng)，該通風(fēng)方式上下風(fēng)巷同時進風(fēng)，但由于出瓦斯橫貫距工作面較近，使得采空區(qū)最低負(fù)壓點也靠近工作面。在采空區(qū)鄰近關(guān)鍵層斷裂時，瓦斯涌出量會突然增加，極容易造成上隅角及出瓦斯橫貫處瓦斯超限。

（2）對于“Y”型通風(fēng)，其出瓦斯口在切眼處，采空區(qū)最低負(fù)壓點在采空區(qū)最底部。在壓差的作用下，一方面會促使漏風(fēng)風(fēng)流深入到采空區(qū)深部，將流經(jīng)區(qū)域的瓦斯帶到沿空留巷附近；另一方面也促使深部采空區(qū)涌出的瓦斯具有總體向底部出瓦斯口流動的趨勢。從而降低了工作面瓦斯?jié)舛龋苊饬松嫌缃峭咚狗e聚超限的現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值模擬對比分析

本文利用Fluent軟件，參照相關(guān)學(xué)者對礦井采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的研究成果[3]，對同一工作面在同樣條件下使用“U+L”、“Y”型通風(fēng)方式時采空區(qū)瓦斯分布情況進行了數(shù)值模擬。建模的坐標(biāo)原點為模擬主進風(fēng)巷矩形的中心點，X軸沿著推進方向，長度300m，Y軸沿著工作面方向長度200m。上下進風(fēng)口寬度4m，邊界類型設(shè)為Velocity Inlet，進風(fēng)速度分別為0.34m/s、2.56m/s。沿空留巷寬度3m，填充墻寬度3m，工作面支架部分寬度2m，填充墻及工作面支架邊界條件均設(shè)置為Porous Jump。回風(fēng)出口邊界設(shè)為Outflow，其他壁面邊界條件均設(shè)置為Wall。根據(jù)礦井覆巖巖性，將采空區(qū)滲透率按“O”型連續(xù)分布處理條件下[4]，模擬結(jié)果，見圖 1、2。

圖1“U+L”型通風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊戎稻€圖

對比圖1、2可以看出：在采空區(qū)瓦斯涌出強度和有效控制采空區(qū)漏風(fēng)等條件相同的情況下，“U+L”型與“Y”型通風(fēng)相比，采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律差異較大。沿工作面寬度方向，前者工作面瓦斯?jié)舛仍黾铀俣瓤欤艺w瓦斯?jié)舛容^高。在工作面上隅角處，前者瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.6%而后者卻維持在0.54%以下。沿工作面推進方向，整體來看“U+L”型通風(fēng)濃度變化梯度偏大，采空區(qū)內(nèi)距工作面40m處，瓦斯?jié)舛然旧显?.8%以上，回風(fēng)巷在0.56%左右。距工作面60m左右，由于受漏風(fēng)影響較小，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.9%以上。而對于“Y”型通風(fēng)，采空區(qū)漏風(fēng)控制面積較大，在距離工作面40m處瓦斯?jié)舛热栽?.72%以下，回風(fēng)巷在0.52%左右，在距離工作面180m左右瓦斯?jié)舛炔胚_(dá)到極限值。另外，在“U+L”型通風(fēng)出瓦斯橫貫口處瓦斯積聚較為嚴(yán)重，距離貫口以內(nèi)6m左右瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)0.94%左右，存在著極大的安全隱患。由此可見在高瓦斯礦井使用“Y”型通風(fēng)具有更強的瓦斯治理能力。

2.3 實際工程對比分析

沙曲礦為典型的高瓦斯且具有煤與瓦斯突出危險的礦井，24202工作面位于該礦4號煤層，工作面可采長度為1030m，工作面寬210m，其上下鄰近層自上而下為2號煤、3號煤及5號煤，煤層層間距均小于10m，且瓦斯含量大，其中4號煤層原始瓦斯含量為6.91m3/t～14.52m3/t，其上下鄰近層原始瓦斯含量亦在8m3/t以上。

24202工作面初期采用兩進一回的“U+L”型通風(fēng)方式，軌道巷為主要進風(fēng)巷進風(fēng)量為2460m3/min，膠帶巷和補軌道巷配一定沖洗風(fēng)，進風(fēng)量分別為為320m3/min、450m3/min，工作面風(fēng)流和膠帶巷沖洗風(fēng)匯合后流經(jīng)回風(fēng)橫貫進入尾巷。雖然工作面總用風(fēng)在3230m3/min左右，但工作面及回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冉?jīng)常達(dá)到臨界狀態(tài)。在2009年的2月份至8月份期間，瓦斯超限現(xiàn)象時有發(fā)生。

工作面自2009年9月22日改用“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，軌道巷為主要進風(fēng)，膠帶巷配一定量的沖洗風(fēng)，工作面風(fēng)流和膠帶巷沖洗風(fēng)匯合后流經(jīng)沿空留巷、橫貫進入回風(fēng)巷。其中軌道巷進風(fēng)量為2408m3/min，膠帶巷進風(fēng)量為525m3/min，總風(fēng)量2933m3/min。24202工作面采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)方式后月產(chǎn)量與平均瓦斯瓦斯?jié)舛茸兓绫?所示。

表1 24202工作面使用“Y”型通風(fēng)前后月產(chǎn)量與平均瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

從表1中可以看出：從9月22日形成沿空留巷后，工作面及回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛扔忻黠@的下將趨勢，工作面回風(fēng)流中的平均瓦斯?jié)舛葟?009年6月份的0.77%下降到2009年12月份的0.47%，平均保持在0.5%上下。2010年生產(chǎn)面基本解決瓦斯積聚超限現(xiàn)象。后期工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛扔兴仙且虻V井對北翼抽采系統(tǒng)進行調(diào)整，該面的抽采能力不穩(wěn)定所致。總體來看，24202工作面使用“Y”型通風(fēng)解決了采面以及上隅角瓦斯超限問題，工作面月產(chǎn)量明顯增加，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

3 Y型通風(fēng)的優(yōu)點及改進意見

3.1 工程應(yīng)用中“Y”通風(fēng)的優(yōu)點

“Y”型通風(fēng)不需要留橫貫，通過改變工作面通風(fēng)線路及采空區(qū)瓦斯運移線路，增大了風(fēng)排瓦斯量，消除了工作面上隅角瓦斯超限隱患;沿空填充留巷技術(shù)，大量減少了掘進量，省去了大量準(zhǔn)備新工作面的時間，有效解決了生產(chǎn)銜接緊張問題;采用無煤柱回采技術(shù)，相比之下大大提高了煤炭資源的回收率，同時降低了煤層自然發(fā)火的可能性。

3.2 改進意見

根據(jù)開采工作面瓦斯涌出量規(guī)律、采空區(qū)的漏風(fēng)率、工作面瓦斯允許濃度等參數(shù)，合理設(shè)置主、副進風(fēng)巷的配風(fēng)比[5]，在滿足工作面通風(fēng)需求情況下盡可能減小通風(fēng)量；留巷充填體、留巷內(nèi)原支護和后期支護必須滿足足夠的強度以保證留巷通風(fēng)斷面；為了防止沿空留巷瓦斯?jié)舛冗^高，墻體成型后要及時噴射混凝土對墻體進行封閉，確保嚴(yán)密不漏風(fēng)、不漏瓦斯。

4 結(jié)論

雖然“U+L”型通風(fēng)設(shè)有專用回風(fēng)巷，便于布置瓦斯抽放系統(tǒng)，但上隅角瓦斯超限時有發(fā)生。采用“Y”通風(fēng)，通過合理的配風(fēng)方法可以有效的解決上隅角瓦斯問題，消除瓦斯超限隱患。另外，“Y”通風(fēng)方式不僅減少了巷道掘進量，而且提高了資源回收率。對于高瓦斯礦井，“Y”通風(fēng)治理瓦斯具有一定的優(yōu)越性。因此，當(dāng)“U”型通風(fēng)不能滿足瓦斯治理要求時，應(yīng)根據(jù)回采工藝條件優(yōu)先選用“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)。

[1]高貴祥.“U+L”型通風(fēng)治理回采工作面上隅角瓦斯[J].煤礦安全,2009(12):37-40.

[2] 宋俊杰.類Y型通風(fēng)方式在突出礦井中的應(yīng)用分析[J].煤炭工程，2005:29-30.

[3] 胡千庭.采空區(qū)瓦斯流動規(guī)律的CFD模擬[J].煤炭學(xué)報，2007(7):719-723.

[4] 高建良,劉佳佳,張學(xué)博.采空區(qū)滲透率對瓦斯運移影響的模擬研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2010(9):9-13.

[5]吳世躍,郭勇義.“Y”型通風(fēng)方式治理高產(chǎn)綜采面瓦斯的研究[J].西安科技學(xué)院學(xué)報2001(9):205-207.

Comparative Analysis on Gas Control Effect of U+L Ventilation and Y Ventilation

LI Qing-yuan1,LIU Yang2,LI Jin-peng1,WU Shi-yue2
(1.Huajin Coking Coal Corporation,Lishi Shanxi 033000;2.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

In themined-out areas,theoretical and numerical simulation comparative analysis on gas flow law with U+L ventilation and Y ventilation are conducted.The Y ventilation benefits are indicated by gas control effect comparison of U+L ventilation of fully-mechanizedmining face in the early stage and Y ventilation of gob-side entry retaining in the later stage of No.24202Shaqumine.Finally,combined with the actual situation,the suggestions for future are presented.

ventilation system;gas control;gob-side entry retaining

TD725

A

1672-5050（2012）08-0044-03

2012-04-02

李慶源（1960—），男，山東歷城人，專科，通風(fēng)安全工程師，從事礦山通風(fēng)安全工作。

徐樹文