工作面U與U+L型通風系統瓦斯風排能力研究

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

我國各地區煤層地質賦存條件復雜，部分煤層中的瓦斯氣體含量較高，一般以吸附或游離狀態存在，氣體壓力最高達數十兆帕。一般情況下，煤層內各部分壓力相互平衡，瓦斯氣體處于靜止狀態，不會發生游移現象。但當煤炭采挖過程對煤層和地下巖層結構造成擾動時，內部壓力平衡狀態被打破，瓦斯氣體自發向工作面和巷道等低壓位置移動聚集，從而對安全生產造成極大隱患。

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

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，后兩部分的瓦斯濃度和含量較小，一般無較大危害，且易于控制。而采空區瓦斯的形成因素較為復雜，包括多個來源，例如煤壁和圍巖內的瓦斯涌出、采空區內頂煤墜落瓦斯涌出、采空區頂部或底部巖層內瓦斯涌出，這些位置的瓦斯濃度和涌出量隨回采推進和頂板垮落而不斷變化，容易出現較大波動，并在采空區和工作面之間形成較大的瓦斯濃度梯度，因此對工作面瓦斯濃度控制影響較大[4,5]。

另外，工作面通風系統造成工作面內風速加大，壓力減小，在壓差作用下，采空區內的瓦斯加速向工作面擴散，加之通風系統設計不合理，極易造成工作面局部區域瓦斯濃度超限。

2 U型及U+L型通風系統工作原理

2.1 U型通風系統

U型通風系統是低瓦斯風險礦井中最為常見的一種通風結構，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風、通風和回風系統，從而通過不斷補充新鮮空氣和風流，將工作面各處的瓦斯濃度控制在安全范圍內。由于這種結構的巷道施工簡單、工程維護量小，且風流穩定，因此在我國各大煤礦均有廣泛應用。但其缺點在于，一方面，進風巷風流在進入工作面后，一部分漏入采空區內，然后攜帶瓦斯氣體從工作面后部區域流出，增大了該區域的瓦斯濃度；另一方面，風流在回風巷的上隅角處易產生渦流，從而使該位置通風不暢，瓦斯在此聚集。對于瓦斯濃度偏高或濃度變化較大的工作面，采用U型通風系統顯然無法保證煤炭的安全生產。

圖1 U型通風系統結構

2.2 U+L型通風系統

如圖2所示，U+L型通風系統在原U型結構基礎上，通過開設聯絡巷和尾巷，將原U型的“一進一回”通風結構升級為由進風巷、工作面、回風巷、尾巷和聯絡巷組成的“一進兩回”式結構。一般情況下，隨著工作面推進，相距約40～70m的各聯絡巷在滯后工作面推進位置依次打開，保證正常回風。該種通風結構需要對采空區的尾巷和聯絡巷進行一定程度維護，防止因塌落而堵塞尾巷回風通道，因此其工程作業量相比U型巷道增大。但該種結構巷道，其進風巷的風流一部分進入采空區后，攜帶采空區瓦斯氣體由聯絡巷進入尾巷，并且由工作面而來的風流進入回風巷和尾巷后，造成兩巷負壓，加速了采空區瓦斯的排出；另一方面，回風巷上隅角位置的風流一部分經臨時支護巷道和聯絡巷進入尾巷，從而避免了該位置處渦流的出現，對解決回風巷上隅角瓦斯濃度超限問題有積極作用。

圖2 U+L型通風系統結構

3 傳統U型通風系統瓦斯風排能力模擬

3.1 U型通風系統建模

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型通風系統數值模型。工作面采高為3.5m，有效控頂距為6.4m，長度250m；兩側進風巷和回風巷斷面尺寸為3.5m×5m；后側采空區走向長度300m，傾向長度250m。假設采空區為非均勻多孔介質，自然堆積區、載荷影響區和壓實穩定區的孔隙率分別為0.32、0.26、0.1，且不隨時間變化。另外，忽略通道內各種機械設備對氣流的影響。

3.2 U型通風系統模擬結果

圖3 U型通風系統瓦斯濃度分布切片圖

圖3 為U型通風系統中距底板3m高位置的瓦斯濃度分布切片圖，可見在靠近進風巷的工作面和采空區的大部區域瓦斯濃度較低，在1.0%以下，且越靠近進風巷，采空區瓦斯濃度越低，范圍越大。但在回風巷上隅角處，瓦斯濃度急劇升高，出現瓦斯聚集現象，增大了該位置采空區發生瓦斯爆炸的風險。

另外，通過流場分析可知，多數風流可由主巷道進入回風巷，而在進風巷末端采空區區域，部分風流漏入采空區內部，形成流線稀疏的拋物線狀風流，其形成原因是采空區深部的壓力增大，孔隙率降低，因此風流受到的阻力增大，因此逐漸發生轉向，并在回風巷一側負壓作用下，攜帶采空區瓦斯氣體的風流移動至回風巷上隅角，造成該位置瓦斯濃度升高。

由此可知，U型結構通風系統確實可降低工作面和采空區一定范圍內的瓦斯濃度，但其回風巷上隅角位置的瓦斯超限問題仍待解決。

4 U+L型通風系統瓦斯風排能力模擬

圖4為U+L型通風系統中距底板3m高位置的瓦斯濃度分布切片圖，可見回風巷上隅角30-40范圍內的瓦斯濃度明顯降低，采空區攜帶有較高濃度瓦斯氣體的風流可由尾巷排出，有效避免了上隅角瓦斯聚集現象。

圖4 U+L型通風系統瓦斯濃度分布切片圖

另外，流場分析可知，在增加聯絡巷和尾巷結構后，在靠近回風巷上隅角位置的流場形狀發生明顯變化，部分風流在漏入采空區后，經聯絡巷進入尾巷，并排出。少部分風流仍從采空區流回工作面，但所攜帶瓦斯濃度較低，且不會在風力較弱的回風巷上隅角聚集。

由此可知，U+L型通風系統的流場結構更利于工作面和采空區瓦斯氣體的排出，以降低瓦斯濃度，相比U系統更加適合于偏高濃度瓦斯礦井的生產。

5 井下通風系統的合理選擇

分析可知，傳統U型通風系統雖施工簡單，但其缺點在于回風巷上隅角的瓦斯濃度偏高，易觸發報警，而U+L型結構可較好地解決這一問題，因此，對于瓦斯風險等級較高的礦井，適宜采用U+L型通風系統。但不容忽視的是，U+L型巷道結構增加了維護作業量，采掘成本提高，因此還應綜合考慮。例如，為解決一般性回風巷上隅角瓦斯濃度偏高問題，可以嘗試在U型通風結構基礎上，采用高位鉆孔或低位布管等方式，對正對回風巷的采空區進行瓦斯抽排，以降低維護作業成本。

6 結 論

井下通風系統的合理設計是煤礦安全生產的重要基礎，為解決傳統U型通風系統存在的回風巷上隅角瓦斯濃度偏高問題，本文首先分析了兩種通風系統的結構和工作原理，然后分別利用FLUENT軟件模擬了兩種通風結構下的流場分布及瓦斯濃度分布情況，結果表明U+L型系統可顯著降低回風巷上隅角的瓦斯濃度，其“一進兩回”式通風結構更利于工作面的通風，但在井下通風系統選擇過程中，還應從維護成本等角度考慮，選用適宜的瓦斯排除方式。