魏秉生

(山西焦煤集團 西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

·試驗研究·

W型和U型兩種通風方式優(yōu)缺點研究與應用

魏秉生

(山西焦煤集團 西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

高河煤礦為高瓦斯礦井，為解決綜采工作面回采過程中瓦斯治理難題，提出采用W型通風方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“U型+高抽巷”的通風方式，并通過理論分析和數(shù)值模擬對兩種不同的通風方式進行對比研究。結果表明：W型通風能夠有效減小工作面漏風量和通風阻力，且有效控制了瓦斯抽采的成本。研究成果在S5101工作面得以應用，為高瓦斯礦井綜采工作面實現(xiàn)通風和抽采提供了借鑒。

高瓦斯礦井；瓦斯；U型通風；W型通風；漏風影響帶；上、下分層順層鉆孔

潞安高河礦區(qū)為高瓦斯礦井，自2006年試生產以來瓦斯涌出量逐年增大，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面風排瓦斯量的平均比例為17.24%～25.86%，可見工作面回采時瓦斯治理問題至關重要。

隨著礦井開拓水平的不斷延伸，掘進巷道長度不斷增加，單U型回采工作面瓦斯問題日益突出，尤其以U型工作面上隅角瓦斯治理問題最為嚴重。目前高河礦所有的綜采工作面均采用U型通風方式，該方式的明顯缺點便是上隅角瓦斯難以治理。針對該現(xiàn)狀，先后采取了氣相壓裂增透、地面抽采井抽采、高抽巷抽采、采空區(qū)埋管抽采等多種瓦斯治理方式，但仍存在許多不足。

1 綜采工作面通風方式概況

高河礦傳統(tǒng)的“U+高抽巷”通風方式，自2014年3月以來，在多個綜采工作面得以推廣應用，例如：N1102工作面回采至N1102高抽巷停頭位置，N1102工作面甩開外圈大U巷道，由高抽巷配合試驗U型通風方式；8月S2107工作面開始回采，瓦斯治理方式為“U+高抽巷”，隨后陸續(xù)有多個U型工作面投入生產。2016年5月，綜采工作面通風方式全部改為U型通風?！癠+高抽巷”雖然在高河礦得到推廣，但也存在一系列缺點，如上隅角渦流不可能完全消失、工作面生產環(huán)境較差、采空區(qū)漏風較大、兩條煤巷布置方式不利于瓦斯抽采等。

針對高河礦傳統(tǒng)的“U+高抽巷”通風方式存在的諸多問題，提出了采用W型通風方式對通風問題進行優(yōu)化。W型通風方式是綜采面上中下布置3條巷道，中間巷道進風或回風，即一進兩回或兩進一回，該通風方式通風阻力小，采空區(qū)漏風量小，可減小工作面采空區(qū)瓦斯涌出量，消除傳統(tǒng)意義的上隅角。兩種通風方式見圖1.

2 兩種通風方式理論分析

綜采工作面采空區(qū)內瓦斯的賦存狀態(tài)可劃分為三帶：漏風影響帶、瓦斯滯留帶及壓實積聚帶。其中，漏風影響帶受切眼漏風的影響，攜帶出影響帶中的高濃度瓦斯(1%～5%)，而大量的采空區(qū)瓦斯則積聚在瓦斯滯留帶及壓實積聚帶，如不受基本頂來壓的影響不會進入采空區(qū)。由此可見，減少漏風影響帶的寬度是瓦斯治理的方向，而W型工作面由于進回風兩端壓差的減小及漏風量的減小，其漏風影響帶的長度遠小于U型工作面。兩種通風方式采空區(qū)漏風情況見圖2.

圖1 綜采工作面通風系統(tǒng)示意圖

圖2 綜采工作面采空區(qū)漏風情況示意圖

hf=2r1+r2

(1)

由式(1)可知，W型工作面進回風兩端的風阻壓差與U型工作面進回風兩端風阻壓差比值為：

(2)

即在配備相同風量的條件下，W型工作面進回風兩端的風阻壓差較U型工作面進回風兩端風阻壓差減小幅度高達37.5%，因此通風效率更高。

結合通風阻力與風量的關系h=RQ2，可知在相同通風壓力情況下：

(3)

根據(jù)公式(2)和(3)可知，W型通風方式較U型通風方式在同等風量條件下風阻減小幅度高達37.5%；同等風阻條件下，W型通風方式較U型通風方式風量高26%，可見W型通風方式從采煤工作面攜帶出瓦斯的能力要強于U型通風方式。

3 兩種通風方式數(shù)值模擬

根據(jù)高河礦的實際情況對瓦斯運移規(guī)律進行數(shù)值模擬，采空區(qū)走向長度取100 m、工作面傾斜長度為300 m，進風巷10 m，寬3.8 m，回風巷長10 m，寬3.8 m，切眼寬度為8 m. 采空區(qū)遺煤基本位于冒落帶，將其設為瓦斯源項。利用建模工具 Gambit 在笛卡爾坐標系下構建物理模型并對物理模型劃分網格， 形成四邊形的結構網格。使用 Fluent 軟件進行數(shù)值模擬解算，最后將模擬結果導入 Tecplot 進行后處理操作。數(shù)值模擬結果云圖見圖3.

由圖3可知，U型工作面瓦斯在上隅角處匯集，回風側瓦斯梯度較大，采空區(qū)在60 m以外處瓦斯積聚現(xiàn)象較為明顯，采空區(qū)內最大瓦斯?jié)舛葹?3%. W型工作面瓦斯在中隅角處匯集，中間回風巷處瓦斯?jié)舛容^高，采空區(qū)在40 m以外處瓦斯積聚現(xiàn)象較為明顯，采空區(qū)內最大瓦斯?jié)舛葹?6%. 以上現(xiàn)象表明，W型工作面的中隅角處瓦斯較難治理，同時其漏風深度較U型通風要小20 m左右，致使高濃度瓦斯留存在采空區(qū)內部。

4 S5101工作面W型通風方式設計方案

根據(jù)上述研究可知，W型通風方式較以往高河礦所采取的U型通風方式有很大的優(yōu)勢，因此，在S5101工作面沿底板布置W型通風系統(tǒng)，即沿煤層底板掘進S5101膠帶巷、S5101進風巷及S5101回風巷，利用S5101膠帶巷及進風巷進風，S5101回風巷回風，其示意圖見圖4.

圖3 綜采工作面采空區(qū)瓦斯云圖

圖4 S5101工作面W型通風系統(tǒng)剖面圖

其中，S5101膠帶巷、進風巷及回風巷斷面大小均為5.4 m×3.8 m，膠帶巷與進風巷頂板支護采用工程類比法與S5202工作面支護一致，而回風巷考慮受兩側回采動壓影響，支護方式采取錨索補強，錨索布置由3-2-3調整為每排3根，排距由0.9 m調整為0.8 m. S5101膠帶巷與進風巷采用單體柱+π型梁棚超前50 m架設，回風巷采用4組超前支架(20 m)及單體柱+π型梁棚(30 m)超前支護。

在瓦斯抽采的過程中，取消膠帶巷的裂隙帶鉆場，S5101工作面在回風巷增加裂隙帶邁步鉆場，抽采采空區(qū)瓦斯，消除中隅角處的瓦斯積聚。S5101工作面膠帶巷、回風巷、進風間的距離為140 m，由于巷道存在瓦斯自然排放帶，此工作面的順層鉆孔打設長度可以縮短為120 m，由膠帶巷、進風巷分別向回風巷打設下分層順層鉆孔，同時在回風巷內向兩幫打設上分層順層鉆孔，并入裂隙帶抽采管路，見圖5.

圖5 S5101工作面鉆孔設計圖

5 結 論

U型通風方式使得工作面上隅角處為整個工作面負壓最低點，造成瓦斯在上隅角處積聚，引起上隅角瓦斯?jié)舛容^高。而W型通風由于上下風道兩處流場的疊加，造成上隅角消失，瓦斯積聚的可能性減小。

W型通風方式，工作面上下風道風量較小，在配風量相當?shù)臈l件下整個工作面的通風阻力僅為U型通風的25%，其供風能力是U型工作面的2倍，治理瓦斯能力較強。且W型通風方式進回風兩端壓差小，漏風掃過面積減小，攜帶瓦斯量減小及處理瓦斯能力升高，因此，可以適當增加W型通風工作面的切眼長度，將切眼長度由現(xiàn)在的300 m增加至350～400 m.

從經濟的角度考慮，采用W型通風，增加了1條煤巷的施工，但少了1條巖巷的施工，減少了掘進成本，同時W型通風節(jié)省了要利用抽采泵進行高抽巷抽采的抽采費用。

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Study and Application of the Advantages and Disadvantages of W-shaped and U-shaped Ventilation Modes

WEI Bingsheng

Gaohe coal mine is a high-gassy mine. In order to solve the problem of gas control in the process of fully mechanized coal mining face, the W-shaped ventilation method is adopted instead of the traditional U-shaped plus high pumping ventilation mode. A comparative study of the two different ventilation modes was conducted. The results show that W-shaped ventilation can effectively reduce the air leakage and ventilation resistance, and effectively control the cost of gas drainage. The research results have been applied in S5101 work face, which can provide reference for ventilation and extraction of fully mechanized coal mining face in high gas mine.

High gas mine; Gas; U-shaped ventilation; W-shaped ventilation; Air leakage influence zone; Upper and lower stratified bedding drilling

2016-08-13

魏秉生(1976—)，男，山西汾陽人，2014年畢業(yè)于太原理工大學，助理工程師，主要從事井下通風安全管理工作

(E-mail)2370292005@qq.com

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1672-0652(2016)09-0010-04