張 春，聞天翔，欒 錚，王文熠，王博涵

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

瓦斯災害是煤礦的主要災害之一，在我國重點煤礦中80%以上的礦井均存在發(fā)生瓦斯災害的危險[1]。瓦斯災害主要包括瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等，其中瓦斯爆炸事故發(fā)生比例較大，也是瓦斯災害防治的主要內(nèi)容。瓦斯災害的發(fā)生通常還伴隨著礦井火災的發(fā)生，這使得瓦斯災害的危害性進一步增強[2-3]。根據(jù)瓦斯爆炸發(fā)生的條件，防止瓦斯爆炸的一個主要手段就是避免瓦斯超限。U+L型通風系統(tǒng)是高瓦斯礦井防治瓦斯積聚與超限的常用方法，并且也取得了較好的防治效果。針對U+L型通風系統(tǒng)的特性，我國學者也開展了較深入的研究，如文獻[4]對U+L型通風工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域變化規(guī)律進行了分析，得到相同風量條件下U+L型通風系統(tǒng)采空區(qū)氧化帶寬度及位置與U型通風系統(tǒng)的差別；文獻[5-6]對U+L型通風綜采工作面采空區(qū)漏風特性及合理擋風簾長度進行了研究，得到U+L型通風系統(tǒng)漏風沿工作面布置方向基本呈線性規(guī)律，及不同擋風簾長度條件下采空區(qū)濃度場的變化規(guī)律；文獻[7]對U+L型通風采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進行了數(shù)值模擬與試驗研究，得到工作面風量變化條件下采空區(qū)濃度場的變化規(guī)律等。在以往的研究中多注重U+L型通風系統(tǒng)所造成的采空區(qū)漏風規(guī)律的研究，而筆者則主要是從U+L型通風系統(tǒng)的設計、高效應用方面進行研究。

由于U+L型通風系統(tǒng)對工作面及采空區(qū)瓦斯的排放效果受多方面因素的影響，如工作面的供風量、采空區(qū)的瓦斯涌出量、聯(lián)絡巷間距、采空區(qū)漏風特性等，使得進行U+L型通風系統(tǒng)結(jié)構設計時比較困難。在實際生產(chǎn)中，通常是根據(jù)經(jīng)驗首先對U+L型通風系統(tǒng)進行初步設計，然后根據(jù)實際排放瓦斯情況再進行修正。這樣不僅影響生產(chǎn)，而且還容易導致瓦斯災害事故的發(fā)生。因此，分析各因素對U+L型通風系統(tǒng)排放瓦斯效果的影響規(guī)律，給出U+L通風系統(tǒng)高效應力的理論依據(jù)，已經(jīng)成為亟需解決的問題，筆者基于此，采用數(shù)值模擬的方法分析了各因素對U+L型通風系統(tǒng)的影響規(guī)律，為合理確定U+L型通風系統(tǒng)各參數(shù)奠定了理論基礎。

1 U+L型通風系統(tǒng)及高效應用分析

1.1 U+L型通風系統(tǒng)

工作面U+L型通風系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的“U”型通風系統(tǒng)的基礎上，在工作面回風平巷側(cè)增加一條專門用于排放瓦斯的巷道，一般稱為“尾巷”，形成“一進兩回”的工作面通風形式，其結(jié)構如圖1所示。

L為聯(lián)絡巷至工作面距離

由圖1可看出，隨著工作面的前移，進入采空區(qū)的聯(lián)絡巷密閉被打開，形成一個漏風通道，工作面部分風流會經(jīng)采空區(qū)從聯(lián)絡巷進入“尾巷”，將采空區(qū)內(nèi)瓦斯從“尾巷”排出，從而可降低采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛燃跋蚬ぷ髅?尤其是上隅角)的瓦斯涌出量，可有效解決工作面回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}。但是通過上述分析可知，聯(lián)絡巷漏風會增加采空區(qū)的漏風量，從而會增加采空區(qū)遺煤自燃的危險，這也是U+L型通風系統(tǒng)應用時，特別需要注意的問題。

1.2 U+L型通風系統(tǒng)高效應用影響因素分析

在給定條件下應用U+L型通風系統(tǒng)進行瓦斯治理時，治理效果會受到聯(lián)絡巷間距、聯(lián)絡巷的負壓及聯(lián)絡巷同時開啟數(shù)量的影響。

1)聯(lián)絡巷的間距主要會影響聯(lián)絡巷進入采空區(qū)后的開啟與封閉時機。如果聯(lián)絡巷間距過大，會增加聯(lián)絡巷的開放時間，增強采空區(qū)深部漏風，聯(lián)絡巷對淺部瓦斯“攔截”不利，從而可能會增加采空區(qū)遺煤自燃及工作面上隅角瓦斯超限的危險；如果聯(lián)絡巷間距過小，會增加聯(lián)絡巷的掘進量及技術成本，使采空區(qū)深部瓦斯不易排放，為后期鄰近工作面或煤層開采埋下隱患。因此，科學確定聯(lián)絡巷間距是高效應用U+L型通風系統(tǒng)的關鍵。

2)聯(lián)絡巷的負壓一定要與采空區(qū)的瓦斯涌出量、工作面的供風量及遺煤的自然發(fā)火期相適應。聯(lián)絡巷負壓過大，造成采空區(qū)漏風量增加，使工作面的有效風量可能不足，采空區(qū)排瓦斯的無效漏風增多，采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域變大，增加遺煤自燃危險性。

3)U+L型通風系統(tǒng)進行應用時，通常聯(lián)絡巷只開啟一個。多聯(lián)絡巷的同時開啟會改變采空區(qū)內(nèi)的滲流場，輔以對不同聯(lián)絡巷進行漏風量控制，既可以提高采空區(qū)內(nèi)瓦斯的有效排放，又可以對采空區(qū)遺煤自燃進行控制。多聯(lián)絡巷的科學開啟與風量合理控制，是U+L型通風系統(tǒng)高效應用的創(chuàng)新技術。

1.3 U+L型通風系統(tǒng)高效應用的判定

通過前面的分析可以得知，對于不同的開采條件，U+L型通風系統(tǒng)的一些參數(shù)也會不同。因此，對于某一特定的開采條件，存在U+L型通風系統(tǒng)是否高效的問題。通過對U+L型通風系統(tǒng)的作用和結(jié)構進行分析，筆者認為判定U+L型通風系統(tǒng)是否高效應用，應從4個方面進行分析，如圖2所示。

圖2 U+L型通風系統(tǒng)高效應用分析

1)回風巷瓦斯?jié)舛?。U+L型通風系統(tǒng)設立的目的就是有效排放采空區(qū)瓦斯，降低回風巷及工作面上隅角瓦斯?jié)舛?。所以回風巷瓦斯?jié)舛仁欠駶M足要求，是判定U+L型通風系統(tǒng)應用是否高效的最低條件。同時尾巷的瓦斯?jié)舛纫惨獫M足要求。

2)采空區(qū)遺煤自燃。U+L型通風系統(tǒng)在有效排放采空區(qū)瓦斯的同時，易誘發(fā)遺煤自燃。遺煤自燃對礦井的安全生產(chǎn)非常不利，因此能否誘發(fā)采空區(qū)遺煤自燃是判定U+L型通風系統(tǒng)應用是否高效的極限條件。

3)通風系統(tǒng)管理。一方面U+L型通風系統(tǒng)的聯(lián)絡巷同時開啟數(shù)量不能過多，否則會引起工作面及采空區(qū)風流紊亂，聯(lián)絡巷現(xiàn)場管理也變得復雜，不利于安全生產(chǎn)。另一方面，隨著聯(lián)絡巷在采空區(qū)內(nèi)位置的變化，工作面向采空區(qū)的漏風量、漏風分布及漏風管理(如設立風障等)應緩慢變化或有規(guī)律可循。

4)經(jīng)濟合理。一方面要少開掘聯(lián)絡巷，增加聯(lián)絡巷間距，降低巷道掘進成本；另一方面要降低采空區(qū)漏風，提高采空區(qū)漏風排瓦斯的有效性，降低通風成本。

2 U+L型通風系統(tǒng)數(shù)值模擬研究

2.1 U+L型通風系統(tǒng)模擬模型建立

筆者采用三維數(shù)值模擬模型對工作面U+L型通風系統(tǒng)進行模擬研究，模擬模型的建立過程如下所述。應用此模型可以對U+L型通風系統(tǒng)的采空區(qū)漏風規(guī)律、遺煤的氧化升溫過程、采空區(qū)“三帶”的分布特性、氣體濃度場、溫度場及速度場等進行模擬分析。但限于篇幅原因，筆者僅對與瓦斯排放效果相關的內(nèi)容進行研究。

2.1.1 工作面U+L型通風系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

1)模擬基本方程的確定。工作面U+L型通風系統(tǒng)數(shù)學模型的建立依據(jù)參考文獻[8]中所提到的方法，主要包括帶有源項的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及初始條件、邊界條件等，限于篇幅，不再贅述。

2)U+L型工作面通風系統(tǒng)模擬相關參數(shù)的確定。① 采空區(qū)滲透率的確定。此處采空區(qū)滲透率的確定依據(jù)文獻[9]中所提供的方法，主要考慮碎脹系數(shù)與頂板壓力的影響。進行模擬時，假設工作面埋藏深度為400 m，工作面長度為200 m，采空區(qū)深度取200 m。經(jīng)計算后，采空區(qū)滲透率的分布如圖3所示。② 采空區(qū)遺煤厚度分布。采空區(qū)遺煤厚度的分布主要依據(jù)文獻[10]中所提供的方法進行確定。③ 采空區(qū)瓦斯涌出速度確定。采空區(qū)不同位置的瓦斯涌出速度隨進入采空區(qū)深度的增加，按照負指數(shù)函數(shù)進行衰減[11-14]，如式(1)所示，其中最大涌出速度為10×10-6m/min，衰減系數(shù)為-0.08 d-1；假設瓦斯涌出速度衰減到最大涌出量的10%及以下后，瓦斯涌出量為0；工作面推進速度為3 m/d，尾巷與回風巷靜壓差為20 Pa。

圖3 采空區(qū)滲透率分布

q=q0e-αt

(1)

式中：q為瓦斯涌出速度，m/min；q0為最大瓦斯涌出速度，m/min；α為瓦斯涌出衰減系數(shù)，d-1；t為瓦斯涌出衰減時間，d。

2.1.2 U+L型工作面通風系統(tǒng)幾何模型的建立

幾何模型建立時，假設工作面采用綜放開采，開采高度為3 m，放煤高度為6 m，工作面及進回風巷寬度均為5 m，高為3 m。采空區(qū)僅對垮落帶范圍進行模擬，不考慮斷裂帶，垮落帶高度按式(2)進行確定。

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為工作面采高，m。

經(jīng)計算，開采煤層為9 m時，垮落帶高度為14.71±2.2 m，建立幾何模型時垮落帶高度取17 m。采用Fluent模擬軟件進行模擬。模擬邊界條件為：進風口、入風口及工作面的斷面積均設定為15 m2，進風口采用速度入口，出風口采用自由出口，巷道及采空區(qū)內(nèi)的通風阻力系數(shù)采用UDF方式加載。速度入口的風速根據(jù)模擬時的風量進行計算。依據(jù)前面所提供數(shù)據(jù)，建立的U+L型工作面通風系統(tǒng)幾何模型如圖4所示。

圖4 U+L型通風系統(tǒng)模擬幾何模型

隨著工作面的推進，聯(lián)絡巷深入采空區(qū)的距離逐漸增加，即聯(lián)絡巷在采空區(qū)的位置不斷變化。為了使模擬過程更加符合實際，在建立幾何模型時取消了聯(lián)絡巷之間的煤柱。在模擬時，依次開啟各聯(lián)絡巷，用于模擬聯(lián)絡巷不斷深入采空區(qū)的過程。另外，間隔一定距離的聯(lián)絡巷同時開啟時，可用于分析聯(lián)絡巷開啟數(shù)量、間距對瓦斯排放的影響。在本次建立的幾何模型中共建立了18個中心間距為5 m的聯(lián)絡巷。

2.2 U+L型通風系統(tǒng)的數(shù)值模擬及分析

模擬分析時，工作面供風量分別選取1 000、2 000、3 000、4 000 m3/min。依據(jù)隨著工作面推進聯(lián)絡巷不斷深入采空區(qū)的過程，聯(lián)絡巷由淺部到深部依次開啟，同時開啟數(shù)量為1個。

1)工作面供風量、聯(lián)絡巷距工作面距離與瓦斯?jié)舛汝P系分析。應用U+L型通風系統(tǒng)的主要目的是治理工作面上隅角瓦斯超限問題，因此對工作面上隅角瓦斯?jié)舛确治鍪呛饬縐+L型通風系統(tǒng)是否高效應用的關鍵。

聯(lián)絡巷處于采空區(qū)內(nèi)不同位置時工作面不同供風量條件下的瓦斯?jié)舛确植既鐖D5所示，平面圖的選取位置為距底板1 m處。

由圖5可以看出，無論聯(lián)絡巷處于何處，隨著工作面供風量的增加，采空區(qū)內(nèi)的高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域變小，采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯得到有效排放?？梢姡ぷ髅娴墓╋L量對采空區(qū)瓦斯的排放效果影響較大，工作面供風量越大，采空區(qū)瓦斯排放效果越好，這與現(xiàn)場實際情況也是相符的。但是，工作面供風量也不能過大，一方面工作面供風量過大會造成無效供風，增加工作面的供風成本；另一方面工作面供風量的增加會使采空區(qū)漏風量加大，易引起采空區(qū)煤炭自燃。在實際生產(chǎn)中，一般要求工作面的供風量能夠保證工作面上隅角瓦斯?jié)舛炔怀藜纯?，筆者進行分析時也是依據(jù)此標準。

依據(jù)圖5繪制出不同供風量條件下工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c聯(lián)絡巷至工作面距離的關系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著供風量Q的增加，瓦斯?jié)舛让黠@降低，且降低幅度逐漸減弱；曲線近似滿足指數(shù)函數(shù)關系，且風量越低這種關系越明顯；以1%作為上隅角瓦斯?jié)舛瘸迾藴?如圖中虛線所示)，當工作面供風量為1 000、2 000、3 000 m3/min時，聯(lián)絡巷間距分別不能大于11、34、50 m；當工作面供風量為4 000 m3/min時，無論聯(lián)絡巷處于何處上隅角瓦斯?jié)舛染怀蕖?/p>

圖5 工作面不同供風量不同位置聯(lián)絡巷瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖6 工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c聯(lián)絡巷位置關系

聯(lián)絡巷處于不同位置時工作面供風量與上隅角瓦斯?jié)舛汝P系曲線如圖7所示。由圖7可得，隨著聯(lián)絡巷至工作面距離的增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍黾?，且增加幅度逐漸變大，即聯(lián)絡巷距離工作面越近，其對上隅角瓦斯的治理效果越明顯，這一點與現(xiàn)場實際情況也是相符的。曲線近似滿足負指數(shù)函數(shù)關系，且聯(lián)絡巷至工作面距離越大這種關系越明顯。以1%作為上隅角瓦斯體積分數(shù)超限標準(如圖中虛線所示)，當聯(lián)絡巷至工作面距離L為10、20、30、40、50 m時，為了使工作面上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?，工作面的供風量分別不得低于1 000、1 500、1 800、2 400、3 000 m3/min。

圖7 工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c工作面供風量關系

2)工作面供風量、聯(lián)絡巷距工作面距離與氧化帶寬度關系分析。依據(jù)與圖5相對應的采空區(qū)氧氣濃度分布示意，可以得到聯(lián)絡巷距工作面不同位置處工作面供風量與采空區(qū)氧化帶寬度的關系曲線圖，如圖8所示。

圖8 聯(lián)絡巷處于不同位置時工作面供風量與氧化帶寬度的關系

由圖8可以看出，無論聯(lián)絡巷處于何處，工作面供風量的增加都會使采空區(qū)氧化帶寬度的增加，且風量越大，氧化帶寬度的增加幅度越大，曲線近似滿足指數(shù)函數(shù)關系，且聯(lián)絡巷至工作面距離L越大，這種關系越明顯；當L>30 m時，L越大，工作面供風量的變化對采空區(qū)氧化帶寬度的影響越明顯。當L<30 m時，隨著工作面供風量的增加，氧化帶寬度變化曲線出現(xiàn)交叉，風量增加對L=20 m時的氧化帶寬度變化影響最弱。

假設采空區(qū)允許的最高氧化帶寬度為50 m，如圖8中虛線所示，依據(jù)虛線與各氧化帶寬度變化曲線的焦點可以得知，當聯(lián)絡巷間距設定為40、30、20、10 m時，工作面供風量分別不應大于1 200、1 900、2 200、2 000 m3/min。

3)U+L型通風系統(tǒng)高效排放瓦斯方案確定。通過前面的研究得知，工作面供風量、上隅角瓦斯?jié)舛葘β?lián)絡巷位置的合理確定均存在較大影響。在給定的模擬條件下，假設采空區(qū)氧化帶最大允許寬度為50 m，以1%作為工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)超限標準，通過綜合分析，得到在不采取遺煤自燃防治措施情況下的聯(lián)絡巷高效排放瓦斯技術方案。當工作面供風量為1 000、2 000 m3/min時，聯(lián)絡巷的間距不能大于11、34 m；當工作面供風量為3 000、4 000 m3/min時，聯(lián)絡巷易引起采空區(qū)遺煤自燃。當聯(lián)絡巷間距設定為10、20、30 m時，工作面供風量見表1。當聯(lián)絡巷間距為40、50 m時，工作面供風量無法同時滿足上隅角瓦斯?jié)舛炔怀藜安煽諈^(qū)氧化帶寬度小于50 m的要求。

表1 聯(lián)絡巷至工作面距離與供風量關系

3)如果所需方案與上述兩方案中的工作面供風量、巷道間距不同，可采用插值法進行確定。

3 結(jié) 論

1)針對工作面U+L型通風系統(tǒng)的特性，給出了U+L型通風系統(tǒng)高效應用的影響因素及判定方法。建立了綜放工作面U+L型通風系統(tǒng)模擬模型，給出了各參數(shù)的確定方法。利用模型對工作面不同供風量、聯(lián)絡巷距工作面距離條件下的采空區(qū)瓦斯氣體濃度場分布進行了模擬分析。

2)獲得了不同供風量條件下工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c聯(lián)絡巷距工作面距離的關系曲線，曲線近似滿足指數(shù)函數(shù)關系，且風量越低這種關系越明顯。以1%作為上隅角瓦斯體積分數(shù)超限標準，當工作面供風量為1 000、2 000、3 000 m3/min時，聯(lián)絡巷間距分別不能大于11、34、50 m；當工作面供風量為4 000 m3/min時，無論聯(lián)絡巷處于何處上隅角瓦斯?jié)舛染怀蕖?/p>

3)獲得了聯(lián)絡巷處于不同位置時工作面供風量與上隅角瓦斯?jié)舛汝P系曲線，曲線近似滿足負指數(shù)函數(shù)關系，且聯(lián)絡巷距工作面距離越大這種關系越明顯。以1%作為上隅角瓦斯體積分數(shù)超限標準，當聯(lián)絡巷間距為10、20、30、40及50 m時，為了使工作面上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?，工作面的供風量分別不得低于1 000、1 500、1 800、2 400、3 000 m3/min。

4)獲得了聯(lián)絡巷距工作面不同位置處工作面供風量與采空區(qū)氧化帶寬度的關系曲線，并給出了2套聯(lián)絡巷高效排放瓦斯技術方案，并對下一步的研究進行了展望。