W型和U型兩種通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)研究與應(yīng)用

魏秉生

(山西焦煤集團(tuán) 西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

·試驗(yàn)研究·

W型和U型兩種通風(fēng)方式優(yōu)缺點(diǎn)研究與應(yīng)用

魏秉生

(山西焦煤集團(tuán) 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(fēng)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“U型+高抽巷”的通風(fēng)方式，并通過理論分析和數(shù)值模擬對(duì)兩種不同的通風(fēng)方式進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：W型通風(fēng)能夠有效減小工作面漏風(fēng)量和通風(fēng)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(yīng)用，為高瓦斯礦井綜采工作面實(shí)現(xiàn)通風(fēng)和抽采提供了借鑒。

高瓦斯礦井；瓦斯；U型通風(fēng)；W型通風(fēng)；漏風(fēng)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(chǎn)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(fēng)排瓦斯量的平均比例為17.24%～25.86%，可見工作面回采時(shí)瓦斯治理問題至關(guān)重要。

隨著礦井開拓水平的不斷延伸，掘進(jìn)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(yán)重。目前高河礦所有的綜采工作面均采用U型通風(fēng)方式，該方式的明顯缺點(diǎn)便是上隅角瓦斯難以治理。針對(duì)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(fēng)方式概況

高河礦傳統(tǒng)的“U+高抽巷”通風(fēng)方式，自2014年3月以來，在多個(gè)綜采工作面得以推廣應(yīng)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(yàn)U型通風(fēng)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(gè)U型工作面投入生產(chǎn)。2016年5月，綜采工作面通風(fēng)方式全部改為U型通風(fēng)?！癠+高抽巷”雖然在高河礦得到推廣，但也存在一系列缺點(diǎn)，如上隅角渦流不可能完全消失、工作面生產(chǎn)環(huán)境較差、采空區(qū)漏風(fēng)較大、兩條煤巷布置方式不利于瓦斯抽采等。

針對(duì)高河礦傳統(tǒng)的“U+高抽巷”通風(fēng)方式存在的諸多問題，提出了采用W型通風(fēng)方式對(duì)通風(fēng)問題進(jìn)行優(yōu)化。W型通風(fēng)方式是綜采面上中下布置3條巷道，中間巷道進(jìn)風(fēng)或回風(fēng)，即一進(jìn)兩回或兩進(jìn)一回，該通風(fēng)方式通風(fēng)阻力小，采空區(qū)漏風(fēng)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(fēng)方式見圖1.

2 兩種通風(fēng)方式理論分析

綜采工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)可劃分為三帶：漏風(fēng)影響帶、瓦斯滯留帶及壓實(shí)積聚帶。其中，漏風(fēng)影響帶受切眼漏風(fēng)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(shí)積聚帶，如不受基本頂來壓的影響不會(huì)進(jìn)入采空區(qū)。由此可見，減少漏風(fēng)影響帶的寬度是瓦斯治理的方向，而W型工作面由于進(jìn)回風(fēng)兩端壓差的減小及漏風(fēng)量的減小，其漏風(fēng)影響帶的長度遠(yuǎn)小于U型工作面。兩種通風(fēng)方式采空區(qū)漏風(fēng)情況見圖2.

圖1 綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2 綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況示意圖

hf=2r1+r2

(1)

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

(2)

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

結(jié)合通風(fēng)阻力與風(fēng)量的關(guān)系h=RQ2，可知在相同通風(fēng)壓力情況下：

(3)

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

3 兩種通風(fēng)方式數(shù)值模擬

根據(jù)高河礦的實(shí)際情況對(duì)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)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(jìn)風(fēng)巷10 m，寬3.8 m，回風(fēng)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(shè)為瓦斯源項(xiàng)。利用建模工具 Gambit 在笛卡爾坐標(biāo)系下構(gòu)建物理模型并對(duì)物理模型劃分網(wǎng)格， 形成四邊形的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。使用 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬解算，最后將模擬結(jié)果導(dǎo)入 Tecplot 進(jìn)行后處理操作。數(shù)值模擬結(jié)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(fēng)側(cè)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(nèi)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(fēng)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(nèi)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(shí)其漏風(fēng)深度較U型通風(fēng)要小20 m左右，致使高濃度瓦斯留存在采空區(qū)內(nèi)部。

4 S5101工作面W型通風(fēng)方式設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述研究可知，W型通風(fēng)方式較以往高河礦所采取的U型通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)，即沿煤層底板掘進(jìn)S5101膠帶巷、S5101進(jìn)風(fēng)巷及S5101回風(fēng)巷，利用S5101膠帶巷及進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，S5101回風(fēng)巷回風(fēng)，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(fēng)系統(tǒng)剖面圖

其中，S5101膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷斷面大小均為5.4 m×3.8 m，膠帶巷與進(jìn)風(fēng)巷頂板支護(hù)采用工程類比法與S5202工作面支護(hù)一致，而回風(fēng)巷考慮受兩側(cè)回采動(dòng)壓影響，支護(hù)方式采取錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索布置由3-2-3調(diào)整為每排3根，排距由0.9 m調(diào)整為0.8 m. S5101膠帶巷與進(jìn)風(fēng)巷采用單體柱+π型梁棚超前50 m架設(shè)，回風(fēng)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(hù)。

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(fēng)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(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)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(shè)長度可以縮短為120 m，由膠帶巷、進(jìn)風(fēng)巷分別向回風(fēng)巷打設(shè)下分層順層鉆孔，同時(shí)在回風(fēng)巷內(nèi)向兩幫打設(shè)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(shè)計(jì)圖

5 結(jié) 論

U型通風(fēng)方式使得工作面上隅角處為整個(gè)工作面負(fù)壓最低點(diǎn)，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(fēng)由于上下風(fēng)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(fēng)方式，工作面上下風(fēng)道風(fēng)量較小，在配風(fēng)量相當(dāng)?shù)臈l件下整個(gè)工作面的通風(fēng)阻力僅為U型通風(fēng)的25%，其供風(fēng)能力是U型工作面的2倍，治理瓦斯能力較強(qiáng)。且W型通風(fēng)方式進(jìn)回風(fēng)兩端壓差小，漏風(fēng)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(dāng)增加W型通風(fēng)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(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用W型通風(fēng)，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(jìn)成本，同時(shí)W型通風(fēng)節(jié)省了要利用抽采泵進(jìn)行高抽巷抽采的抽采費(fèi)用。

[1] 王魁軍，張興華.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].中國煤層氣,2006,3(1):13-17.

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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(xué)，助理工程師，主要從事井下通風(fēng)安全管理工作

(E-mail)2370292005@qq.com

TD724

B

1672-0652(2016)09-0010-04