煤矿采煤工作面“U+U”型与“U+L”型通风方式对比.doc

煤矿采煤工作面“U+U”型与“U+L”型通风方式对比（1中国矿业大学，安全工程学院，江苏徐州，221008）摘要：瓦斯问题的本质就是其随风流流动的浓度分布问题，而矿井通风系统及采煤工作面通风方式于流体力学有着密切的关系，风流沿着一维巷道连续流动，在流动中涉及能量方程的转换和消耗、压力在不同地点的分布、瓦斯浓度随风流的变化等，所以认识这些问题的本质规律并准确地用流体力学语言表达出来。文章结合流体力学知识分析U+L型通风方式的优缺点，并提出新的“U+U”型通风方式，对于改进煤矿工作面的通风方式、减少瓦斯超限频率和存在盲巷等问题有一定的借鉴意义。关键词：煤矿 通风方式 流体力学分析 Research on“U+U” Type Ventilation of Coal Face （1China University of Mining and Technology，Faculty of Safety Engineering ，xuzhou221008）Abstact：Gas nature problem is its concentration with the romantic movement, and mine ventilation systems and ventilation at the coal face is closely related to fluid mechanics, romantic roadway along the one-dimensional continuous flow, flow involved in the conversion of the energy equation and consumption, the pressure distribution at different locations, the gas concentration changes with the romantic, so understanding the nature of these problems with the law and accurately express language of fluid mechanics. In combination with knowledge of fluid mechanics analysis of U + L-type ventilation system advantages and disadvantages, and propose new U+U type ventilation, for the improvement of coal face of ventilation to reduce the frequency and the presence of gas gauge issues such as Blind Lane some reference.Key words: Mine Ventilation type Fluid mechanics analysis0 引言瓦斯问题是困扰高瓦斯矿井实施高产高效生产的一大难题。实践表明，工作面采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%以上，传统的“U”型、“U+L”通风方式，由于采空区漏风携带采空区高浓度瓦斯汇集至工作面上隅角并由风流排出。无论采用高位钻孔、埋管抽放，还是利用高抽巷，都不能从根本上解决上隅角瓦斯超限和瓦斯积聚问题，严重影响采煤工作面的安全、高效生产1。瓦斯问题的本质就是其随风流流动的浓度分布问题，而矿井通风是典型的稳定流，风流流动过程中会出现层流和紊流。稳定流指流体在某点的速度v、压力p、密度和温度t不随时间而变化，层流是指流体各层的质点互不混合，质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。紊流是指流体的质点强烈互相混合，质点的流动轨迹极不规则，除了沿流动总方向发生位移外，还有垂直于流动总方向的位移，且在流体内部存在着时而产生、时而消失的旋涡。风流沿着一维巷道连续流动，在流动中涉及能量方程的转换和消耗、压力在不同地点的分布、瓦斯浓度随风流的变化等，所以认识这些问题的本质规律并准确地用流体力学语言表达出来，是非常重要的。用流体力学的观点分析现在煤矿常用的“U+L”型通风方式存在的问题，提出“U+U”通风方式以满足现代矿山高产高效的要求2。1 通风基本方程分析矿井通风系统所以用到的方程由能量守恒方程和连续方程等。1.1 能量守恒方程能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒的转换定律在矿井通风中的应用，而矿井基本上某点的速度v、压力p、密度和温度t不随时间而变化，所以采用不可压缩方程8。 （1-1）或 （1-2）公式1-1、1-2即不可压缩单位质量流体常规的伯努利方程表达式。1.2 连续方程流出微团的净质量流量必须等于微团内质量的减少，则连续性方程的偏微分方程如公式1-3所示。 （1-3）而采空区变密度混合气体非线性渗流的连续方程则可表示为公式1-4所示。 （1-4）式中 为混合气体密度； 瓦斯密度； 单位时间、单位采空区内冒落煤体解析出的瓦斯体积量。公式1-1、1-2、1-3和1-4都是分析矿井通风方式及采空区煤体解析瓦斯流动的基本方程。2 “U+L”型通风方式合理性评价U+L型通风方式由一条进风巷、一条回风巷、一条专用排瓦斯尾巷所组成，尾巷与回风巷之间每隔一定距离施工联络巷并予以封闭，随着工作面的推进，再将滞后于工作面的联络巷依次打开，使得采空区及邻近层卸压瓦斯通过联络巷排至尾巷，如图1-1所示。设图1-1中的进风巷风流速度v1、密度1、压力P1及高度Z1；回风巷风流速度v2、密度2、压力P2及高度Z2；专用排瓦斯巷风流速度v3、密度3、压力P3及高度Z3。则能量守恒公式（1-5）知： （1-5）式中 Q1、Q2和Q3分别为进风巷、回风巷及专用排瓦斯巷风量，单位m3/min。由上式知：风流自进风巷流入采空区然后携带瓦斯进入回风巷和专用排瓦斯巷，能量逐渐减弱，若能量不足，无法将瓦斯从专用排瓦斯巷带出，则专用排瓦斯巷的瓦斯浓度就会增加，甚至超过规程，具有潜在危险。图1-1 “U+L”型通风方式由以上的分析可以看出U+L型通风方式适用于瓦斯涌出量大的采煤工作面，其优点为：（1）可减少采煤工作面回风流中的瓦斯排放量和防止上隅角瓦斯超限；（2）尾巷不作回风用时可用于钻孔施工、铺设管路抽放瓦斯，还可用于下一邻近工作面的进风巷。其缺点为：当尾巷作专用排瓦斯巷用时，会有盲巷出现，一旦出现管理不到位或采空区漏风等因素，此巷道的风量就会减少低于规程规定，瓦斯浓度就会增大超过规程规定，存在很大安全隐患。3 问题的提出基于以上流体能量方程分析可知采用U+L型通风系统的效果是显而易见的，但是在工作面正常推进过程中，排瓦斯尾巷的回风利用回风巷和排瓦斯尾巷之间的贯眼回风，当回采工作面推进到快靠近下一个贯眼（该贯眼还未打开）时，由于排瓦斯尾巷的风量仍然需要靠上一个贯眼回风，但上一个贯眼随着回采工作面的推进顶板冒落后，严重影响贯眼回风，造成瓦斯尾巷内风量减少，风速低于规定要求，与煤矿安全规程（2011年版）第137条规定相抵触。瓦斯尾巷瓦斯浓度超限或经常处于临界状态，严重影响工作面的安全生产。因此采用U+L型通风系统的采煤工作面，存在一定的安全隐患，故需对其合理性进行改造设计。4 “U+U”型通风系统的基本原理采煤工作面的瓦斯治理是矿井通风瓦斯管理的一个重要部分，采煤工作面应当有独立的通风系统，并达到合理、可靠、安全的要求。在通风瓦斯管理上，首要目的是要保证采煤工作面人员呼吸和排除瓦斯的需要，因此在选择采煤工作面通风系统时，治理瓦斯是必然考虑的因素。采用U型通风系统的采煤工作面，其上隅角是最易积聚瓦斯的地方，故如何防治上隅角瓦斯积聚超限35，一直是防止瓦斯事故的重点，而采煤工作面UL型通风方式的应用，极大地提高了瓦斯处理能力。但现有大多数煤矿综采工作面现用UL型通风方式存在一定的不足，其主要就存在专用排瓦斯巷回风流的瓦斯浓度超过2.5%，风速低于0.5m/s，留有盲巷等危险因素。4.1 概念及基本原理为消除开采过程中出现的专用排瓦斯巷瓦斯超限及风量降低的问题，在工作面的另一侧开掘一条配风巷，或在工作面后部保留一条巷道，从而使工作面系统形成专用排瓦斯巷掺新风的“两进两回”或“三进两回”的新型通风系统，有效提高了工作面专用排瓦斯巷的配风量，减少了工作面开采过程中的瓦斯超限问题，并且消除了盲巷，这种通风方式就是U套U、U并U型通风系统，我们可以把这二者统一定义为“U+U”型通风系统。4.2 U套U型通风方式分析回采工作面仍然采用一进两回的通风方式，只是在回采工作面布置双切眼，第一切眼留设在工作面后部，该切眼与瓦斯尾巷相通，第二切眼与回风巷相通，瓦斯尾巷除仍然利用贯眼通风外，还利用第一切眼通过全负压给瓦斯尾巷配风，这样将会大大提高瓦斯尾巷的配风量，提高风速，从而有效稀释了瓦斯浓度，确保了工作面安全生产（见图1-2），实质是U套U型通风方式。图1-2 “U套U”型通风方式设图1-2中的轨道顺槽风流速度v1、密度1、压力P1及高度Z1；胶带顺槽风流速度v2、密度2、压力P2及高度Z2；回风顺槽风流速度v3、密度3、压力P3及高度Z3；瓦斯尾巷风流速度v4、密度4、压力P4及高度Z4。 （1-6）式中 Q1、Q2、Q3和Q4分别为轨道顺槽、胶带顺槽、回风顺槽和瓦斯巷风量，单位m3/min。4.3 U并U型通风方式分析采用三进两回的通风方式，在方案一的基础上，瓦斯尾巷处开掘进风配巷，专门给瓦斯尾巷配风（见图1-3）。排瓦斯尾巷除仍然利用贯眼通风外，还利用新开的专用配风巷通过全负压给其掺新配风，达到加瓦斯尾巷的配风量，稀释其内的瓦斯浓度的目的，使其内的瓦斯浓度始终保持在煤矿安全规程规定以下，确保工作面安全生产，实质是U并U型通风方式6。图1-3 “U并U”型通风方式设图1-2中的轨道顺槽风流速度v1、密度1、压力P1及高度Z1；胶带顺槽风流速度v2、密度2、压力P2及高度Z2；回风顺槽风流速度v3、密度3、压力P3及高度Z3；瓦斯尾巷风流速度v4、密度4、压力P4及高度Z4；进风配巷风流速度v5、密度5、压力P5及高度Z5。则由能量方程可得： （1-7）式中 Q1、Q2、Q3、Q4和Q5分别为轨道顺槽、胶带顺槽、回风顺槽、瓦斯巷风量和进风配巷，单位m3/min。4.4 U套U及U并U型通风方式对比U套U及U并U型通风方式均能够实现对瓦斯尾巷的掺新配风，且系统稳定可靠。但方U套U及U并U型通风方式相比，随着采空区的加大，其绕采空区的线路增长，经过的采空密闭墙也增多，通风负压作用的采空面积也变大，这就会把采空瓦斯带入方案一的大U中的回风巷，如密闭不严密、煤柱压疏漏风，则会造成瓦斯超限，增加风量会带出更大瓦斯量，大U失去效用。而并列双U型通风方式中相当于大U的U线路不经过采空区，或者说经过的通风负压作用的采空区面积小，且可任意增大风量，并有抑制采空区瓦斯涌出的作用，因此其处理瓦斯能力大7。虽说并列双U型通风方式比大U套小U通风方式多施工一条巷道，但均可为下一工作面复用，而且不用留设工作面切眼与通风巷之间的煤柱。另外，从管理上讲并列双U型通风方式中的U比大U更易于风量调配和密闭施工。5 结论文章利用流体力学能量方程对U+L型通风系统进行分析，得出其优缺点，并基于此提出采煤工作面的U+U型通风方式。并得出结论，U+U型通风系统，为综采工作面通风系统设计增加一种新的通风方式，其通风能力大、处理瓦斯能力强，能消除上隅角风流涡流状态，使工作面上隅角、回风尾部联络巷及两条回风巷瓦斯浓度始终处于受控状态且有较大的富余系数。U+U型通风系统使用，拓展了采煤工作面利用通风系统治理瓦斯的新型途径，有效地降低了该巷道的瓦斯浓度，为工作面安全正常生产提供了有力的保障，具有良好的经济效益和社会效益。参考文献1 吴玉国，邬剑明，王俊峰等综放工作面“U+L”型与“U+I”型通风方式下排放瓦斯效果对比中国煤炭 2010年3月2 王志玉三进两回偏型通风方式在寺河矿一次采全高工作面的实