U型通风方式

U型通风方式（精选4篇）

U型通风方式 篇1

0 引言

本文通过现场实例总结和分析“大U套小U”巷道布置方式在与采空区不同空间关系下, 指出了“大U套小U”巷道布置方式的优缺点。通过矿方资料对“三进两回”五巷布置方式进行了深入的理论分析, 提出了“U+U”巷道布置方式可有效避免动压对采面的影响, 有效提高递进式和采空区抽放效果, 此外还可有效提高采空区回采率, 延长矿井服务年限。

1 U+U巷道通风概念

U+U巷道通风主要是针对薄煤层高产高效工作面生产的特点, 可有效解决其它方式所带来的弊端。采取该方式旨在增加工作面供风量, 提高工作面产量。为有效调节回采工作面的供风量, 在进回风巷中设置1个调节风门, 可有效解决工作面风速超速问题, 可预防火灾发生[1]。此外, 应用该巷道通风还能提高工作面的抗灾能力及安全性;有效解决上隅角瓦斯超限问题, 使工作面机头的电气设备不再受到瓦斯浓度的制约;同时还能改善掘进工作面的工作环境, 提高掘进工作面的工作效率, 最终降低瓦斯爆炸的发生率。

2 U+U巷道通风实施前的问题

晋煤集团成庄矿的回采工作面的设置也经历了长期发展过程, 即由单一“U”型到“大U套小U”的发展。在发展过程中逐渐暴露出一些问题, 直接影响煤矿开采质量及安全。下面对其主要问题进行详细分析:

a) 采面两侧均为实体煤。首采工作面两边均为实体煤采用U+U巷道通风模式 (见图1) , 大U巷道与小U巷之间的煤柱为35 m, 当工作面回采后, 该煤柱所承受的应力较小。成功留设大U巷道, 能确保稳定的通风系统, 保证递进式抽放及采空区抽放的正常进行。采面之间的煤柱损失仅为35 m, 且留设的巷道能为下一个工作采面服务。这样一来, 该工作面只报废了2条巷道, 有其优越性;

b) 采面一侧为采空区。盘区内回采工作面若按照顺序方式进行回采时, 可采用U+U巷道通风模式 (见图2) 。采空区一侧布置回风顺槽和瓦斯尾巷, 巷道与采空其煤柱为35 m;采面一侧实体煤可布置2条进风顺槽, 将煤柱也设为35 m。当该工作采面推到一定程度时, 瓦斯尾巷受本工作面及相邻采区动压的影响, 其变形量较大, 而风量配不上, 使得进风兼设备顺槽和通风联络巷之间出现微风现象, 甚至出现无风[2]。为有效解决这一问题, 不得不对其进行封闭, 也就导致工作人员无法进入到大U巷道, 将直接影响煤矿采空区的抽放效果。后期若开启封闭区, 将会聚集瓦斯, 甚至发生爆炸, 将发生严重安全事故。

3 U+U巷道布置方式的机理

无论哪一种巷道布置方式, 都不仅要确保巷道通风系统的稳定, 而且还应将煤柱损失降到最低, 进而节约能源。下面分析两种巷道方式的布置机理。

a) “三进两回”偏Y型巷道布置方式机理分析。长期以来, 传统的偏Y型通风系统采用“三进两回”五巷布置方式 (见图3) 。该巷道布置方式在采空区一侧, 利用上一工作面所留设的2条顺槽巷道作为主进风, 2条顺槽巷道中进风间的煤柱距离为20 m, 距离采空区的距离为35 m。在实体煤的另一侧布置1条辅助进风兼皮带顺槽和2条回风巷, 其煤柱为35 m, 而2条回风巷的煤柱距离也为20 m。该布置方式的优点在于不依赖大U巷道通风, 随着工作面开采进度的加快, 2条进风巷道可做报废处理, 但留巷的2条回风巷能形成全风压通风系统, 有利于后期的空区抽放。当然, 此种布置方式也存在一定缺陷, 如增大了煤柱的损失 (每个采面损失55 m煤柱) , 且万吨掘进率高 (每个采面报废3条巷道) ;

b) “U+U”巷道布置方式的提出和机理分析。为有效解决以上存在的问题, 借鉴其它煤矿企业的巷道布置方式, 并结合成庄矿开采实际情况, 在“三进两回”巷道布置方式基础上进行改进, 拉大2条回风巷之间的距离, 是远离采面的一条回风巷服务更多的采面, 形成了晋煤成庄矿新型巷道布置方式———“U+U”巷道布置方式, 该巷道布置能使1条回风巷服务更多的工作采面, 进而形成独具特色的开采风格, 其巷道布置方式如图4所示。通过此种布置方式, 能使留巷巷道一直处于全风压系统中, 降低煤柱损失, 最终有利于后期瓦斯治理。并在后期生产过程中, 仅仅需要维修进风巷, 相对而言, 维修工作较简单, 并不影响煤炭的正常生产, 有利于提高开采效率[3]。另一方面, 由于该巷道布置方式, 每个工作采面仅损失35 m煤柱, 且每一个采面仅报废2条巷道, 很大程度上降低了采面的万吨掘进率。

4 U+U巷道布置方式的经济效益

采用“大U套小U”巷道布置方式时, 1个采面至少需要新掘3条顺槽巷道和尾巷横川, 采面每米产量按1 696 t (200 m采面) 计算, 每万吨煤需要消耗24 m回采进尺;而改为“U+U”巷道布置方式后, 每个采面只需新掘2条顺槽巷道和尾巷横川, 每万吨煤仅消耗18 m回采进尺。这样, 采面的万吨掘进率可降低25%。矿井全年产量按830×104t计算, 每米回采进尺造价按8 000元计算, 所产生的经济效益为:830× (24-18) ×8 000=3 984×104元。

“U+U”巷道布置方式的采面煤柱留设同“大U套小U”四巷布置方式一样, 1个采面仅损失35 m煤柱, 而其它兄弟矿井大都采用“三进两回”布置方式, 采面间煤柱损失在65 m~80 m之间。这样采区回收率可增加7%。

通过对以上数据的综合分析, 可看出在今后一段时间内, 晋煤集团成庄矿的所有巷道布置方式可采用U+U巷道布置方式。应用该布置方式能有效减少巷道数量, 减缓抽、掘、采衔接的紧张局面, 同时还能提高煤矿开采区的回采率, 最终节约煤炭资源, 促进煤炭企业的可持续发展。

5 结语

利用3 a到5 a时间, 把晋煤集团成庄矿所有的“大U套小U”、“U+L”、“三进两回”工作面改为U+U巷道布置方式, 不仅能有效减小巷道数量, 缓减抽、掘、采衔接紧张局面, 而且可大大提高矿井采区回采率, 减小煤柱留设, 节约煤碳资源, 延长矿井服务年限。

摘要：随着煤矿井下大规模机械化高产高效开采, 煤矿浅部资源枯竭, 很多煤矿开始回采深部资源。深部回采面临很多问题, 包括深部围岩应力压力加大、瓦斯积聚严重、地温升高等问题。高瓦斯是煤矿面临的最直接的问题之一, 许多低瓦斯矿井在进行深部开采时成为了高瓦斯矿井, 在作为高瓦斯矿井回采时回采面顺槽布置方式对有效瓦斯排放有很大影响。通过实例研究巷道通风方式的创新。

关键词：“U+U”巷道布置方式,通风方式,采煤

参考文献

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[3]周图文, 曹松林.矿井通风系统优化及控制[J].煤矿现代化, 2007 (04) :43-45.

U型通风方式 篇2

关键词：矿井通风,U型,U+L型,采空区,瓦斯浓度分布,自燃危险区域

近年来随着煤矿开采深度的增加,工作面瓦斯涌出量明显增大,经常造成工作面上隅角瓦斯浓度超限,严重威胁着煤矿的安全生产[1,2]。造成工作面上隅角瓦斯浓度超限的主要原因是采空区漏风风流携带采空区瓦斯从工作面上隅角附近涌出,而上隅角附近又是风流出现涡旋的地点,工作面风流和采空区风流的传质过程较弱,使上隅角附近瓦斯浓度超限[3,4]。由此可知,解决工作面上隅角瓦斯浓度超限的一个重要方法就是增加漏风汇,改变采空区漏风风流方向,从而减少由采空区涌向工作面上隅角的瓦斯量。

采用U+L型通风方式能增加漏风汇,改变采空区漏风风流方向,能明显降低工作面上隅角瓦斯浓度,确保矿井的安全高效生产[5,6]。但是采用U+L型通风方式相对U型通风方式采空区漏风发生变化,造成采空区流场发生改变,因此对比分析U型和U+L型通风方式下的采空区流场,对工作面采空区瓦斯防治和遗煤自燃防治工作具有重要的意义。

1 采空区流场计算数学模型

假设采空区为各向同性的多孔介质;采场流体为不可压缩流体,且采空区内气体流动为稳流,符合线性渗透规律;粘性阻力系数和惯性阻力系数在z方向上不发生变化[7,8]。由上述假设条件可得采空区多孔介质模型的控制方程如下:

1)质量守恒方程:

2)动量(Navier-Stokes)方程:

3)组分传输方程:

式中:u、v、w为x、y、z方向的速度分量;n为孔隙率;Sm为质量源项;ρ为采空区气体密度;μ为空气的动力黏度;Fx、Fy、Fz为微元体上的质量力在各个方向上的分量;cs为组元s的体积浓度;Ss为组分生产率;ρcs为组分的质量浓度;Ds为组分的扩散系数。

2 采空区物理模型的建立和边界条件的选取

2.1 采空区物理模型的建立

根据某矿3215工作面的实际情况,建立U型和U+L型通风条件下的几何物理模型,其中工作面、进回风巷和采空区模型的尺寸相同,具体模型尺寸如下:进回风巷道长30 m、宽5 m、高4 m,工作面巷道长180 m、宽5 m、高4 m,采空区长300 m、宽180 m、高20 m;另外,尾巷长30 m、宽3 m、高4 m,木垛支护区长300 m、宽3 m、高4 m,如图1~2所示。

图1 U型通风采空区物理模型俯视图

图2 U+L型通风采空区物理模型俯视图

2.2 边界条件的选取

根据现场实测数据,边界条件设置如下:

1)机巷入口设定为速度入口(velocity-inlet),进风量为2 700 m3/min,平均风速为2.25 m/s;

2)风巷出口设定为压力出口(pressure-outlet),设置为-100 Pa;U+L型通风方式下,尾巷出口为压力出口(pressure-outlet),设置为-140 Pa;

3)采空区瓦斯为均匀涌出,设定为16.61 m3/min;

4)根据矿山压力研究,沿采空区走向方向,距离工作面越远,垮落岩石压实程度越大,孔隙率越小,可知从工作面后部向采空区深部方向,距工作面0~20 m为自然堆积区、20~80 m为载荷影响区,80 m以后为压实稳定区。在不同区域选取不同的孔隙率,自然堆积区为0.3,载荷影响区为0.2,压实稳定区为0.1。

根据采空区多孔介质孔隙率分布和Carman公式(6),计算出综采工作面采空区渗透率分布,并利用UDF函数编写采空区多孔介质渗透率分布函数。

式中:e为渗透率;n为孔隙率;Dp为平均粒子直径。

3 两种通风方式下采空区瓦斯浓度分布对比

应用Fluent软件模拟得到U型通风和U+L型通风下采空区z=2 m平面上的瓦斯浓度分布,如图3和图4所示。

图3 U型通风采空区瓦斯浓度分布(z=2 m平面)

图4 U+L型通风采空区瓦斯浓度分布(z=2 m平面)

由图3和图4分析可知,采用U+L型通风较采用U型通风采空区内瓦斯浓度整体降低,尤其是在采空区回风侧,当采用U+L型通风时瓦斯浓度明显减小,并且都小于5%。这主要是因为当采用U+L型通风时由工作面漏入采空区内的风量明显增加,并且在采空区回风侧漏风风流由工作面流向采空区,携带采空区的瓦斯从尾巷排出。

已知瓦斯爆炸浓度界限是5%~16%,对比不同通风方式下的瓦斯爆炸范围可以看出,采用U型通风时,在采空区进风侧瓦斯爆炸宽度是67~96 m、在采空区中部瓦斯爆炸宽度是42~89 m、在采空区回风侧瓦斯爆炸宽度靠近工作面;采用U+L型通风时,在采空区进风侧瓦斯爆炸宽度是71~99 m、在采空区中部瓦斯爆炸宽度是59~98 m、在采空区回风侧瓦斯爆炸宽度是38~80 m。由此可以看出,采用U+L型通风较采用U型通风,采空区瓦斯爆炸范围往采空区深部移动,但是瓦斯爆炸区域宽度变小。

由图5~7可以看出,在采空区深部,两种通风方式下瓦斯浓度差别不大,这是因为在采空区深部瓦斯受漏风的影响较小。采空区浅部,在y=10 m和y=90 m线上瓦斯浓度差别不大,在y=170 m线上瓦斯浓度差别较大,这是因为在采空区回风侧,U型通风时,风流携带瓦斯从回风侧涌向工作面,导致回风侧瓦斯浓度较高;U+L型通风时,采空区回风侧漏风风流由工作面流向采空区,携带采空区的瓦斯从尾巷排出。另外,沿采空区走向方向,两种通风方式下,从采空区深部80 m左右处,整个采空区瓦斯浓度上升速度明显加快,在采空区深部180 m左右y=10 m和y=90 m线上瓦斯浓度上升速度明显减小,在采空区深部160 m左右y=170 m线上瓦斯浓度上升速度明显减小。

图5 z=2 m平面y=10 m线上瓦斯浓度

图6 z=2 m平面y=90 m线上瓦斯浓度

图7 z=2 m平面y=170 m线上瓦斯浓度

4 两种通风方式下自燃危险区域对比

应用Fluent软件模拟得到U型通风和U+L型通风下采空区z=2 m平面上的氧气体积分数(氧气浓度)分布规律,如图8~9所示。

图8 U型通风采空区氧气浓度分布(z=2 m平面)

图9 U+L型通风采空区氧气浓度分布(z=2 m平面)

采空区自燃危险区域的划分标准主要有采空区内的漏风风速、氧气体积分数、测点的升温特征3种方法[9,10,11],在此采用氧气体积分数法来划分,即采空区氧气体积分数为10%~18%时为自燃危险区域。根据氧气体积分数法和两种通风方式下的采空区氧气体积分数分布规律,得出两种通风方式下采空区可能发生自燃危险的区域,如表1所示。

表1 两种通风方式下采空区可能发生自燃危险的区域

由图8~9和表1综合分析可知,U+L型通风较U型通风工作面漏风加剧,采空区内氧气体积分数整体升高。U+L型通风较U型通风采空区内自燃危险区域往采空区深部移动,其中在采空区进风侧18%氧气体积分数等值线由114 m移动到126 m,在采空区中部18%氧气体积分数等值线由105 m移动到119 m,在采空区回风侧18%氧气体积分数等值线移动距离较小,只有2 m。另外,采用U型通风时,在采空区进风侧、采空区中部和采空区回风侧的自燃危险区域宽度分别是59、55、47 m;采用U+L型通风时,在采空区进风侧、采空区中部和采空区回风侧的自燃危险区域宽度分别是79、76、61 m。对比发现,U+L型通风较U型通风采空区自燃危险区域的宽度也明显增加。

5 结论

1)U+L型通风较U型通风采空区内瓦斯浓度整体降低,尤其是在采空区回风侧,当采用U+L型通风时瓦斯浓度明显减小;采空区瓦斯爆炸范围往采空区深部移动,但是瓦斯爆炸区域宽度变小。

2)采空区浅部,在y=10 m和y=90 m线上两种通风方式下的瓦斯浓度差别不大,在y=170 m线上瓦斯浓度差别较大;采空区深部,两种通风方式下瓦斯浓度差别不大;沿采空区走向方向,在采空区中部瓦斯浓度上升速度明显加快。

3)U+L型通风较U型通风工作面漏风加剧,采空区内氧气体积分数整体升高;采空区内自燃危险区域往采空区深部移动,并且采空区自燃危险区域的宽度也明显增加。因此,在采用U+L通风时,增加了工人对自燃危险区域的监测难度,应加强工作面漏风管理,减少工作面向采空区的漏风量。

参考文献

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U型通风方式 篇3

煤矿中的有毒气体很多,因此井下采煤作业中通风工作十分重要。在煤矿事故中,瓦斯是导致煤矿事故频发的一个重要原因。随着广大煤矿科技工作者的研究,对U型通风工作面上隅角瓦斯聚集而导致瓦斯气体含量超过正常值的现象进行了技术性地控制。在U型通风面上控制瓦斯气体含量的有效措施便是加大通风口风量,加强通风口处的空气流通速度[1]。

1 U型通风工作面上隅角瓦斯气体超量原因

1.1 风流汇合于U型通风面上隅角中

U型通风面的进风巷和回风巷的工作原理都是通过外部和内部的压力差,形成流压差。在进入U型工作面后,风流分为两部分,形成U型环路。一部分风直接穿过工作面,带走工作面的瓦斯气体等有害气体。另一部分的风流由采空区空穿过,并在采空区中回旋,带走采空区的瓦斯等有害气体。由于U型通风面的环形特点,在工作面中的气流会进入采空区,并和采空区气流一道运动,并最终进入工作面,在工作面的上隅角中汇合。当U型通风面的通风效果减弱后,气体流动作用减低,就会使工作面上隅角由于瓦斯气体的堆积,导致气体含量严重超标,瓦斯密度大于空气密度,导致工作面的上隅角中的瓦斯高于其它地区,最终导致工作面上隅角瓦斯超量涌出现象。

1.2 工作面上的风流速度过低导致瓦斯气体堆积

工作面是井下采煤作业的重要场所,也是U型通风口中的主要进、出风口处。在此处的风压和风流的大小,都直接关系着工作面的风流的大小。经过长期观察实践发现,工作面上隅角处,越靠近工作面和采空区的区域,风流速度越小,带出的瓦斯气体就越少,在此处的风流并非呈现直线运动,而是以漩涡状的状态存在。这种漩涡状的旋转气流导致瓦斯气体在此处堆积,而不随着风流排除U型通风口。由于工作面上的风流速度过低,导致中间区域的瓦斯气体可以顺利排出,而在U型通风口上隅角处的瓦斯气体,在过低的风流之下,形成了回旋涡流,每当靠近主风流时,就被弹回,无法顺利汇入主风流中。在不断聚集中,在导致主风流风速降低的同时,逐渐减低了汇入主风流中的瓦斯气体含量,致使在工作面的上隅区域形成回旋气流,在气流中,瓦斯气体逐渐堆积、沉积,加之采空区的气体泄漏到上隅区域,最终导致工作面上隅区域瓦斯气体超过限定值的现象发生[2]。

1.3 采空区地形特点导致的通风口上隅区域瓦斯气体堆积

采空区内一般存有遗留的煤炭,在采空区的岩石壁上有含有瓦斯气体的岩石,并且在采空区域内存在很多缝隙,瓦斯气体通过这些缝隙泄漏到其它区域和工作面中。采空区中存在的很多缝隙,加之缝隙之间间距较大、空间较大,在和工作面相平行和接近的区域,存在漏洞地区的煤炭岩石品质差和瓦斯气体含量高,导致瓦斯气体在运动过程中,往往会带走采空区内的瓦斯气体,具体表现为采空区内煤炭岩石会出现解析、吸收、扩散的现象,并且瓦斯气体充斥缝隙之中,破坏U型通风口区域内的正常通风,致使工作面内的主风流发生紊乱,降低主风流的流速,导致中空漩涡的出现。在一部分气流由采空区进入工作面的主风流时,发生泄漏,形成漏风流。在漏风流中,又会有一部分漏风流存在于采空区和工作面的上隅地区,在这一地区由于风速较低,无法汇入主风流,引发回风现象,将进入主风流的风流引乱,并引发回风巷内的风流紊乱,导致工作面上隅地区的瓦斯浓度猛然增大,充斥着瓦斯气体。导致工作面上隅地区存在着瓦斯气体的另一个原因是采空区内缝隙过多、过大,而使工作面和采空区之间发生了压力差,导致工作面内的风流压力差大于采空区的压力差,致使采空区内的气流无法汇入主风流。

若采空区内的气压差大于工作面的气压差,此时采空区和工作面所构成的U型工作面的气流流速正常,通风口工作状况良好,瓦斯气体含量最低,在工作面的上隅地区不存在瓦斯气体堆积现象。如果工作面的气压差大于采空区的气压差,采空区内的气流无法顺利流入通风系统中,此时工作面上隅地区瓦斯气体含量较高,出现堆积现象,不利于井下采煤作业[3]。

2 通风工作面上隅进行瓦斯抽采的必要性

通风面上隅地区是最容易发生瓦斯堆积的地方,根据煤矿施工规定,当工作面上隅地区瓦斯涌出量超过5%时就应该采取措施,以降低工作面内的瓦斯气体含量。但是在实际工作中,由于工作面的上隅地区往往容易发生气流回旋,致使风流无法带出瓦斯气体,因此为了井下采煤作业的安全施工,有必要采取技术性的措施进行补救。在工作面的上隅地区进行瓦斯抽采作业时,需要使用多种技术手段,但是也要根据工作面上隅地区采煤面的实际情况进行抽采。衡量工作面和采空区的指标有煤层透气性和瓦斯钻孔的流通速度,为了保证安全采煤作业,透气性指数应在0.5以内,若大于0.5应该采取措施,应根据煤层品质、地质条件和瓦斯气体含量、煤矿矿井内巷道及通风口处的风流速度和进出口处的风量,进行具体开采。在开采方法上应采取综合开采的方式,把工作面上隅地区的瓦斯浓度降低到正常水准。

3 常用的通风工作面上隅角瓦斯治理技术

3.1 后退式预埋管抽取瓦斯气体法

针对采空区缝隙过大导致瓦斯气体泄漏,工作面和采空区存在气压差这种情况,可以使用后退式预埋管抽取的方法。具体操作方法是在工作面的上隅角中埋入通气管,根据煤矿工作面上隅角的实际情况进行布置。通常情况是第一根通气管应埋入距离上隅角5 m左右的位置,然后根据实际情况,应每隔10 m~15 m左右分置通气管,以达到最佳的抽采效果,若为了加强抽取效果,可每隔5 m就分别布置一个通气管。但是预埋管也要做好安全措施,避免岩石塌落砸坏通气管,通气管应采取竖放的方式,管道长度为1.5 m左右,通气管底座应和工作面的主风流渠道相联系,以加强采空区的空气排出速度和风流速度。使用后退式预埋管抽取方法,可以加强通风不顺畅的通风工作面的瓦斯排放速度,增强采空区和工作面的通风效果,加强上隅角瓦斯气体的随风流抽走量,减轻工作面上隅角的瓦斯含量和压力。

3.2 均衡采空区和工作面的气压法

均衡采空区和工作面的气压法是针对采空区和工作面压力不同所采取的方法,所能达到的效果是使工作面上隅角所处区域压力均衡,不形成回旋气流。解决压力差的方法可以采取中空钻孔,即在采空区和工作面之间凿通气孔,使两者之间的气流压力差均衡,实现U型工作面内压力差值为0的效果。当凿通气孔的方法没有效果时,就需要采取其它方式,可以在通气孔中架设抽风设备,直接向采空区压入风流,增强采空区内的空气流通,直接为工作面的上隅角所在位置供入风量,促使上隅角位置的风流流通,避免回旋气流的出现和形成,加速瓦斯气体抽离。针对上隅角所处的地质结构,要在架设通风设备时注重保护支护设施。在风速和气流上,压入的气流速度应不小于250 cm/min,通风设备距离上隅角位置的角度应小于60°,距离不应小于5 m,以使通风设备的效果发挥到最大。

3.3 封堵工作面的上隅角

封堵工作面上隅角的方式是针对工作面上隅角位置出现漏风流现象所采取的技术措施。因为造成工作面上隅角瓦斯涌入量过高的重要原因是采空区风量过大,采空区缝隙空间结构较多导致的瓦斯超标现象。因此可以针对采空区和工作面上隅角之间的地质结构,针对漏风流出现的地区进行封堵,减少漏风量,加强采空区和工作面直接的空气流通速度。在封堵材料上,要选择具有不可燃性材料,在采空区和工作面之间的缝隙结构中,直接封堵,组建封堵墙。必要时还可以设置挡风帘,这是一种比较传统的工作方法。在靠近工作面上隅区的位置架设挡风屏障,阻挡风流的运动,并调整挡风帘的角度,引导气流的流动方向,从而引导瓦斯气流排出上隅角。但是这种方式对于井下采煤作业有一定影响,因此需要合理调整采煤机和挡风帘的位置,使采煤机不受挡风帘的影响,也使挡风帘不因采煤机的作业而失去挡风的作用,这就要设置两道挡风帘,以此加强工作面上隅角位置的风流的稳定性。

4 结语

排出工作面上隅角瓦斯的可用的技术手段较多,但都是以排风、加速气流运动、减轻气压差为主的方法。当上隅角位置的瓦斯气体过量时,还可以使用直接排放的方法,即使用抽风设备,直接将瓦斯气体通过管道抽离出去,减轻上隅角位置的瓦斯涌入量。做好U型通风工作面上隅角位置的瓦斯抽离工作十分重要,关系着煤矿的安全生产与井下工作人员的生命安全,因此一定要采取有效的技术措施。

参考文献

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U型通风方式 篇4

1 采空区渗流控制方程

采空区流体在多孔介质中流动, 遵循质量、动量、组分质量三个守恒定律。控制方程是对守恒定律的数学描述, 下面对采空区流体流动的数学模型作简单的介绍。

1.1 质量守恒定律

同一时间内流体微元体质量的增加等于流入该微元体的净质量。可用下式表示:

式中, ρ—流体密度, kg/m3;t—时间s, u;v、w、—速度在x、y、z方向上的分量。

上式是瞬态三维可压缩流体的质量守恒方程, 对于二维模型稳态、不可压缩流体质量守恒定律为:

1.2 动量守恒定律

微元体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。即N-S方程:

式中, ρ—流体密度, kg/m3;u、v—速度在x、y方向上的分量;μ—动力粘度;P—流体微元上的压力;Su、Sv—动量守恒方程的源项。

1.3 组分质量守恒方程

组分质量守恒定律即为浓度传输方程, 因为假设模拟的工作面采空区只有空气和瓦斯组分。因此, 只需要给出一个组分S的质量守恒方程即可:

式中, cs—组分S的体积分数;ρcs—组分S的质量分数;Ds—组分的扩散系数;Ss—微元体内的生成率。

2 Y型通风采空区模型建立及边界条件设置

1252 (1) 工作面为某矿首采面, 主要开采11-2煤, 该工作面走向长1150m, 工作面长260m, 通风方式为Y型通风。

2.1 Y型通风采空区物理模型建立

采空区解算物理模型要反映工作面、采空区主要特征, 而且尽量与采空区实际相符, 还要使模型可以在Fluent软件中运算。取工作面倾斜长265m, 进风巷和回风巷宽都为5m, 充填墙、采空区宽260m, 其中充填墙宽为3m, 采空区取300m作为模拟对象, 物理模型如图1所示。

2.2 模拟边界条件设置

进风巷入口设置为速度入口 (velocity-inlet) , 两条巷道总进风量为2500m3/min, 其中主进风巷1800m3/min, 副进风巷700m3/min, 由此可推算主、副进风巷入口速度分别为2m/s、0.78m/s, 回风巷出口设为自由出口 (outflow) , 采空区及充体墙设置为多孔介质 (porous) , 采空区、工作面和充填墙之间、充填墙和回风巷之间相邻区域设为内部 (interior) 边界, 其余设置为墙体边界 (wall) 。采空区底板设置为瓦斯源项, 其瓦斯涌出量设为常数。

3 采场数值模拟结果及分析

3.1 U型通风方式流场分布规律

图2为U型通风方式下采空区流场静压分布图。可以看出, 在工作面进风侧风压最大, 并以其为中心沿工作面方向及沿采空区走向 (向深部采空区) 逐渐变小, 在上隅角处风压最小。

图4为漏风速度矢量图。从图4可知, 采空区漏风方向是从进风侧流向回风侧;下隅角和上隅角漏风最大;沿工作面方向, 随着与进风巷距离的增加, 漏风量逐渐减少, 漏风方向由工作面流向采空区, 越靠近回风巷, 漏风量越大, 但漏风方向由采空区流向工作面;沿采空区指向采空区深部方向漏风速度逐渐减小。

图6为采空区瓦斯浓度分布等值线图。瓦斯浓度场分布规律为, 瓦斯浓度沿工作面走向不断增加;工作面回风侧瓦斯浓度最大;工作面上隅角出现瓦斯积聚现象, 这是由于不断有风流携带采空区部分瓦斯流向工作面;瓦斯从下隅角往其采空区对角浓度逐渐升高, 越往采空区深部瓦斯浓度越大。采空区内瓦斯浓度最高区域同时也是整个采场瓦斯浓度最高的区域, 此区域即为采空区理想的瓦斯抽放地点。

3.2 Y型通风方式流场分布规律

图3为Y型通风采空区静压分布, 在工作面主进风侧风压最大, 并以其为中心从进风侧指向回风侧、向采空区深部方向逐渐减小, 而在采空区末端上部静压最小, 即采空区风压最低点在采空区倾向和沿空留巷末端交汇处。

图5显示了采空区风速分布情况。可以看出, 风流沿工作面流向采空区, 并向采空区深部流动;沿倾斜方向, 以下隅角为中心, 流向采空区沿空留巷处或者沿空巷末端;上隅角漏风风流带着涌出的瓦斯流向采空区深部, 很好的治理了上隅角瓦斯积聚问题。

图7给出Y型通风时采空区瓦斯浓度分布规律。其分布规律是, 沿倾向方向, 瓦斯浓度从工作面上隅角向采空区中上部逐渐升高;在采空区内瓦斯浓度最高点也是整个采场的瓦斯浓度最高点;沿走向方向, 离工作面越远, 采空区瓦斯浓度较高, 这主要是由工作面漏风量大小决定的, 此处附近形成一个浓度相对较高的瓦斯区域, 成为生产中采空区瓦斯抽采的高瓦斯浓度区。

3.3 Y型通风和U型通风对比

U型通巷道布置相对比较简单, 便于维护, 但由于采空区漏风特性, 在工作面上隅角容易出现瓦斯积聚现象, 常造成瓦斯浓度超限, 给采面生产带来安全隐患。而Y型通风采用沿空留巷技术, 巷道的充填、维护工作量较大, 但相比U型通风方式, Y型通风方式具有以下优点: (1) 采空区通风方式改变了工作面及采空区的静压分布, 解决了工作面上隅角瓦斯超限问题; (2) 主进风巷和副进风巷进的新鲜风流, 机械设备都处于新风中, 较好的改善了作业环境; (3) 沿空留巷技术提高了煤炭资源的回采率; (4) 工作面实行无煤柱开采, 扩大了卸压范围, 同时消除了应力集中区域; (5) 通过工作面的风量相应减小, 避免了工作面煤尘飞扬, 改善了职工的工作条件。

4 结论和建议

(1) Y型通风采空区瓦斯浓度场和漏风场模拟结果表明, 工作面方向漏风流均流向采空区内部, 而采空内漏风流又全部流向沿空留巷, 但没有流向工作面上隅角的漏风, 从根本上消除了U型通风上隅角瓦斯涌出而导致的瓦斯超限隐患。

(2) 对于高瓦斯 (或瓦斯涌出量较大) 的工作面, 采用U型通风不能满足通风要求时, 可根据井下实际情况, 选用其他类型的通风方式。

参考文献

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