工作面U型与Y型通风方式风排瓦斯能力探讨

王子龙

（山西西山煤电晋兴能源有限公司，山西 太原 030052）

合理的矿井通风方式设计是煤矿安全生产的重要基础。当前我国各大煤矿工作面的采掘深度和范围都明显增大，对相应通风方式的可靠性和安全性要求越来越高［1-3］。西山煤电晋兴能源有限公司23107综采工作面采用传统的U形通风方式，但在实际生产中，工作面回风隅角在部分生产时段的瓦斯浓度多次接近临界报警值0.8%，对安全稳定生产造成严重影响。针对这一问题，本文将重点对工作面U型及Y型通风方式的瓦斯风排能力进行探讨，从而为通风方式的合理选择提供理论依据。

1 工作面瓦斯来源

图1中井下工作面瓦斯来源可分为三部分：采落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出。其中，前两者一般浓度较小，涌出量有限，因此易于控制。而采空区瓦斯涌出成因复杂，可分为三个方面：采空区内煤壁及围岩瓦斯涌出、采空区内顶煤坠落瓦斯涌出、采空区顶部或底部岩层内瓦斯涌出，这三部分的瓦斯浓度和涌出量随回采推进和顶板垮落而不断变化，容易出现较大波动，并在采空区和工作面之间形成较大的瓦斯浓度梯度，因此对工作面瓦斯浓度控制影响较大［4-5］。

图1 工作面瓦斯来源

2 工作面U型及Y型通风工作原理

2.1 U型通风方式

工作面U型通风方式在煤矿应用最为广泛，见图2。通过不断补充新鲜风流，将工作面瓦斯浓度控制在安全范围内。这种通风方式巷道工程维护量小，风流稳定。缺点是，一方面，新鲜风流进入工作面后，一部分漏入采空区，然后携带瓦斯气体从工作面回风区域流出，增大了该区域的瓦斯浓度；另一方面，风流在回风巷的回风隅角处易产生涡流，从而使该位置通风不畅，瓦斯在此聚集。对于瓦斯浓度偏高或浓度变化较大的工作面，采用U型通风方式显然无法保证煤炭的安全生产。

图2 U型通风方式结构

2.2 Y型通风方式

图3 中Y型通风方式是在原U型结构基础上，通过沿空留巷将原运输巷保留作为回风巷道，将原U型的“一进一回”通风结构升级为由主进风巷、副进风巷和回风巷组成的“两进一回”式结构。该种通风方式在一定程度上加大了巷道维护作业量，但两条进风巷保证了工作面的新鲜风流供应，且避免了单一巷道大量进风造成的工作面扬尘现象，为机械和人员操作提供了良好环境。另一方面，Y型通风方式保证了巷道和工作面各处的风量供给均匀，不会在巷道局部形成涡流和弱风力区，因此对解决工作面回风隅角瓦斯浓度超限问题有积极作用。

图3 Y型通风方式结构

3 传统U型通风方式风排瓦斯能力模拟

3.1 U型通风方式建模

以西山煤电晋兴能源有限公司23107综采工作面为例，在FLUENT软件中建立其U型通风方式数值模型。工作面走向长度为560 m，倾向长度260 m，采高为3.6 m，有效控顶距为6.5 m；两侧进风巷和回风巷断面尺寸为3.5 m×5 m。采空区长度300 m，假设采空区为非均匀多孔介质，自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区的孔隙率分别为0.31、0.24、0.09，且不随时间变化。 另外，忽略通道内各种机械设备对气流的影响。

3.2 U型通风方式模拟结果

图4 U型通风方式流场分布

图4 为U型通风方式下模拟得到的流场分布图，可见工作面巷道内的流线分布最为集中，表明多数分流可由工作面进入回风巷，为工作面提供新鲜空气。而在工作面末端采空区区域，部分风流漏入采空区，形成流线稀疏的抛物线状风流，其形成原因是采空区深部的压力增大，孔隙率降低，因此风流受到的阻力增大，因此逐渐发生转向，并在回风巷一侧负压作用下，携带采空区瓦斯气体的风流移动至工作面回风隅角，造成该位置瓦斯浓度升高。

图5 U型通风方式瓦斯浓度分布切片

由于瓦斯密度较小，故巷道及采空区上部空间瓦斯浓度较高，因此选择接近且平行于顶板的剖切面瓦斯浓度进行研究。图5为U型通风方式中距顶板0.5 m高位置的瓦斯浓度分布切片图，可见在靠近进风巷的工作面和采空区的大部区域瓦斯浓度较低，且越靠近进风巷，采空区瓦斯浓度越低，范围越大。但在工作面回风隅角处，瓦斯浓度急剧升高，接近1%，出现瓦斯聚集现象，增大了该位置采空区发生瓦斯爆炸的风险。

由此可知，U型结构通风方式确实可降低工作面和采空区一定范围内的瓦斯浓度，但其工作面回风隅角位置的瓦斯风险仍较高，在风量供给波动或其它不利因素影响下，回风隅角对应采空区的高浓度瓦斯扩散进入工作面，从而引起瓦斯浓度超限报警，停电停产。因此，有必要通过改变本文所述23107综采工作面的通风方式，来提高其生产过程的安全性和稳定性。

4 Y型通风方式瓦斯风排能力模拟

图6 Y型通风方式流场分布

图6 为Y型通风方式的流场分布图，可见通过沿空留巷形成后部回风巷后，流场流线结构发生较大变化。在工作面全长上均有来自主进风巷的风流漏入采空区内，这部分风流携带采空区内的瓦斯气体进入回风巷。同时，来自主进风巷的剩余风流与副进风巷的风流汇合后进入回风巷，并在回风巷内形成负压，加速采空区内瓦斯气体的排出。另外，这种“两进一回”的通风结构使回风巷内的质量流速更大，更利于巷道内瓦斯的快速排出。因此可知，Y型通风方式的流场结构更利于工作面和采空区瓦斯气体的排出，以降低瓦斯浓度。

图7 Y型通风方式瓦斯浓度分布切片

图7 为Y型通风方式中距顶板0.5 m高位置的瓦斯浓度分布切片图，可见在工作面后侧采空区内的瓦斯气体浓度从前向后呈较为明显的梯度分布，比U型通风方式对应浓度分布更加合理。同时，工作面回风隅角、及回风巷内的瓦斯浓度也处于较低水平，在0.1%～0.2%之间，远低于U型结构对应浓度，有效避免了回风隅角瓦斯聚集现象，保障了工作面的安全高效生产。因此Y型系统相比U系统更加适合于偏高浓度瓦斯矿井的生产。

5 井下通风方式的合理选择

由上分析可知，传统U型通风方式容易出现工作面回风隅角瓦斯浓度超限，而Y型结构可较好地解决这一问题，因此在瓦斯风险较高的矿井中适宜采用Y型通风方式。但不容忽视的是，Y型巷道结构增加了沿空留巷的维护作业量，采掘成本提高，因此应综合考虑。例如，为解决一般性工作面回风隅角瓦斯浓度偏高问题，可以尝试在U型通风结构基础上，采用高位钻孔或低位布管等方式，对正对回风巷的采空区进行瓦斯抽排，以降低维护作业成本。

西山煤电晋兴能源有限公司23107综采工作面，在传统U形通风方式出现工作面回风隅角瓦斯聚集超限情况后，一方面尝试增加配风量，但工作面扬尘严重；另一方面，采用了低位布管的方式进行抽排，但效果不甚明显。因此，在研究当前皮带巷（回风巷）实际支护及顶板情况后，提出可通过沿空留巷方法，将当前通风方式改造为Y型。另外，通过本文模拟可知，通过Y型通风形式的改造，预计可将回风隅角的瓦斯浓度由模拟浓度1%降低至0.1%～0.2%之间，效果显著。

6 结语

合理的井下通风方式设计是煤矿安全生产的重要基础，为解决传统U型通风方式存在的工作面回风隅角瓦斯浓度偏高问题，本文结合西山煤电晋兴能源有限公司23107综采工作面实际情况，首先分析了工作面U型和Y型通风方式的工作原理，然后分别利用FLUENT软件模拟了两种通风方式的流场分布及瓦斯浓度分布情况，结果表明Y型结构可显著降低工作面回风隅角的瓦斯浓度，其“两进一回”式通风方式更利于工作面的通风，但在井下通风方式选择过程中，还应从维护成本等角度考虑，选用适宜的瓦斯排除方式。