基于“U+I”型通风系统的模拟优化研究

贾 岳

（西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）

基于“U+I”型通风系统的模拟优化研究

贾 岳

（西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）

为了对U+I型通风方式下的风排瓦斯效率进行研究，本文以某煤矿为实际工程背景，运用数值模拟软件对U+I型通风方式中不同的内错尾巷高度下，即分别为顶板上方2 m、3 m、4 m、5 m时，该通风系统的排瓦斯效果进行了模拟研究，得到了该通风系统的最优解，即对U+I型通风系统进行了优化。模拟结果表明：尾巷布置于顶板上方4 m时，尾巷的风排瓦斯率达到71.74%，相比尾巷布置于顶板上方2 m时提高了15.21%，同时，巷道的排瓦斯总量达到6.44 m3/min，此时，通风系统的排瓦斯效果达到最佳。因此，该矿使用U+I型通风系统时，内错尾巷宜布置在顶板上方4 m左右。

U+I型；通风系统；数值模拟；优化

瓦斯突出与超限引发的事故是矿井五大灾害事故中最主要，也是后果最严重的一类事故［1-3］，而良好的通风方式和通风系统能够相当程度地减少瓦斯事故发生的概率。近些年来，矿井的规模不断扩大，矿井开采的深度也逐渐增大，随着开采深度的增加瓦斯涌出量也相应增加，瓦斯超限问题时有发生，尤其在工作面的上隅角及回风流中的瓦斯浓度经常会超出规定值，防治瓦斯积聚已成为多数矿井，尤其是高瓦斯矿井亟需解决的重要问题。风排瓦斯主要是依靠稳定、可靠的矿井通风系统，通过采用通风机通风来排走系统中的瓦斯，矿井需要选择与矿井本身条件相匹配的通风系统才能有效实现风排瓦斯的目的［4-8］。随着煤炭开采技术的日益提升，多种新型的通风系统被提出、实验研究并投入煤矿进行使用及推广，其中“U+I”型通风系统取得了较好的效果，大大提高了矿井风排瓦斯的能力，但在实际应用中也发现了一些问题。

本文以某矿为实际工程背景，研究了在“U+I”型通风系统下风排瓦斯效果的最优解，即该通风系统的优化问题，在实际生产中具有重要意义。

1 U+I型通风系统介绍

U+I型通风系统是在U型通风系统的基础上，平行于回风巷且距离回风巷内侧10～20 m，垂直高度高于回风巷的位置再布置1条巷道专门用来排放瓦斯，这条专用排瓦斯巷道即称为U+I型通风系统的内错尾巷［9-10］，见图1。内错尾巷随着工作面向前推进而自行垮落，考虑到生产过程中放煤工序滞后于割煤工序，因此，内错尾巷要深入采空区5 m以上，以便采空区的瓦斯更易于从内错尾巷排出。

图1 工作面内错尾巷布置方式示意图

考虑到上部邻近层的瓦斯可以通过煤层顶板裂隙进入本煤层采空区，并汇同采空区的瓦斯一同进入工作面上隅角进而造成工作面上隅角的瓦斯超限，而瓦斯的密度小于空气会在采空区上浮，将内错尾巷的位置布置在煤层的顶部，且处于工作面上隅角的上风一侧，这样就使得内错尾巷的布置更易于采空区瓦斯的排放，进而解决了工作面上隅角瓦斯超限的问题。同时，还可以通过增大回风巷的阻力，调整内错尾巷与回风巷的风压差使内错尾巷吸风口处压力低于回风巷的压力，进一步提高内错尾巷的风排瓦斯能力。

内错尾巷能够高效工作的前提是尾巷的稳定性得到保证，但在矿井生产的实际应用中，内错尾巷由于布置在开采煤层的顶板位置，有时会受到放煤的影响，顶煤垮落而使得内错尾巷提前垮落与工作面冒透，治理瓦斯的作用受到影响。因此，可以考虑将内错尾巷布置在顶板上方，并通过对内错尾巷在顶板上方不同布置高度时尾巷及回风巷的瓦斯浓度进行数值模拟，选取最佳的布置位置，从而提高尾巷的排瓦斯能力，避免其受顶煤冒落的影响，进一步保持其工作的稳定性。

图2 H=2 m时内错尾巷瓦斯浓度分布图

图3 H=3 m时内错尾巷瓦斯浓度分布图

图4 H=4 m时内错尾巷的瓦斯浓度分布图

图5 H=5 m时内错尾巷的瓦斯浓度分布图

表1 尾巷布置在不同高度时的模拟结果对照表

2 通风系统的模拟优化

2.1 模拟模型的建立

为了研究内错尾巷在不同布置高度下采空区瓦斯的运移规律及尾巷风排瓦斯的效果，在矿井的实际生产条件下，建立内错尾巷在不同布置高度下的数值模拟模型，以确定风排瓦斯效果最好的尾巷布置高度。

依据该矿+435工作面的实际生产情况，建立参数如下的数值模拟模型：计算区域为长280 m、宽96 m、高65 m；采煤工作面为长96 m、宽4 m、高3 m；进、回风巷为长20 m、宽4 m、高3 m；内错尾巷为长25 m、宽3 m、高2 m，进入采空区5 m；内错尾巷与回风巷之间的水平距离为15 m。将内错尾巷与煤层顶板之间的距离设为H，分别取H为2 m、3 m、4 m、5 m。

2.2 数值模拟及结果分析

内错尾巷在不同布置高度下，内错尾巷中的瓦斯浓度分布情况的数值模拟图见图2，3，4，5。

尾巷布置在不同高度时，内错尾巷与回风巷中瓦斯浓度分布模拟结果对照见表1。

从表1可以看出，在风量相同的情况下，内错尾巷布置于顶板上方4 m时，尾巷的风排瓦斯率可以达到71.74%，回风巷与内错尾巷的排瓦斯总量达到6.44 m3/min，相比尾巷布置于顶板上方2 m、3 m、5 m时均有提高，且比尾巷布置于顶板上方2 m时内错尾巷的风排瓦斯率提高了15.21%。随着尾巷布置高度的增加，尾巷的瓦斯浓度、排瓦斯量及风排瓦斯率均明显增加，同时回风巷与内错尾巷的排瓦斯总量增加，当布置高度达到4 m时，排瓦斯效果最佳，但是当布置高度达到5 m时排瓦斯效果有所回落。因此，矿井内错尾巷最佳的布置高度为顶板上方4 m左右。

3 结语

通过建立矿井通风系统的数值模拟模型，对内错尾巷布置在不同高度时尾巷与回风巷的瓦斯浓度分布进行模拟，为了避免尾巷受顶煤冒落的影响而破坏其稳定性，分别选取尾巷的布置高度为顶板上方2 m、3 m、4 m及5 m。通过对不同布置高度下的模拟结果进行对照分析得出，尾巷布置于顶板上方4 m时，尾巷的风排瓦斯率达到71.74%，相比尾巷布置于顶板上方2 m时提高了15.21%，同时，巷道的排瓦斯总量达到6.44 m3/min，此时，通风系统的排瓦斯效果达到最佳。因此，该矿使用U+I型通风系统时，内错尾巷宜布置在顶板上方4 m左右。

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Simulation and Optimization Study Based on U+I Type Ventilation System

Jia Yue

In order to research gas drainage efficiency of U and I ventilation system，a coal mine is as a actual project background，the gas drainage effect of ventilation system is simulated and studied to different height of inner interlocked tail roadway that above roof is 2 m，3 m，4 m，5 m by using numerical simulation software，obtains the optimal solution of the ventilation system，namely U+I type ventilation system is optimized.The simulation results show that the gas drainage rate of tail roadway reaches 71.74 percent when the tail roadway arranged in the roof above 4 m，compares with the tail roadway arranges in the roof above 2 m，gas drainage rate improves 15.21 percent，at the same time the total gas drainage reaches 6.44 m3/min，at this time，the effect of exhaust gas ventilation system achieves the best.Therefore，when uses U+I type ventilation system，inner interlocked tail roadway should be arranged in the roof above about 4 m.

U+I type；Ventilation system；Numerical simulation；Optimization

TD724

B

1672-0652（2014）12-0029-03

2014-10-08

贾岳（1972—），男，山西河曲人，1995年毕业于阳泉煤炭专科学校，工程师，主要从事煤矿开采管理方面的工作（E-mail）763132088@qq.com