不同通风方式下回采工作面突出引发风流逆转的危险性探讨

2021-03-24赵中玲

中国矿业 2021年3期

赵中玲

(山西煤炭运销集团阳泉有限公司，山西阳泉 045000)

煤与瓦斯突出是突出矿井破坏力最为严重的灾害之一。采煤工作面发生突出后，突出瓦斯产生的风流压力是导致风流发生变化的主要因素，并以波的形式辐射传播。瓦斯突出源高强度气流改变了矿井系统的风流运动，使回风侧巷道风量产生“过流”现象，同时抑制了进风侧巷道风量，严重时甚至出现风向逆流的现象，对矿井通风安全造成极大的危害[1]。因此，分析研究突出矿井采区通风系统的安全可靠性，对改善突出矿井的通风，提高矿井的防灾、抗灾能力有重要的现实意义[2]。

U型通风和Y型通风是突出矿井最常用的两种通风方式[3-4]。U型后退式通风由于长距离通风困难，通常适用于瓦斯涌出量不大的煤层[5]。对于突出矿井，在原有U型通风方式下通过沿空留巷实现Y型通风，可作为解决回采工作面上隅角瓦斯的一种新技术手段，在突出矿井工作面具有广泛的应用前景[6-7]。然而，对于Y型通风，由于工作面的推进会引起进风顺槽、回风顺槽、沿空留巷等通风线路长度的改变，为了保证通风时风流稳定，通常需要在回风线路上设置调节风窗[8-9]。但是在回风顺槽设置调节风窗时不符合《防治煤与瓦斯突出细则》第三十一条规定[10]：开采突出煤层时，工作面回风侧不得设置调节风量的设施。该条主要是考虑到一旦发生突出事故，有毒有害气体难以迅速排除，容易逆流侵袭进风系统，造成人员伤亡。因此，U型通风与Y型通风在突出矿井工作面应用的优越性目前尚不明确。

针对上述问题，本文将对U型通风和偏Y型“一进两回”通风下发生突出事故时风流逆转的危险性进行探讨，研究结果将为突出矿井采煤工作面通风方式的合理选择提供理论依据。

1 回采工作面突出引发风流逆转的危险性计算依据

本文以保安煤矿突出煤层回采工作面(图1)为例进行分析。15108综采工作面走向长度1 100 m，先采用U型通风方式，当工作面推进至距停采线200 m处后，开始试验沿空留巷，对回风顺槽进行了留巷。由于15108工作面采深为715～795 m，矿山压力较大，考虑到留巷断面较大情况下巷道难以维护，因此沿空留巷宽度较小。这使得进风顺槽与回风顺槽的巷道断面面积明显大于沿空留巷断面面积，如果采用偏Y型“两进一回”通风方式，沿空留巷段的风速将超限，因此，沿空留巷后选择偏Y型“一进两回”通风方式。

图1 15108综采工作面偏Y型“一进两回”通风示意图

假定工作面发生突出后瓦斯以恒定速率涌出巷道，以巷道断面2为瓦斯突出位置为例，对发生突出后风流逆转的危险性临界条件进行分析。在实际情况中，当巷道断面2的风流前端，即巷道1-2内发生突出，则突出临界值减小，反之在巷道断面2风流后端，即巷道2-3内发生突出，则突出临界值增大。

1) 摩擦风阻计算公式见式(1)。

(1)

2) 巷道风速计算公式见式(2)。

va=Qa/Sa

(2)

3) 流体能量方程见式(3)。

(3)

4) 摩擦阻力定律见式(4)～式(6)。

不漏风巷道见式(4)。

(4)

漏风巷道见式(5)。

ha-b=Ra-bQaQb

(5)

调节阻力见式(6)。

(6)

式中：ha-b为巷道断面a-b间的风流能量差，Pa，当风流稳定时等于摩擦阻力；ha为巷道断面a位置调节引起的风流能量变化，Pa；Ra-b、Rfa分别为巷道断面a-b间、巷道断面a位置调节的摩擦风阻，Ns2/m8；αa-b为巷道断面a-b间摩擦阻力系数，Ns2/m4；La-b为巷道断面a-b间长度，m；Ua-b为巷道a-b断面周长，m；Sa-b为巷道a-b断面面积，m2；Qa-b、Qa分别为通过巷道a-b或巷道断面a的风量，m3/min；va为通过巷道断面a的风速，m/min；Pa为巷道断面a的静压能，Pa；Pa-b为巷道断面a与巷道断面b的静压能差，Pa；ρa为巷道断面a的风流密度，kg/m3；g为重力加速度；Za为巷道断面a的标高，m。计算选取参数见表1。

2 U型通风方式下巷道风流逆转临界条件及危险性分析

2.1 U型通风方式风流逆转临界条件

当采用U型通风时，风路示意图如图2所示，忽略局部阻力与巷道高差(位能差)的影响，根据单位体积流体的能量守恒[8-9]分析如下所述。

图2 U型通风方式

在正常通风条件下，根据式(3)～式(6)计算可得，U型通风巷道断面1和巷道断面4的静压能差计算见式(7)。

(7)

当巷道断面2发生瓦斯涌出量为Qw的突出时，根据式(3)～式(6)计算可得，巷道断面2和巷道断面4的静压能差计算见式(8)。

h2t-4=

R2-3(Q1-2+Qw)(Q3-4+Qw)+R3-4(Q3-4+Qw)2=

(8)

发生突出后，记巷道断面1与巷道断面2的位能差为ΔP=P1-P2t,则当Δp>0时，巷道断面1的位能大于巷道断面2，进风顺槽风流方向正常；反之，当Δp<0时，进风顺槽发生风流逆转。因此，U型通风时风流逆转临界条件为式(9)。

ΔP=P1-P2t=(P1-P4)-(P2t-P4)≤0

(9)

根据表1计算参数，将式(1)～式(8)带入式(9)，可对U型通风时不同工作面剩余长度l条件下的瓦斯突出时风流逆转临临界条件计算。

2.2 U型通风下突出引发风流逆转危险性分析

U型通风下突出引发风流逆转危险性计算结果如图3所示，在U型通风下，巷道断面2突出后发生风流逆转临界突出瓦斯量随工作面走向长度变短而降低，且降速逐渐加快。

图3 U型通风时风流逆转临界瓦斯突出量曲线

这表明，在工作面回采初期，工作面剩余长度较长时，进风顺槽1-2长度较长，巷道断面1与巷道断面2风流能量差较大，发生突出后风流逆转的危险性较小。随着工作面持续推进，进风顺槽1-2长度变短，巷道断面1与巷道断面2风流能量差减小，突出后发生风流逆转的危险性也迅速增加。

3 偏Y型“一进两回”通风下巷道风流逆转临界条件及危险性分析

3.1 巷道风流逆转临界条件

当采用偏Y型“一进两回”通风方式时，风路示意图如图4所示。忽略局部阻力与巷道高差(位能差)的影响，根据单位体积流体的能量方程分析如下所述。

当未发生煤与瓦斯突出时，根据式(3)～式(7)可得，巷道截面1和巷道截面3，巷道截面3和巷道截面4，巷道截面3和巷道截面5的风流能量关系分别为式(10)～式(12)。

(10)

(11)

(12)

式中，Rf4、Rf5分别为回风顺槽3-4与沿空留巷3-5的调节风阻，即通过在回风顺槽3-4或沿空留巷3-5设置调节风窗(调风设施)实现风量调节。当工作面从切巷开始进行沿空留巷时，由于沿空留巷3-5通风线路较短，相对来说通风容易，而回风顺槽3-4由于通风线路较长，通风相对困难；随着回采工作面的推进，沿空留巷3-5长度(1 100-l)逐渐增加，通风阻力增大且风量减小，而回风顺槽3-4长度l逐渐变小，通风阻力减小且风量增大。

图4 Y型通风方式

因此，为了保证工作面回回采过程中沿空留巷3-5与回风顺槽3-4风量稳定，首先需要在沿空留巷3-5设置调节风窗Rf5，且随着回采工作面推进不断减小Rf5至0；然后再在回风顺槽3-4设置调节风窗Rf4，随着回采工作面推进，Rf4由0不断增大。

根据上述分析，记工作面推进距离为l0时，Rf4=0，Rf5=0,即工作面推进至调节风窗转换点。根据式(11)和式(12)可得式(13)。

(13)

(14)

当Rf5>0，Rf4=0,即调节风阻设置在沿空留巷3-5时，根据式(9)～式(11)可得式(15)。

(15)

根据式(14)和式(15)，即可对不同l0条件下的条件风阻Rf4或Rf5进行计算。

当巷道断面2发生瓦斯涌出量为Qw的突出后，根据式(3)和式(4)可得，巷道截面2和巷道截面3，巷道截面3和巷道截面4，巷道截面3和巷道截面5的风流能量关系分别见式(16)～式(18)。

R2-3(Q1-2+Qw)(Q3+Qw)

(16)

(17)

(R3-5+Rf5)(Q3-5+Qw5)2

(18)

式中，Qw4、Qw5分别为突出后涌入回风顺槽3-4与沿空留巷3-5的瓦斯量，即式(19)。

Qw=Qw4+Qw5

(19)

发生突出后，记巷道断面1与巷道断面2的位能差为ΔP=P1-P2t,则当Δp>0时，巷道断面1与位能大于巷道断面2，回风顺槽不发生风流逆转；反之，当Δp<0时，则发生风流逆转。偏Y型“一进两回”通风时风流逆转临界条件为式(20)。

ΔP=P1-P2t≤0

(20)

结合式(1)～式(6)及表1中计算参数，联立式(10)～式(12)、式(14)～式(20)，即可对不同l0条件下工作面回采过程中风流逆转临界瓦斯瓦斯突出量Qw进行解算。

3.2 工作面突出引发风流逆转的危险性

对l0为300 m、450 m、600 m、750 m、900 m的5种调节风阻设置方式下偏Y型“一进两回”风流逆转临界瓦斯瓦斯突出量Qw计算结果如图5所示。在Y型通风下，巷道断面2突出后发生流逆转临界突出瓦斯量随工作面剩余减短而呈近似线性降低。这表明，在回采初期，工作面剩余长度较长时，进风顺槽1-2长度较长，巷道断面1与巷道断面2风流能量差较大；且由于沿空留巷长度较短，有利于突出瓦斯排出，因此发生突出后风流逆转的危险性较小。随着工作面持续推进，进风顺槽1-2长度变短，沿空留巷长度增大，突出后发生风流逆转的危险性也逐渐增加。

随着工作面推进需要对风阻设置进行调节，风阻设置方式对风流逆转临界条件有一定影响。如图6所示，通过比较Y型通风时l0=300 m与l0=450 m、l0=600 m、l0=750 m、l0=900 m风流逆转临界瓦斯突出量差异，可知风阻设置方式对风流逆转临界条件的影响规律。即在相同工作面剩余长度条件下，当l0越小时，瓦斯更易从沿空留巷排出，因此瓦斯突出后风流逆转危险性越小。此外，在l0=300 m与l0=450 m、l0=600 m、l0=750 m、l0=900 m的风阻转换条件下，瓦斯突出后风流逆转危险性差异随着工作面推进先增大后减小。这是由于工作面推进初期，沿空留巷长度较短，其在不同l0条件下瓦斯排出能力的差异较小；随着工作面持续推进，沿空留巷长度变长，其在不同l0条件下瓦斯排出能力的差异也增大；当工作面剩余长度较短时，由于进风顺槽1-2长度变短，不同l0条件下风流逆转危险性差异再次减小。

图5 U型通风时风流逆转临界瓦斯突出量曲线

图6 Y型通风时风流逆转临界瓦斯突出量差异

4 两种通风方式下回采工作面突出引发风流逆转的危险性对比

为了更好地对比U型与偏Y型“一进两回”通风方式对防止工作面瓦斯突出风流逆转的优劣，对不同风阻转换位置l0条件下两种通风方式发生风流逆转的临界瓦斯突出量差值曲线进行分析(图6)，二者差值随工作面走向长度减小而降低。这表明，在回采初期工作面剩余长度较长时，由于Y型通风条件下突出瓦斯易于从沿空留巷排出，因此其风流逆转危险性显著低于U型通风，且l0越小，沿空留巷排出瓦斯优势越明显。随着工作面推进，沿空留巷长度增加，导流瓦斯的优势减弱，两种通风方式下风流逆转的危险性逐渐趋近。当工作面剩余长度小于50 m时，Y型通风方式下沿空留巷导流瓦斯的优势几乎不存在，此时受回风顺槽调节风阻的影响，风流逆转危险性略高于U型通风。综合对比分析，偏Y型“一进两回”通风方式对于防止工作面瓦斯突出风流逆转比U型更具优势。