煤矿现代化2019年第4期总第151期
工作面U与U+L型通风系统瓦斯风排能力研究
李云龙
（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）
要：针对传统U型通风系统存在的回风巷上隅角瓦斯浓度偏高问题，本文首先分析了两种通风
系统的结构和工作原理，然后分别利用FLUENT软件模拟了两种通风结构下的流场分布及瓦斯浓度摘
结果表明U+L型系统可显著降低回风巷上隅角的瓦斯浓度，其“一进两回”式通风结构更分布情况，
还应从维护成本等角度考虑，选用适宜的瓦斯排利于工作面的通风，但在井下通风系统选择过程中，除方式。
关键词：瓦斯；通风；U型；U+L型中图分类号：TD712.62
文献标识码：A
文章编号：1009-0797（2019）04-0022-03
LIYunlong
（XishanCoalandElectricityCo.,LTD.,XiquCoal，Gujiao030200,China）
TosolvetheproblemofhighgasconcentrationintheuppercornerofthereturnairlaneofthetraditionalU-typeventilationsystem,Abstract：
thispaperfirstanalyzesthestructureandworkingprincipleofthetwoventilationsystems,andthenusesFLUENTsoftwaretosimulatetheflowfielddistributionunderthetwoventilationstructuresrespectively.Andthedistributionofgasconcentration,theresultsshowthattheU+Ltypesystemcansignificantlyreducethegasconcentrationoftheuppercornerofthereturnlane,andits“oneintotwo”typeventilationstructureismoreconducivetotheventilationoftheworkingface,buttheselectionprocessofthedownholeventilationsystemInaddition,theappropriategasexclusionmethodshouldbeselectedfromtheperspectiveofmaintenancecosts.Gas;Ventilation;Utype;U+LtypeKeywords：
ResearchonGasExhaustCapacityofUandU+LVentilationSysteminWorkingFace0引言采空区瓦斯煤矿井下瓦斯来源主要包括三部分：
后两部涌出、煤壁瓦斯涌出、和落煤瓦斯涌出。其中，一般无较大危害，且易于分的瓦斯浓度和含量较小，
包括多个控制。而采空区瓦斯的形成因素较为复杂，采空区内顶煤来源，例如煤壁和围岩内的瓦斯涌出、坠落瓦斯涌出、采空区顶部或底部岩层内瓦斯涌出，这些位置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]。
另外，工作面通风系统造成工作面内风速加大，压力减小，在压差作用下，采空区内的瓦斯加速向工作面扩散，加之通风系统设计不合理，极易造成工作面局部区域瓦斯浓度超限。
部分煤层中我国各地区煤层地质赋存条件复杂，
的瓦斯气体含量较高，一般以吸附或游离状态存在，煤层内各部气体压力最高达数十兆帕。一般情况下，
分压力相互平衡，瓦斯气体处于静止状态，不会发生游移现象。但当煤炭采挖过程对煤层和地下岩层结构造成扰动时，内部压力平衡状态被打破，瓦斯气体自发向工作面和巷道等低压位置移动聚集，从而对安全生产造成极大隐患。
良好的井下通风系统可使瓦斯富集区的有害气体按设定风道排出，并为工作面提供新鲜的空气，井下通风系统的合理设计是煤矿安全生产的重要基础。近年来，我国各大煤矿的采掘深度和范围都明显增大，对相应通风系统的可靠性和安全性要求越来越高[1-3]。传统的U形通风系统在此遇到严峻考验，本文将重点对U+L型通风系统的瓦斯风排能力进行研究，从而为通风系统的合理选择提供理论依据。
22.1
U型及U+L型通风系统工作原理U型通风系统
U型通风系统是低瓦斯风险矿井中最为常见的
1井下瓦斯来源一种通风结构，如图1所示，主要利用已有的材料巷、皮带巷、工作面巷道等组成进风、通风和回风系统，从
·22·
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总第151期
而通过不断补充新鲜空气和风流，
将工作面各处的瓦斯浓度控制在安全范围内。
由于这种结构的巷道施工简单、工程维护量小，且风流稳定，
因此在我国各大煤矿均有广泛应用。但其缺点在于，一方面，进风巷风流在进入工作面后，一部分漏入采空区内，
然后携带瓦斯气体从工作面后部区域流出，
增大了该区域的瓦斯浓度；另一方面，风流在回风巷的上隅角处易产生涡流，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
系统显然无法保证煤炭的安全生产。
图1U型通风系统结构
2.2
U+L型通风系统
如图2所示，U+L型通风系统在原U型结构基
础上，通过开设联络巷和尾巷，将原U型的“一进一回”通风结构升级为由进风巷、
工作面、回风巷、尾巷和联络巷组成的“一进两回”式结构。一般情况下，随着工作面推进，
相距约40~70m的各联络巷在滞后工作面推进位置依次打开，保证正常回风。该种通风结构需要对采空区的尾巷和联络巷进行一定程度维护，
防止因塌落而堵塞尾巷回风通道，
因此其工程作业量相比U型巷道增大。但该种结构巷道，其进风巷的风流一部分进入采空区后，携带采空区瓦斯气体由联络巷进入尾巷，并且由工作面而来的风流进入回风巷和尾巷后，造成两巷负压，加速了采空区瓦斯的排出；另一方面，回风巷上隅角位置的风流一部分经临时支护巷道和联络巷进入尾巷，从而避免了该位置处涡流的出现，对解决回风巷上隅角瓦斯浓度超限问题有积极作用。
图2
U+L型通风系统结构
3传统U型通风系统瓦斯风排能力模拟3.1
U型通风系统建模
以山西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型通风系统数值模型。工作面采高为3.5m，有效控顶距为6.4m，长度250m；两侧进风巷和回风巷断面尺寸为3.5m×5m；后侧采空区走向长度300m，倾向长度
250m。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0.32、0.26、0.1，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型通风系统模拟结果
图3
U型通风系统瓦斯浓度分布切片图
图3为U型通风系统中距底板3m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，在1.0%以下，且越靠近进风巷，采空区瓦斯浓度越低，
范围越大。但在回风巷上隅角处，瓦斯浓度急剧升高，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。
另外，通过流场分析可知，多数风流可由主巷道进入回风巷，而在进风巷末端采空区区域，部分风流漏入采空区内部，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回风巷上隅角，造成该位置瓦斯浓度升高。
由此可知，U型结构通风系统确实可降低工作面和采空区一定范围内的瓦斯浓度，但其回风巷上隅角位置的瓦斯超限问题仍待解决。
4U+L型通风系统瓦斯风排能力模拟图4为U+L型通风系统中距底板3m高位置的瓦斯浓度分布切片图，可见回风巷上隅角30-40范围内的瓦斯浓度明显降低，采空区携带有较高浓度瓦斯
气体的风流可由尾巷排出，有效避免了上隅角瓦斯聚
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煤矿现代化集现象。
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降低维护作业成本。
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6结论井下通风系统的合理设计是煤矿安全生产的重要基础，为解决传统U型通风系统存在的回风巷上隅角瓦斯浓度偏高问题，本文首先分析了两种通风系统的结构和工作原理，然后分别利用FLUENT软件模拟了两种通风结构下的流场分布及瓦斯浓度分布
图4U+L型通风系统瓦斯浓度分布切片图
情况，结果表明U+L型系统可显著降低回风巷上隅
式通风结构更利于工作角的瓦斯浓度，其“一进两回”还应从维面的通风，但在井下通风系统选择过程中，
护成本等角度考虑，选用适宜的瓦斯排除方式。
参考文献：
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[J].山东煤炭科技,2015（04）:55-57.作者简介：
（1990-）李云龙，男，河南人，2010年毕业于山西煤炭管理干部学院，专科学历，主要从事煤矿通风方面工作。
（收稿日期：2018-8-8）
另外，流场分析可知，在增加联络巷和尾巷结构后，在靠近回风巷上隅角位置的流场形状发生明显变
经联络巷进入尾巷，并化，部分风流在漏入采空区后，但所携带排出。少部分风流仍从采空区流回工作面，瓦斯浓度较低，且不会在风力较弱的回风巷上隅角聚
集。
由此可知，U+L型通风系统的流场结构更利于工
相作面和采空区瓦斯气体的排出，以降低瓦斯浓度，比U系统更加适合于偏高浓度瓦斯矿井的生产。
5井下通风系统的合理选择传统U型通风系统虽施工简单，但其分析可知，
缺点在于回风巷上隅角的瓦斯浓度偏高，易触发报而U+L型结构可较好地解决这一问题，因此，对警，
于瓦斯风险等级较高的矿井，适宜采用U+L型通风系统。但不容忽视的是，U+L型巷道结构增加了维护作业量，采掘成本提高，因此还应综合考虑。例如，为解决一般性回风巷上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
（上接第21页）技展望,2015,25(28):144.
[4]程志恒,齐庆新,孔维一,张浪,季文博,刘晓刚.近距离煤层
群下位煤层沿空留巷合理布置研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(03):453-458.
[5]张农,韩昌良,阚甲广,郑西贵.沿空留巷围岩控制理论与
实践[J].煤炭学报,2014,39(08):1635-11.作者简介：
（1988-）高金龙，男，、山西省孝义人，2013年7月毕业助理工程师，现从事煤炭生于中国矿业大学采矿工程专业，产技术工作。
（收稿日期：2018-8-10）
高效生产，同时丰富了沿空留巷围岩控制技术实践，为类似情况下的沿空留巷提供了一定的参考借鉴意义。
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·24·
