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长壁采煤法采煤工作面通风
方式的确定

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摘要：长壁采煤法布置采煤工作面过程中如何选择合理的通风系统和通风方式，是保证采煤工作面通风可靠、安全生产的关键，也是采煤工作面上隅角瓦斯治理的有效途径本文就长壁采煤法采煤工作面通风方式进行了详细的剖析，为煤矿安全生产和稳产高奠定了基础。
关键词：长壁采煤；通风方式；隅角瓦斯防治；通风可靠

前言：长壁采煤法在我国煤炭开采过程中是较为常用的采煤方法，它主要体现在搬家次数少，工作面产出率高，能达到高产高效的目的，但在布置过程中选择不同的通风系统会遇到工作面的隅角瓦斯治理以及安全生产、稳产高产等方方面面的问题，所以长壁采煤法选择合的的通风方式至关重要。

长壁采煤法有后退式与前进式两种类型。无论是后退式工作面还是前进式工作面，沼气主要都来源于两部分：一是正被开采的煤层；二是相邻的岩层或煤层。如果不实行沼气抽放，相邻岩层或煤层的沼气将聚集在采空区。来源于上述两方面的沼气总涌出量，直接影响工作面的安全生产。工作面的沼气浓度，无论是后退式工作面，还是前进式工作面，皆由工作面风量来控制。
前进式工作面，由于采空区的漏风而减少了工作面的有效风量，但风流能有效地清洗工作面上隅角处的沼气。后退式工作面，采空区的漏风大大地减少，但在走向长壁工作面上隅角处会出现沼气的聚集（见图1）。仰斜长壁工作面，沼气上浮，沼气集中于工作面空间，不利于工作面的安全生产。俯斜长壁工作面，沼气集中于上部采空区，有利于工作面的安全生产。

采用合理的工作面通风方式，可以有效地排出工作面沼气，特别是高沼气矿井、高温矿井需要风量大，是工作面安全生产的重要保证。
长壁式工作面通风方式的选择与回采顺序、通风能力和巷道布置有关。通风方式是否合理，成为影响采煤工作面正常生产的重要因素。
一、工作面通风应满足的要求
（一）采煤工作面要有足够的风量，并符合《煤矿安全规程》的要求，特别要防止在工作面上隅角处沼气的积聚；
（二）采用沿空留巷时，巷旁应采取防漏风措施；
（三）风流最好是单向顺流，尽量减少折返、逆流，力求系统简单、风路短；
（四）根据通风要求，进风巷、回风巷应有足够的断面和数目。
二、工作面通风方式的确定
长壁式采煤工作面通风方式主要有U型、U+L型、Z型、Y型、W型以及H型等几种。见图2所示。
从图2中可以看出，如果由后退式改变成前进式开采，除U+L型通风系统之外，其它各种通风系统对前进式开采都是适用的。采用无煤柱护巷，沿空预留的或沿空掘进的通风平巷与采空区之间有连续漏风现象，也会使工作面气体流动状况发生变化。通风平巷的数目、位置、风流方向、漏风方式的改变会派生出多种类型的工作面通风方式，而且每种通风方式其采空区沼气浓度分布、沼气涌出和积存的位置、自然发火分布位置都是不同的。因此，必须根据回采煤层的赋存状况、沼气含量、煤与瓦斯突出危险程度、自燃倾向等因素，综合考虑选择相应的通风方式及巷道布置，这对改善工作面的安全生产环境，具有重要的作用。

图2
（一）U型通风方式，见图2(b)
采煤工作面所需的风量，从进风平巷流入工作面后，部分风量沿工作面空间流动，直接从回风平巷排出；而另一部分则从切顶线下半部连续地向采空区流失，又从切顶线上半部陆续地流进工作面回采空间。根据现场实测结果表明，采煤工作面风流流动状况具有图3所示的特征。
采空区冒落岩石的透气能力不同，采空区漏风量也不同，根据现场实测结果，采空区漏风量占工作面进风量的10—49%.工作面风量的分布呈两端大、中间小的状况。尽管工作面风量分布不均匀，但工作面的沼气绝对含量是沿风流前进方向而逐步增加的。从采空区重新流入工作面的风量仍有稀释沼气的作用。
长壁后退式采煤，U型通风方式，具有风流系统简单、漏风小等优点，但风流线路长、变化大。长壁前进式采煤U型通风方式，漏风量较大。在巷道维护较好的情况下，U型通风方式供风量可达800－1000 m³/min。实践证明，当回采煤层沼气涌出量为5-6 m³/min时，U型通风方式仍然可以获得较好的通风效果。

2流经采空区的距离长、控制的面积大，因此在对应流线的出口处（即上隅角），经常会处于沼气超限状态。y1、y0、y3……流动而流入采煤工作面空间。由于采空区气体沿流线流动过程中陆续有沼气泄出，使沼气浓度增高。汇集于工作面上隅角的流线y2、y1、yU型通风方式最大的问题，是在后退式采煤中工作面出口上隅角处有局部沼气聚集现象（见图1）。从图3的采煤工作面风流流动状况可以看出：沼气流入采空区后与漏入采空区的空气混合，混合后的气体沿流线1、y2、y3……流动而流入采煤工作面空间。由于采空区气体沿流线流动过程中陆续有沼气泄出，使沼气浓度增高。汇集于工作面上隅角的流线y0、y1、y2流经采空区的距离长、控制的面积大，因此在对应流线的出口处（即上隅角），经常会处于沼气超限状态。

图4为某工作面采空区的沼气浓度分布。该工作面采空区漏风量为207.5m³/min，采空区绝对沼气涌出量为4 m³/min左右，工作面上隅角的沼气浓度达6-8％，常因沼气局部超限而影响生产。调查表明，当邻近煤层向采空区泄出的沼气量大于1.5-2 m³/min时，工作面上隅角的沼气浓度通常都在2%以上，上隅角局部沼气超限是U型通风方式普遍存在的现象。由此可知，如果沼气来源单纯来自回采煤层的煤壁，U型通风方式可以稀释5－6 m³/min沼气；如果沼气是来自采空区一侧，沼气涌出量仅有2－3 m³/min也带来经常处理上隅角局部沼气积聚的麻烦。
因此，U型通风方式，在沼气含量较大的后退式采煤工作面中应用时，必须采取措施消除工作面上隅角处的沼气聚集。主要有以下措施：
1、 上隅角管道通风
当沼气量较大时，在采空区侧利用木垛维护一段长度的回风平巷，在回风平巷中安设一根管道，该管道从工作面前方穿过工作面线直至工作面后部，利用轻便压风机，将工作面约1/3的风流通过管道送至回风平巷，从而清除工作面上隅角处聚集的沼气，见图5所示。这种方法只能用于沼气含量不大的采煤工作面，在沼气总涌出量为2.4~3 m3/min的工作面中，60％ 的沼气涌出量，可通过管道送至回风平巷。

2、后部返回式通风
这种通风方式，不在采空区永久侧维护回风平巷。在回风平巷下侧留有3~5米宽的小煤柱，每隔一定距离利用联络眼将小煤柱切割，除保留一个联络眼敞开外其余联络眼均被封闭。在煤柱之下架设一排木垛，并采用泵输送和喷洒泥浆材料对木垛进行密封，使木垛与煤柱之间保持一条通道。采用这种方式，工作面所有风流先返回到后部采空区，再流入回风平巷，使工作面形成类似Z型的通风方式，为工作面上端创造一个“前进式工作面”的条件。在英国某矿使用时，在距工作面后部30米处开掘联络眼，工作面推进40米（距联络眼70米）后，再在工作面后部30米处开掘新联络眼，并将旧联络眼封闭。（见图6）

这种通风方式的巷道掘进工作量和其它辅助工作量均较U+L型、Z型、Y型、H型（见下述）为小，在英国煤矿仰斜长壁后退式工作面首次采用时，虽然工作面沼气总涌出量为18m3/min或更高，取得了良好的效果。
（二）U+L型通风方式
U+L型通风方式，即尾巷排放方式，是在采煤工作面采空区漏风风流轨迹的末端边界上，事先掘成与采空区相通的联络眼，使采空区浓度较高的沼气流人排放沼气的专用煤层平巷或岩石平巷。由于联络眼与排沼气专用平巷呈L型，并与U型通风系统配合使用，故又称U+L型通风方式（见图2b）。
由于尾部联络眼为采空区沼气提供了出路，可以使风流流动呈图7所示的状况，采空区部分沼气会以较高的浓度沿ψ0、ψ1流线从联络眼4排出，流入工作面的沼气量减少，由于靠近切顶线下端的采空区漏风量较大，因此从上隅角流入工作面沼气浓度会明显降低。

随工作面向前推进，联络眼至工作面的距离日益增加，从采空区流入工作面的流线ψ3、ψ4……在采空区所流经的距离会相应地增加，对应流线所控制的采空区面积也在逐渐增加，由采空区流入工作面的沼气量也会逐渐增加，使工作面上隅角又会出现沼气含量超限现象。这时必须开启新的联络巷释放采空区的沼气。
释放采空区沼气的联络巷应提前掘通，联络眼进入切顶线后即可发挥排放沼气的作用。两联络眼之间的间距，根据工作面的具体条件有很大的差别。一般来说，邻近层沼气量大，采空区陷落岩石排列致密，邻近煤层距回采煤层近，工作面放顶后顶板随之垮落，或者说采空区沼气涌出距工作面切顶线较近者——包括厚煤层开采时由下部各分层涌出的沼气，都会在切顶线后面陆续涌出，这时两联络眼之间的距离应保持50m左右，甚至更小。如果采空区孔隙率大，透气性好，而且联络眼的排风能力强，并在联络眼处设有排放沼气的专用风机，使采空区释放沼气的联络眼之间的距离应增大到160m。
U+L型通风方式，是减少采空区沼气向工作面涌出的有效方法。在使用过程中，排沼气专用巷3的沼气浓度按局部沼气积聚现象来管理，其沼气浓度应控制在2%以内。通常联络眼内的沼气浓度较高，必须采取有效的措施。排放沼气的专用平巷3必须有新风补给，以便将联络眼出口的沼气浓度稀释到2%以下。
U+L型通风方式是将工作面沼气从两个方向排出。其中从U型系统排出的沼气量可达5－6m³/ min，其中包括1－2 m³/ min的采空区沼气；从尾排系统排出的沼气可达7－8 m³/ min,甚至更高。显然，在开采厚煤层或复合煤层时，对难以用沼气抽放技术、且沼气含量大的近距离邻近层和分层开采的厚煤层，采用U十L型通风方式是比较适宜的。
采用U+L型通风方式，是将工作面沼气分而治之，既解决了上隅角沼气长期超限的难题，又可以降低工作面通风系统的阻力，改善工作面的生产环境。因而这种方法在鸡西、西山、阳泉等局的高沼气矿井都得到了广泛应用。
（三）Z型通风方式
这种通风方式进风流与回风流的方向相同，所以也可称为顺流通风方式。采用这种通风方式采区边界设有回风上山，并配合有沿空留巷（见图2d）。这种通风方式可使区段内的风流路线短、长度变化小，漏风量小，并可利用漏风将工作面上隅角处的沼气带到回风平巷。Z型通风方式效果较U型通风方式好，一般用于高沼气的矿井，沼气涌出量大于10 m3/t 。
（四）Y型通风方式
当采煤工作面产量大和沼气涌出量大时，采用这种方式可以稀释回风流中的沼气。对于综采工作面，上下平巷均进新鲜风流，不仅有利于上下平巷中的机电设备，而且可防止工作面上隅角积聚瓦斯及保证足够的风量。这种方式也要求设有边界回风上山，并配有沿空留巷。
开采薄煤层群时，首次采动的煤层，其工作面沼气主要是来自采空区一侧。采用U型通风方式不仅很难消除上隅角沼气超限，甚至因风量增加造成工作面风速偏高，恶化生产环境。如果采用U+L型通风方式巷道掘进率会明显增加。采用Y型通风方式效果较好。
Y型通风方式，工作面两端煤层平巷均作为工作面进风巷，工作面回风巷则是沿采空区维护并作为接续工作面用的进风巷。巷道布置如图8所示。

从工作面风流系统图中可以看出，在工作面范围内，沿空回风巷的末端是风压最低点，从输送机巷流入的新鲜空气，一部分沿工作面流动，稀释来自工作面落煤和煤壁涌出的沼气；另一部分则流入采空区，与采空区沼气混合后从沿空回风巷呈连续漏风状泄出。由于材料巷2也是工作的进风巷，其风量大小可根据沿空回风巷的实际需要进行调节，保证沿空回风巷的沼气浓度符合《煤矿安全规程》的要求。
与原来的U型通风系统相比，安全技术指标得到明显改善，各项对比指标的具体数据详见表1。
指 标
U 型
Y 型
工作面长度（m）
煤层厚度（m）
工作面风(m3/min)
工作面风速(m/s)
工作面温度(0C)
工作面回风沼气浓度 (%)
上隅角沼气浓度(%)
工作面新鲜风流数（条）
工作面平均产量 (t/d)
112
1.85
462
3. 85
15
1.53

>10
1
300
112
1.85
216
1.80
18.5
0.48

0.4
2
402
从Y型和U型通风方式实施效果对比表明，Y型通风方式有以下几项优点：
（1）由于工作面最低风压点位于沿空回风巷的末端，而工作面切顶线各点的风压均高于沿空巷末端风压，因此采空区气体流动方向总是由切顶线向沿空巷流动，从而消除了隅角沼气积聚现象。
（2）由于工作面落煤及煤壁涌出的沼气和采空区涌出的沼气，是用两条风路分别进行稀释，从而使工作面的供风量明显降低，大大改善了工作面的劳动生产环境
（3）由于沿空回风巷可供相邻区段复用，取消了区段煤柱，降低了掘进率，提高了回采率，经济技术指标有所改善。
Y型通风方式在无自然发火危险的高沼气薄煤层采用较多，当采高大于1.6m后，因沿空护巷效果差而未能推广。
（五）W型通风方式
当采用对拉工作面时，可用上下平巷同时进风（或回风）和中间平巷回风（或进风）的方式（见图2e）。采用W型通风方式有利于满足上下工作面同采，实现集中生产的要求。这种通风方式的主要特点是不用设置第二条风道；若上下端平巷进风，在该巷中回撤、安装、维修采煤设备等有良好的环境；同时，易于稀释工作面沼气、使上隅角沼气不易积聚，排炮烟、煤尘速度快。
某矿某工作面是仰斜开采的对拉工作面，对拉工作面长300m分成A、B两段（见图9），形成了W型通风系统。已往的生产经验已证明，回采时的沼气主要是来源于采空区。为此，增开掘了一条排沼气的专用巷道，该巷每隔50m有联络眼与回风巷联通。随采煤工作面向上推进，联络眼依次与采空区联通，起到释放沼气的作用。

该工作面处于生产水平标高以下，除工作面进回风巷之外，没有其它巷道，排沼气专用巷没有新风补给。为了提高排沼气专用巷的风量，工作面设有两条进风巷（其风量分别为630 m³/ min和300 m³/ min）和一条回风巷（排风量为500 m³/ min），以增加流经采空区的尾排巷的风量。由于回风巷各个联络眼漏风难以管理，为了提高尾排巷的风量，在该巷的出口安设了两台抽沼气的专用风机，以提高尾排系统的负压，增加巷道内风量。从数个联络眼流出的风量达445 m³/ min，沼气浓度为2.9%，回风巷风量为500 m³/ min，沼气浓度为0.8%。从尾排系统排出的沼气占工作面沼气涌出量的76%以上。
 改变工作面的通风方式实质上是改变工作面边界上的巷道位置、数目和气流方向。同样，在采空区边界上选择适当的位置，掘成联络通道，根据生产需要调整联络通道的风流方向和风量大小，同样可以控制采空区的气体流动方向和大小，使这种控制对工作面安全生产产生有益的影响。
（六）H型通风方式
这种通风方式与Y型通风的区别在于工作面两侧的区段运输巷、回风巷均作为进风或回风之用，增加了风量，有利于进一步稀释沼气。但这种方式通风方式，系统较复杂，区段运输巷、回风巷均要先掘后留，掘进、维护工程量较大，故较少采用。

参考文献
［1］洪允和主编，《煤矿开采方法》，中国矿业大学出版社，1991年
［2］张希峻主编，《煤矿开采方法》，煤炭部教材编缉室，1985年
［3］吴中立主编，《矿井通风与安全》，中国矿业大学出版社，1995年
［4］钱鸣高，等。采煤工艺学［M］。徐州，中国矿大出版社，1998年