長壁采煤法采煤工作面通風方式的確定

長壁采煤法有后退式與前進式兩種類型。無論是后退式工作面還是前進式工作面，沼氣主要都來源于兩部分：一是正被開采的煤層；二是相鄰的巖層或煤層。如果不實行沼氣抽放，相鄰巖層或煤層的沼氣將聚集在采空區。來源于上述兩方面的沼氣總涌出量，直接影響工作面的安全生產。工作面的沼氣濃度，無論是后退式工作面，還是前進式工作面，皆由工作面風量來控制。
前進式工作面，由于采空區的漏風而減少了工作面的有效風量，但風流能有效地清洗工作面上隅角處的沼氣。后退式工作面，采空區的漏風大大地減少，但在走向長壁工作面上隅角處會出現沼氣的聚集（見圖1）。仰斜長壁工作面，沼氣上浮，沼氣集中于工作面空間，不利于工作面的安全生產。俯斜長壁工作面，沼氣集中于上部采空區，有利于工作面的安全生產。


圖1 工作面上隅角處沼氣的聚集
采用合理的工作面通風方式，可以有效地排出工作面沼氣，特別是高沼氣礦井、高溫礦井需要風量大，是工作面安全生產的重要保證。
長壁式工作面通風方式的選擇與回采順序、通風能力和巷道布置有關。通風方式是否合理，成為影響采煤工作面正常生產的重要因素。
一、工作面通風應滿足的要求
（一）采煤工作面要有足夠的風量，并符合《煤礦安全規程》的要求，特別要防止在工作面上隅角處沼氣的積聚；
（二）采用沿空留巷時，巷旁應采取防漏風措施；
（三）風流最好是單向順流，盡量減少折返、逆流，力求系統簡單、風路短；
（四）根據通風要求，進風巷、回風巷應有足夠的斷面和數目。
二、工作面通風方式的確定
長壁式采煤工作面通風方式主要有U型、U+L型、Z型、Y型、W型以及H
型等幾種。見圖2所示。
從圖2中可以看出，如果由后退式改變成前進式開采，除U+L型通風系統之外，其它各種通風系統對前進式開采都是適用的。采用無煤柱護巷，沿空預留的或沿空掘進的通風平巷與采空區之間有連續漏風現象，也會使工作面氣體流動狀況發生變化。通風平巷的數目、位置、風流方向、漏風方式的改變會派生出多種類型的工作面通風方式，而且每種通風方式其采空區沼氣濃度分布、沼氣涌出和積存的位置、自然發火分布位置都是不同的。因此，必須根據回采煤層的賦存狀況、沼氣含量、煤與瓦斯突出危險程度、自燃傾向等因素，綜合考慮選擇相應的通風方式及巷道布置，這對改善工作面的安全生產環境，具有重要的作用。

（一）U型通風方式，見圖2(a)
采煤工作面所需的風量，從進風平巷流入工作面后，部分風量沿工作面空間流動，直接從回風平巷排出；而另一部分則從切頂線下半部連續地向采空區流失，又從切頂線上半部陸續地流進工作面回采空間。根據現場實測結果表明，采煤工作面風流流動狀況具有圖3所示的特征。
采空區冒落巖石的透氣能力不同，采空區漏風量也不同，根據現場實測結果，采空區漏風量占工作面進風量的1049％不等。工作面風量的分布呈兩端大、中間小的狀況。盡管工作面風量分布不均勻，但工作面的沼氣絕對含量是沿風流前進方向而逐步增加的。從采空區重新流入工作面的風量仍有稀釋沼氣的作用。
長壁后退式采煤，U型通風方式，具有風流系統簡單、漏風小等優點，但風流線路長、變化大。長壁前進式采煤，U型通風方式，漏風量較大。在巷道維護較好的情況下，U型通風方式供風量可達800－1000 m³/min。實踐證明，當回采煤層沼氣涌出量為5-6 m³/min時，U型通風方式仍然可以獲得較好的通風效果。


U型通風方式最大的問題，是在后退式采煤中工作面出口上隅角處有局部沼氣聚集現象（見圖1）。從圖3的采煤工作面風流流動狀況可以看出：沼氣流入采空區后與漏入采空區的空氣混合，混合后的氣體沿流線1、2、3……流動而流入采煤工作面空間。由于采空區氣體沿流線流動過程中陸續有沼氣泄出，使沼氣濃度增高。匯集于工作面上隅角的流線0、1、2流經采空區的距離長、控制的面積大，因此在對應流線的出口處（即上隅角），經常會處于沼氣超限狀態。

圖4為某工作面采空區的沼氣濃度分布。該工作面采空區漏風量為207.5m³/min，采空區絕對沼氣涌出量為4 m³/min左右，工作面上隅角的沼氣濃度達6-8％，常因沼氣局部超限而影響生產。
調查表明，當鄰近煤層向采空區泄出的沼氣量大于1.5-2 m³/min時，工作面上隅角的沼氣濃度通常都在2%以上，上隅角局部沼氣超限是U型通風方式普遍存在的現象。由此可知，如果沼氣來源單純來自回采煤層的煤壁，U型通風方式可以稀釋5－6 m³/min沼氣；如果沼氣是來自采空區一側，沼氣涌出量僅有2－3 m³/min也帶來經常處理上隅角局部沼氣積聚的麻煩。
因此，U型通風方式，在沼氣含量較大的后退式采煤工作面中應用時，必須采取措施消除工作面上隅角處的沼氣聚集。主要有以下措施：
1、 上隅角管道通風
當沼氣量較大時，在采空區側利用木垛維護一段長度的回風平巷，在回風平巷中安設一根管道，該管道從工作面前方穿過工作面線直至工作面后部，利用輕便壓風機，將工作面約1/3的風流通過管道送至回風平巷，從而清除工作面上隅角處聚集的沼氣，見圖5所示。這種方法只能用于沼氣含量不大的采煤工作面，在沼氣總涌出量為2.43 m3/min的工作面中，60％ 的沼氣涌出量，可通過管道送至回風平巷。

2、后部返回式通風
這種通風方式，不在采空區永久側維護回風平巷。在回風平巷下側留有35米寬的小煤柱，每隔一定距離利用聯絡眼將小煤柱切割，除保留一個聯絡眼敞開外其余聯絡眼均被封閉。在煤柱之下架設一排木垛，并采用泵輸送和噴灑泥漿材料對木垛進行密封，使木垛與煤柱之間保持一條通道。采用這種方式，工作面所有風流先返回到后部采空區，再流入回風平巷，使工作面形成類似Z型的通風方式，為工作面上端創造一個“前進式工作面”的條件。在英國某礦使用時，在距工作面后部30米處開掘聯絡眼，工作面推進40米（距聯絡眼70米）后，再在工作面后部30米處開掘新聯絡眼，并將舊聯絡眼封閉。（見圖6）

這種通風方式的巷道掘進工作量和其它輔助工作量均較U+L型、Z型、Y型、H型（見下述）為小，在英國煤礦仰斜長壁后退式工作面首次采用時，雖然工作面沼氣總涌出量為18m3/min或更高，取得了良好的效果。
（二）U+L型通風方式
U+L型通風方式，即尾巷排放方式，是在采煤工作面采空區漏風風流軌跡的末端邊界上，事先掘成與采空區相通的聯絡眼，使采空區濃度較高的沼氣流人排放沼氣的專用煤層平巷或巖石平巷。由于聯絡眼與排沼氣專用平巷呈L型，并與U型通風系統配合使用，故又稱U+L型通風方式（見圖2b）。
由于尾部聯絡眼為采空區沼氣提供了出路，可以使風流流動呈圖7所示的狀況，采空區部分沼氣會以較高的濃度沿ψ0、ψ1流線從聯絡眼4排出，流入工作面的沼氣量減少，由于靠近切頂線下端的采空區漏風量較大，因此從上隅角流入工作面沼氣濃度會明顯降低。

隨工作面向前推進，聯絡眼至工作面的距離日益增加，從采空區流入工作面的流線ψ3、ψ4……在采空區所流經的距離會相應地增加，對應流線所控制的采空區面積也在逐漸增加，由采空區流入工作面的沼氣量也會逐漸增加，使工作面上隅角又會出現沼氣含量超限現象。這時必須開啟新的聯絡巷釋放采空區的沼氣。
釋放采空區沼氣的聯絡巷應提前掘通，聯絡眼進入切頂線后即可發揮排放沼氣的作用。兩聯絡眼之間的間距，根據工作面的具體條件有很大的差別。一般來說，鄰近層沼氣量大，采空區陷落巖石排列致密，鄰近煤層距回采煤層近，工作面放頂后頂板隨之垮落，或者說采空區沼氣涌出距工作面切頂線較近者——包括厚煤層開采時由下部各分層涌出的沼氣，都會在切頂線后面陸續涌出，這時兩聯絡眼之間的距離應保持50m左右，甚至更小。如果采空區孔隙率大，透氣性好，而且聯絡眼的排風能力強，并在聯絡眼處設有排放沼氣的專用風機，使采空區釋放沼氣的聯絡眼之間的距離應增大到160m。
U+L型通風方式，是減少采空區沼氣向工作面涌出的有效方法。在使用過程中，排沼氣專用巷3的沼氣濃度按局部沼氣積聚現象來管理，其沼氣濃度應控制在2%以內。通常聯絡眼內的沼氣濃度較高，必須采取有效的措施。排放沼氣的專用平巷3必須有新風補給，以便將聯絡眼出口的沼氣濃度稀釋到2%以下。
U+L型通風方式是將工作面沼氣從兩個方向排出。其中從U型系統排出的沼氣量可達5－6m³/ min，其中包括1－2 m³/ min的采空區沼氣；從尾排系統排出的沼氣可達7－8 m³/ min,甚至更高。顯然，在開采厚煤層或復合煤層時，對難以用沼氣抽放技術、且沼氣含量大的近距離鄰近層和分層開采的厚煤層，采用U十L型通風方式是比較適宜的。
采用U+L型通風方式，是將工作面沼氣分而治之，既解決了上隅角沼氣長期超限的難題，又可以降低工作面通風系統的阻力，改善工作面的生產環境。因而這種方法在雞西、西山、陽泉等局的高沼氣礦井都得到了廣泛應用。
（三）Z型通風方式
這種通風方式進風流與回風流的方向相同，所以也可稱為順流通風方式。采用這種通風方式采區邊界設有回風上山，并配合有沿空留巷（見圖2d）。這種通風方式可使區段內的風流路線短、長度變化小，漏風量小，并可利用漏風將工作面上隅角處的沼氣帶到回風平巷。Z型通風方式效果較U型通風方式好，一般用于高沼氣的礦井，沼氣涌出量大于10 m3/t 。
（四）Y型通風方式
當采煤工作面產量大和沼氣涌出量大時，采用這種方式可以稀釋回風流中的沼氣。對于綜采工作面，上下平巷均進新鮮風流，不僅有利于上下平巷中的機電設備，而且可防止工作面上隅角積聚瓦斯及保證足夠的風量。這種方式也要求設有邊界回風上山，并配有沿空留巷。
開采薄煤層群時，首次采動的煤層，其工作面沼氣主要是來自采空區一側。采用U型通風方式不僅很難消除上隅角沼氣超限，甚至因風量增加造成工作面風速偏高，惡化生產環境。如果采用U+L型通風方式巷道掘進率會明顯增加。采用Y型通風方式效果較好。
Y型通風方式，工作面兩端煤層平巷均作為工作面進風巷，工作面回風巷則是沿采空區維護并作為接續工作面用的進風巷。巷道布置如圖8所示。

從工作面風流系統圖中可以看出，在工作面范圍內，沿空回風巷的末端是風壓最低點，從輸送機巷流入的新鮮空氣，一部分沿工作面流動，稀釋來自工作面落煤和煤壁涌出的沼氣；另一部分則流入采空區，與采空區沼氣混合后從沿空回風巷呈連續漏風狀泄出。由于材料巷2也是工作的進風巷，其風量大小可根據沿空回風巷的實際需要進行調節，保證沿空回風巷的沼氣濃度符合《煤礦安全規程》的要求。
與原來的U型通風系統相比，安全技術指標得到明顯改善，各項對比指標的具體數據詳見表1。
表 1

指 標

U 型

Y 型

工作面長度（m）

煤層厚度（m）

工作面風量(m³/min)

工作面風速(m/sec)

工作面溫度(⁰C)

工作面回風沼氣濃度 (%)

上隅角沼氣濃度(%)

工作面新鮮風流數（條）

工作面平均產量 (t/d)

112

1.05

462

3. 85

15

1.53

>10

1

300

112

1.05

216

1.80

18.5

0.48

0.4

2

402

從Y型和U型通風方式實施效果對比表明，Y型通風方式有以下幾項優點：
（1）由于工作面最低風壓點位于沿空回風巷的末端，而工作面切頂線各點的風壓均高于沿空巷末端風壓，因此采空區氣體流動方向總是由切頂線向沿空巷流動，從而消除了隅角沼氣積聚現象。
（2）由于工作面落煤及煤壁涌出的沼氣和采空區涌出的沼氣，是用兩條風路分別進行稀釋，從而使工作面的供風量明顯降低，大大改善了工作面的勞動生產環境。
（3）由于沿空回風巷可供相鄰區段復用，取消了區段煤柱，降低了掘進率，提高了回采率，經濟技術指標有所改善。
Y型通風方式在無自然發火危險的高沼氣薄煤層采用較多，當采高大于1.6m后，因沿空護巷效果差而未能推廣。
（五）W型通風方式
當采用對拉工作面時，可用上下平巷同時進風（或回風）和中間平巷回風（或進風）的方式（見圖2e）。采用W型通風方式有利于滿足上下工作面同采，實現集中生產的要求。這種通風方式的主要特點是不用設置第二條風道；若上下端平巷進風，在該巷中回撤、安裝、維修采煤設備等有良好的環境；同時，易于稀釋工作面沼氣、使上隅角沼氣不易積聚，排炮煙、煤塵速度快。
某礦某工作面是仰斜開采的對拉工作面，對拉工作面長300m分成A、B兩段（見圖9），形成了W型通風系統。已往的生產經驗已證明，回采時的沼氣主要是來源于采空區。為此，增開掘了一條排沼氣的專用巷道，該巷每隔50m有聯絡眼與回風巷聯通。隨采煤工作面向上推進，聯絡眼依次與采空區聯通，起到釋放沼氣的作用。

該工作面處于生產水平標高以下，除工作面進回風巷之外，沒有其它巷道，排沼氣專用巷沒有新風補給。為了提高排沼氣專用巷的風量，工作面設有兩條進風巷（其風量分別為630 m³/ min和300 m³/ min）和一條回風巷（排風量為500 m³/ min），以增加流經采空區的尾排巷的風量。由于回風巷各個聯絡眼漏風難以管理，為了提高尾排巷的風量，在該巷的出口安設了兩臺抽沼氣的專用風機，以提高尾排系統的負壓，增加巷道內風量。從數個聯絡眼流出的風量達445 m³/ min，沼氣濃度為2.9%，回風巷風量為500 m³/ min，沼氣濃度為0.8%。從尾排系統排出的沼氣占工作面沼氣涌出量的76%以上。
改變工作面的通風方式實質上是改變工作面邊界上的巷道位置、數目和氣流方向。同樣，在采空區邊界上選擇適當的位置，掘成聯絡通道，根據生產需要調整聯絡通道的風流方向和風量大小，同樣可以控制采空區的氣體流動方向和大小，使這種控制對工作面安全生產產生有益的影響。
（六）H型通風方式
這種通風方式與Y型通風的區別在于工作面兩側的區段運輸巷、回風巷均作為進風或回風之用，增加了風量，有利于進一步稀釋沼氣。但這種方式通風方式，系統較復雜，區段運輸巷、回風巷均要先掘后留，掘進、維護工程量較大，故較少采用。