長壁采煤法采煤工作面通風(fēng)方式的確定
長壁采煤法有后退式與前進(jìn)式兩種類型。無論是后退式工作面還是前進(jìn)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(shí)行沼氣抽放，相鄰巖層或煤層的沼氣將聚集在采空區(qū)。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(chǎn)。工作面的沼氣濃度，無論是后退式工作面，還是前進(jìn)式工作面，皆由工作面風(fēng)量來控制。
前進(jìn)式工作面，由于采空區(qū)的漏風(fēng)而減少了工作面的有效風(fēng)量，但風(fēng)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(qū)的漏風(fēng)大大地減少，但在走向長壁工作面上隅角處會出現(xiàn)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(chǎn)。俯斜長壁工作面，沼氣集中于上部采空區(qū)，有利于工作面的安全生產(chǎn)。
圖1 工作面上隅角處沼氣的聚集
采用合理的工作面通風(fēng)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(fēng)量大，是工作面安全生產(chǎn)的重要保證。
長壁式工作面通風(fēng)方式的選擇與回采順序、通風(fēng)能力和巷道布置有關(guān)。通風(fēng)方式是否合理，成為影響采煤工作面正常生產(chǎn)的重要因素。
一、工作面通風(fēng)應(yīng)滿足的要求
（一）采煤工作面要有足夠的風(fēng)量，并符合《煤礦安全規(guī)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(shí)，巷旁應(yīng)采取防漏風(fēng)措施；
（三）風(fēng)流最好是單向順流，盡量減少折返、逆流，力求系統(tǒng)簡單、風(fēng)路短；
（四）根據(jù)通風(fēng)要求，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷應(yīng)有足夠的斷面和數(shù)目。
二、工作面通風(fēng)方式的確定
長壁式采煤工作面通風(fēng)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(jìn)式開采，除U+L型通風(fēng)系統(tǒng)之外，其它各種通風(fēng)系統(tǒng)對前進(jìn)式開采都是適用的。采用無煤柱護(hù)巷，沿空預(yù)留的或沿空掘進(jìn)的通風(fēng)平巷與采空區(qū)之間有連續(xù)漏風(fēng)現(xiàn)象，也會使工作面氣體流動狀況發(fā)生變化。通風(fēng)平巷的數(shù)目、位置、風(fēng)流方向、漏風(fēng)方式的改變會派生出多種類型的工作面通風(fēng)方式，而且每種通風(fēng)方式其采空區(qū)沼氣濃度分布、沼氣涌出和積存的位置、自然發(fā)火分布位置都是不同的。因此，必須根據(jù)回采煤層的賦存狀況、沼氣含量、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度、自燃傾向等因素，綜合考慮選擇相應(yīng)的通風(fēng)方式及巷道布置，這對改善工作面的安全生產(chǎn)環(huán)境，具有重要的作用。
（一）U型通風(fēng)方式，見圖2(a)
采煤工作面所需的風(fēng)量，從進(jìn)風(fēng)平巷流入工作面后，部分風(fēng)量沿工作面空間流動，直接從回風(fēng)平巷排出；而另一部分則從切頂線下半部連續(xù)地向采空區(qū)流失，又從切頂線上半部陸續(xù)地流進(jìn)工作面回采空間。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，采煤工作面風(fēng)流流動狀況具有圖3所示的特征。
采空區(qū)冒落巖石的透氣能力不同，采空區(qū)漏風(fēng)量也不同，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，采空區(qū)漏風(fēng)量占工作面進(jìn)風(fēng)量的1049％不等。工作面風(fēng)量的分布呈兩端大、中間小的狀況。盡管工作面風(fēng)量分布不均勻，但工作面的沼氣絕對含量是沿風(fēng)流前進(jìn)方向而逐步增加的。從采空區(qū)重新流入工作面的風(fēng)量仍有稀釋沼氣的作用。
長壁后退式采煤，U型通風(fēng)方式，具有風(fēng)流系統(tǒng)簡單、漏風(fēng)小等優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)流線路長、變化大。長壁前進(jìn)式采煤，U型通風(fēng)方式，漏風(fēng)量較大。在巷道維護(hù)較好的情況下，U型通風(fēng)方式供風(fēng)量可達(dá)800－1000 m³/min。實(shí)踐證明，當(dāng)回采煤層沼氣涌出量為5-6 m³/min時(shí)，U型通風(fēng)方式仍然可以獲得較好的通風(fēng)效果。
U型通風(fēng)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(xiàn)象（見圖1）。從圖3的采煤工作面風(fēng)流流動狀況可以看出：沼氣流入采空區(qū)后與漏入采空區(qū)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(qū)氣體沿流線流動過程中陸續(xù)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(jīng)采空區(qū)的距離長、控制的面積大，因此在對應(yīng)流線的出口處（即上隅角），經(jīng)常會處于沼氣超限狀態(tài)。
圖4為某工作面采空區(qū)的沼氣濃度分布。該工作面采空區(qū)漏風(fēng)量為207.5m³/min，采空區(qū)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(dá)6-8％，常因沼氣局部超限而影響生產(chǎn)。
調(diào)查表明，當(dāng)鄰近煤層向采空區(qū)泄出的沼氣量大于1.5-2 m³/min時(shí)，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(fēng)方式普遍存在的現(xiàn)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(fēng)方式可以稀釋5－6 m³/min沼氣；如果沼氣是來自采空區(qū)一側(cè)，沼氣涌出量僅有2－3 m³/min也帶來經(jīng)常處理上隅角局部沼氣積聚的麻煩。
因此，U型通風(fēng)方式，在沼氣含量較大的后退式采煤工作面中應(yīng)用時(shí)，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(fēng)
當(dāng)沼氣量較大時(shí)，在采空區(qū)側(cè)利用木垛維護(hù)一段長度的回風(fēng)平巷，在回風(fēng)平巷中安設(shè)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(fēng)機(jī)，將工作面約1/3的風(fēng)流通過管道送至回風(fēng)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2.43 m3/min的工作面中，60％ 的沼氣涌出量，可通過管道送至回風(fēng)平巷。
2、后部返回式通風(fēng)
這種通風(fēng)方式，不在采空區(qū)永久側(cè)維護(hù)回風(fēng)平巷。在回風(fēng)平巷下側(cè)留有35米寬的小煤柱，每隔一定距離利用聯(lián)絡(luò)眼將小煤柱切割，除保留一個(gè)聯(lián)絡(luò)眼敞開外其余聯(lián)絡(luò)眼均被封閉。在煤柱之下架設(shè)一排木垛，并采用泵輸送和噴灑泥漿材料對木垛進(jìn)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(fēng)流先返回到后部采空區(qū)，再流入回風(fēng)平巷，使工作面形成類似Z型的通風(fēng)方式，為工作面上端創(chuàng)造一個(gè)“前進(jìn)式工作面”的條件。在英國某礦使用時(shí)，在距工作面后部30米處開掘聯(lián)絡(luò)眼，工作面推進(jìn)40米（距聯(lián)絡(luò)眼70米）后，再在工作面后部30米處開掘新聯(lián)絡(luò)眼，并將舊聯(lián)絡(luò)眼封閉。（見圖6）
這種通風(fēng)方式的巷道掘進(jìn)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(shí)，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(fēng)方式
U+L型通風(fēng)方式，即尾巷排放方式，是在采煤工作面采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流軌跡的末端邊界上，事先掘成與采空區(qū)相通的聯(lián)絡(luò)眼，使采空區(qū)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(lián)絡(luò)眼與排沼氣專用平巷呈L型，并與U型通風(fēng)系統(tǒng)配合使用，故又稱U+L型通風(fēng)方式（見圖2b）。
由于尾部聯(lián)絡(luò)眼為采空區(qū)沼氣提供了出路，可以使風(fēng)流流動呈圖7所示的狀況，采空區(qū)部分沼氣會以較高的濃度沿ψ0、ψ1流線從聯(lián)絡(luò)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(qū)漏風(fēng)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(jìn)，聯(lián)絡(luò)眼至工作面的距離日益增加，從采空區(qū)流入工作面的流線ψ3、ψ4……在采空區(qū)所流經(jīng)的距離會相應(yīng)地增加，對應(yīng)流線所控制的采空區(qū)面積也在逐漸增加，由采空區(qū)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(xiàn)沼氣含量超限現(xiàn)象。這時(shí)必須開啟新的聯(lián)絡(luò)巷釋放采空區(qū)的沼氣。
釋放采空區(qū)沼氣的聯(lián)絡(luò)巷應(yīng)提前掘通，聯(lián)絡(luò)眼進(jìn)入切頂線后即可發(fā)揮排放沼氣的作用。兩聯(lián)絡(luò)眼之間的間距，根據(jù)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(qū)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(qū)沼氣涌出距工作面切頂線較近者——包括厚煤層開采時(shí)由下部各分層涌出的沼氣，都會在切頂線后面陸續(xù)涌出，這時(shí)兩聯(lián)絡(luò)眼之間的距離應(yīng)保持50m左右，甚至更小。如果采空區(qū)孔隙率大，透氣性好，而且聯(lián)絡(luò)眼的排風(fēng)能力強(qiáng)，并在聯(lián)絡(luò)眼處設(shè)有排放沼氣的專用風(fēng)機(jī)，使采空區(qū)釋放沼氣的聯(lián)絡(luò)眼之間的距離應(yīng)增大到160m。
U+L型通風(fēng)方式，是減少采空區(qū)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(xiàn)象來管理，其沼氣濃度應(yīng)控制在2%以內(nèi)。通常聯(lián)絡(luò)眼內(nèi)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(fēng)補(bǔ)給，以便將聯(lián)絡(luò)眼出口的沼氣濃度稀釋到2%以下。
U+L型通風(fēng)方式是將工作面沼氣從兩個(gè)方向排出。其中從U型系統(tǒng)排出的沼氣量可達(dá)5－6m³/ min，其中包括1－2 m³/ min的采空區(qū)沼氣；從尾排系統(tǒng)排出的沼氣可達(dá)7－8 m³/ min,甚至更高。顯然，在開采厚煤層或復(fù)合煤層時(shí)，對難以用沼氣抽放技術(shù)、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(fēng)方式是比較適宜的。
采用U+L型通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的阻力，改善工作面的生產(chǎn)環(huán)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(yīng)用。
（三）Z型通風(fēng)方式
這種通風(fēng)方式進(jìn)風(fēng)流與回風(fēng)流的方向相同，所以也可稱為順流通風(fēng)方式。采用這種通風(fēng)方式采區(qū)邊界設(shè)有回風(fēng)上山，并配合有沿空留巷（見圖2d）。這種通風(fēng)方式可使區(qū)段內(nèi)的風(fēng)流路線短、長度變化小，漏風(fēng)量小，并可利用漏風(fēng)將工作面上隅角處的沼氣帶到回風(fēng)平巷。Z型通風(fēng)方式效果較U型通風(fēng)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(fēng)方式
當(dāng)采煤工作面產(chǎn)量大和沼氣涌出量大時(shí)，采用這種方式可以稀釋回風(fēng)流中的沼氣。對于綜采工作面，上下平巷均進(jìn)新鮮風(fēng)流，不僅有利于上下平巷中的機(jī)電設(shè)備，而且可防止工作面上隅角積聚瓦斯及保證足夠的風(fēng)量。這種方式也要求設(shè)有邊界回風(fēng)上山，并配有沿空留巷。
開采薄煤層群時(shí)，首次采動的煤層，其工作面沼氣主要是來自采空區(qū)一側(cè)。采用U型通風(fēng)方式不僅很難消除上隅角沼氣超限，甚至因風(fēng)量增加造成工作面風(fēng)速偏高，惡化生產(chǎn)環(huán)境。如果采用U+L型通風(fēng)方式巷道掘進(jìn)率會明顯增加。采用Y型通風(fēng)方式效果較好。
Y型通風(fēng)方式，工作面兩端煤層平巷均作為工作面進(jìn)風(fēng)巷，工作面回風(fēng)巷則是沿采空區(qū)維護(hù)并作為接續(xù)工作面用的進(jìn)風(fēng)巷。巷道布置如圖8所示。
從工作面風(fēng)流系統(tǒng)圖中可以看出，在工作面范圍內(nèi)，沿空回風(fēng)巷的末端是風(fēng)壓最低點(diǎn)，從輸送機(jī)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(qū)，與采空區(qū)沼氣混合后從沿空回風(fēng)巷呈連續(xù)漏風(fēng)狀泄出。由于材料巷2也是工作的進(jìn)風(fēng)巷，其風(fēng)量大小可根據(jù)沿空回風(fēng)巷的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證沿空回風(fēng)巷的沼氣濃度符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。
與原來的U型通風(fēng)系統(tǒng)相比，安全技術(shù)指標(biāo)得到明顯改善，各項(xiàng)對比指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)詳見表1。
表 1
指 標(biāo)
U 型
Y 型
工作面長度（m）
煤層厚度（m）
工作面風(fēng)量(m3/min)
工作面風(fēng)速(m/sec)
工作面溫度(0C)
工作面回風(fēng)沼氣濃度 (%)
上隅角沼氣濃度(%)
工作面新鮮風(fēng)流數(shù)（條）
工作面平均產(chǎn)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
（1）由于工作面最低風(fēng)壓點(diǎn)位于沿空回風(fēng)巷的末端，而工作面切頂線各點(diǎn)的風(fēng)壓均高于沿空巷末端風(fēng)壓，因此采空區(qū)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(xiàn)象。
（2）由于工作面落煤及煤壁涌出的沼氣和采空區(qū)涌出的沼氣，是用兩條風(fēng)路分別進(jìn)行稀釋，從而使工作面的供風(fēng)量明顯降低，大大改善了工作面的勞動生產(chǎn)環(huán)境。
（3）由于沿空回風(fēng)巷可供相鄰區(qū)段復(fù)用，取消了區(qū)段煤柱，降低了掘進(jìn)率，提高了回采率，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有所改善。
Y型通風(fēng)方式在無自然發(fā)火危險(xiǎn)的高沼氣薄煤層采用較多，當(dāng)采高大于1.6m后，因沿空護(hù)巷效果差而未能推廣。
（五）W型通風(fēng)方式
當(dāng)采用對拉工作面時(shí)，可用上下平巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)（或回風(fēng)）和中間平巷回風(fēng)（或進(jìn)風(fēng)）的方式（見圖2e）。采用W型通風(fēng)方式有利于滿足上下工作面同采，實(shí)現(xiàn)集中生產(chǎn)的要求。這種通風(fēng)方式的主要特點(diǎn)是不用設(shè)置第二條風(fēng)道；若上下端平巷進(jìn)風(fēng)，在該巷中回撤、安裝、維修采煤設(shè)備等有良好的環(huán)境；同時(shí)，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(fēng)系統(tǒng)。已往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)已證明，回采時(shí)的沼氣主要是來源于采空區(qū)。為此，增開掘了一條排沼氣的專用巷道，該巷每隔50m有聯(lián)絡(luò)眼與回風(fēng)巷聯(lián)通。隨采煤工作面向上推進(jìn)，聯(lián)絡(luò)眼依次與采空區(qū)聯(lián)通，起到釋放沼氣的作用。
該工作面處于生產(chǎn)水平標(biāo)高以下，除工作面進(jìn)回風(fēng)巷之外，沒有其它巷道，排沼氣專用巷沒有新風(fēng)補(bǔ)給。為了提高排沼氣專用巷的風(fēng)量，工作面設(shè)有兩條進(jìn)風(fēng)巷（其風(fēng)量分別為630 m³/ min和300 m³/ min）和一條回風(fēng)巷（排風(fēng)量為500 m³/ min），以增加流經(jīng)采空區(qū)的尾排巷的風(fēng)量。由于回風(fēng)巷各個(gè)聯(lián)絡(luò)眼漏風(fēng)難以管理，為了提高尾排巷的風(fēng)量，在該巷的出口安設(shè)了兩臺抽沼氣的專用風(fēng)機(jī)，以提高尾排系統(tǒng)的負(fù)壓，增加巷道內(nèi)風(fēng)量。從數(shù)個(gè)聯(lián)絡(luò)眼流出的風(fēng)量達(dá)445 m³/ min，沼氣濃度為2.9%，回風(fēng)巷風(fēng)量為500 m³/ min，沼氣濃度為0.8%。從尾排系統(tǒng)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(fēng)方式實(shí)質(zhì)上是改變工作面邊界上的巷道位置、數(shù)目和氣流方向。同樣，在采空區(qū)邊界上選擇適當(dāng)?shù)奈恢?，掘成?lián)絡(luò)通道，根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整聯(lián)絡(luò)通道的風(fēng)流方向和風(fēng)量大小，同樣可以控制采空區(qū)的氣體流動方向和大小，使這種控制對工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生有益的影響。
（六）H型通風(fēng)方式
這種通風(fēng)方式與Y型通風(fēng)的區(qū)別在于工作面兩側(cè)的區(qū)段運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷均作為進(jìn)風(fēng)或回風(fēng)之用，增加了風(fēng)量，有利于進(jìn)一步稀釋沼氣。但這種方式通風(fēng)方式，系統(tǒng)較復(fù)雜，區(qū)段運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷均要先掘后留，掘進(jìn)、維護(hù)工程量較大，故較少采用。
(編寫：于潤橋)
