下行通风技术及研究

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1、- 1 - 第八章 下行通风技术及研究8.1 引言回采工作面上行通风与下行通风， 是指风流方向与煤层倾斜的关系而言。 当回采工作面进风巷道水平低于回风水平时， 采面的风流沿倾斜向上流动， 称为上行通风； 当进风巷道水平高于回风巷时， 采面的风流沿倾斜向下流动， 称为下行通风。 就风流方向与煤炭运输方向的关系而言， 有顺向和逆向通风。 当风流方向与煤炭运输方向一致时称为顺向通风，否则称为逆向通风。随着采矿工业的发展，矿井机械化程度、工作面产量、推进速度及矿井开采深度的不断增加， 就给采面带来了瓦斯涌出量增加、 温度过高、 矿尘浓度严重超限、 需风量增大等一系列问题。 解决这些问题的有效措施之一就

2、是在回采工作面使用下行通风技术。1960 年西德首先使用下行通风，以后逐年增加，据 1980 年 5 月统计，上行通风和下行通风的采面所占的比例分别为 55%和 45%。苏联的顿巴斯矿区、美国的宾西法尼亚州中部一些矿区、 日本的常盘煤矿和三池煤矿以及英国等一些国家都广泛采用了下行通风。 60 年代以来，我国先后在平顶山、中梁山、蒲白等 23 个局 46 个煤矿 171 个回采工作面使用过下行通风，效果良好 1。但由于下行通风本身存在的一些问题及认识上的不统一，因此，上行仍占统治地位。但回采工作面下行通风在降尘、降温、防止瓦斯积聚、抑制采空区自然发火等方面的效益却愈来愈被人们所认识。8.2 回采

3、工作面下行通风时沼气涌出和分布规律在回采工作面下行通风时沼气涌出和分布规律的认识上，存在许多分歧，主要表现在以下几个方面：（ 1）关于采面沼气涌出量存在两种观点，一种是国外学者认为 ：下行风时， 有较多的沼气从采空区涌向采面， 采面沼气浓度比上行风高， 但是采面沼气涌出量差别不大。 另一种观点是国内学者认为： 下行风时， 从采空区涌向采面的沼气量减少，采面沼气涌出量和沼气浓度都要比上行风时低。（ 2）关于顶板沼气层问题：一种观点是： 上行风时，由于沼气的浮力和风流方向相同，容易将采面沼气排出；而下行风时则相反，不易将采面沼气排出，- 2 - 容易造成采面上部和顶板沼气积聚。 另一种观点与之正好

4、相反， 认为下行风时有利于沼气混合，沼气不易积聚；上行风时沼气容易积聚。关于吹散沼气层的风速值也各说不一。（ 3）顶板沼气层和采空区内气体倒流问题；为防止顶板沼气层倒流所需的极限风速，各国学者所得的结论不一致。关于采空区内气体倒流问题，苏联的卡尔波夫教授曾导出了前进式回采工作面下行通风时防止采空区气体倒流的条件， 但他的结论不适合于后退式回采工作面。（ 4） 关于沼气上浮分层问题： 目前仍有人认为和空气混合均匀的沼气在低速时会再上浮起来， 发生所谓的沼气分层现象， 所以下行风时沼气会积聚在采面上部。 虽然实验已证明， 即使在静止的空气中也不会发生沼气上浮而分层的现象，但仍应从理论上进行说明，在

5、下行风现场实验中进行验证（ 5） 关于下行风的使用条件问题： 世界各国保安规程对使用下行风的回采工作面煤层倾角的限制各不相同，西德、日本禁止使用下行风，苏联规定在 5o以内， 而我国保安规程则限制在倾角小于 12o 的煤层中应用。 所以正确确定回采工作面下行风的使用条件，是目前急待解决的问题。19851990 年间焦作工学院的研究者对以上的问题进行了较为深入和系统的研究。8.2.1 沼气和空气的混合机理为了更好地研究下行风沼气分布和涌出的规律，首先应从理论上研究沼气和空气的混合机理。8.2.1.1 无风流流动时沼气和空气的混合机理当工作面风速 V=0 时，沼气的混合由分子扩散来完成，其过程非常

6、缓慢，遵守斐克定律：nddcDmM （ 1）式中 m单位时间内通过垂直向量 n的单位面积的沼气质量；n方向向量；M 沼气的密度；D分子扩散系数；- 3 - C沼气浓度；从式（ 1）可以看出，由于各点沼气浓度不同，分子势的大小也不相等，分子扩散使沼气由高浓度向低浓度点运动， 最后各点浓度趋于均匀。 混合能力与沼气的浓度梯度成正比。 当混合均匀时， 各点沼气浓度相同， 即 0nddc ， 所以 m=0，此时不再有质量传递。 而其逆传递过程， 也就是沼气由低浓度向高浓度运动是不会发生的。所以可以得出结论：和空气混合均匀的沼气是不会再浮起来发生所谓沼气分层现象的。 所以， 下行风时无论风速高低， 都不

7、会由于沼气分层而发生沼气积聚在工作面上部的现象。8.2.1.2 有风流运动时沼气和空气的混合机理当工作面风速 V 0 时，沼气的混合过程有两种完全不同的机理，其一是由于各点间浓度梯度造成的分子扩散； 其二上风流中的沼气在风流流动过程中被风流带动并一起传递，两个过程之和称为对流扩散。风流的流态不同，对流扩散能力有着很大差别。（ 1）层流时风流处于层流状态时，分子脉动速度等于零，沼气混合过程主要依赖于平行风流方向上风流的带动和由于浓度差造成的分子扩散，对流扩散能力比较低，容易造成沼气积聚现象。（ 2）紊流时风流处于紊流状态时，分子脉动速度不等于零，横向脉动速度的存在，使得沼气和空气的混合能力大大加

8、强， 此时分子扩散作用可以忽略， 混合能力主要取决于脉动速度的高低，脉动速度愈高混合能力愈强，反之亦然。垂直风流任取一断面， 其速度分布如图 1 所示。 在断面上任取两点 z1和 z2，并使 z2=z1+l（ l 为混合长度） ， 两点沼气浓度分别等于 C1和 C2， 密度为 1 和 2，风速为 V 和 )12( zzdzdVV 。- 4 - V风速Z距顶板距离Z1Z2VdvdzV+ (z2-z1)P1P2图 1横向脉动速度 ldzdVVz ，紊流切应力 22 )(dzdVl ，体积为 Q的流体在铅直方向上的动能，即紊流切应力 作的功为：222221)(2121 VdZdVQlQVEZ由于横向

9、脉动速度的作用，使得 z1、 z2 两层流体的位置不断交换，相互混合使浓度趋于均匀。由于 21 ，位置交换使得两层流体总位能发生变化，这部分能量由紊流切应力作功来提供。z1、 z2 两层 间 体积为 Q 的 流 体由 于 位置 交 换 而 产生 的 位能增 加 量dzdgQlA 2 ，流体力学中把比值iRdzdVdzdgdzdVQldzdgQlEA2222)()(21 称为夏德森数。它可被用来表征紊流传质过程中混合能力的大小。 Rl 愈大，说明完成一定的混合过程所需要能量愈多，混合能力低，容易发生沼气积聚。8.2.1.3 工作面风速、风流方向、倾角和沼气涌出地点对紊流混合能力的影响当沼气涌出面

10、和水平面之间有夹角时，如果 z 表示某点距沼气涌出面的距离， 代表 z 轴和铅直方向的夹角（如图 2 所示） ，此时夏德森数可用下式来表示：2)(cosdzdVdzdgRi （ 2）下面根据 Ri 值的大小来讨论工作面风速、 风流方向、 倾角以及沼气涌出地- 5 - 点对紊流混合能力的影响。（ 1）工作面风速对混合能力的影响工作面风速的高低，直接影响到紊流切应力的大小，所以风速对混合能力有着重要的影响。1）水平工作面（ =0o 时）随着 V 增加，靠近涌出面处速度梯度 dV/dz 增大，紊流切应力作功增加，所以夏德森数 Ri 减小，沼气和空气的紊流混合能力增强，风速愈高对防止沼气积聚愈有利。2

11、）倾斜工作面（ 0o 时）当 0o， 由于沼气所受浮力 F在倾斜方向的分力 F1的作用 （如图 3 所示） ，沼气会沿倾斜方向以速度 VM向上运动， 愈大 VM就愈高。铅直方向沼 气涌 出面Zcos=Zcos水平面Z图 2铅直方向沼 气涌 出面Zcos=Zcos水平面Z图 2图 3 下行风时， 风流方向和 F1 的方向相反， 风流和沼气层间的相对运动速度大，随着风速提高，沼气涌出面附近的dzdV 增大，所以 Ri 减小，紊流混合能力增强。上行风时，风流方向和 F1 方向相同，在风速由零逐渐增高的过程中，风流和沼气层间相对运动速度有三种不同的情况：当 VVM 时， 随着 V 增加， 相对速度 |

12、V-V M|增加， 紊流脉动速度增加，dzdV增加，混合能力增强。- 6 - 所以，上行风时应保证风流在靠近沼气涌出面处的速度大于 VM ，即使dzdV 0，此时增大风速对防止瓦斯积聚才有利。（ 2）风流方向对混合能力的影响上行风时，风流和沼气层所受的浮力方向相同，浮力 Fi 对沼气涌出面附近的气体的运动起促进作用，加快了在这个区域内风流的运动，所以速度梯度dzdV比正常情况下小， Ri 大，所以风流和沼气的混合能力弱。下行风时则相反， Ri 小，风流和沼气混合能力比上行通风时强。由此可见，当沼气涌向工作面后，无论涌出地点如何，风速多大，下行风时的混合能力都比相同条件下上行风时强。 所以， 当

13、工作面风速一定时， 完成同样的混合过程下行风所需时间短； 当沼气涌出量一定时， 下行风吹散沼气层所需风速比上行风低； 当发生沼气积聚时， 下行风沼气层积聚的长度比上行风短。 采面应用下行风有利于防止沼气积聚。（ 3）工作面倾角对混合能力的影响1）沼气从顶板涌出时如果 =0o 时，此时 =180o，2)(dzdVdzdgRi 达到最大值，混合能力最弱。这说明完成一定的混合过程克服浮力所需要能量最多，最不利于沼气混合，易形成顶板沼气层。如果 0，此时2)(cosdzdVdzdgRi ，随着 增加， cos 减小，完成一定的混合过程所需的能力减少。下行风时，由于随 增加 VM 也增加，沼气层和风流间

14、的相对速度增高，顶板附近dzdV 增大， 故 Ri 减小， 混合能力增强。 也就是说， 下行风时随着倾角 增加，沼气积聚于顶板形成沼气层的可能性减小。上行风时，如果顶板风速小于沼气层流速 VM，即dzdV 0，随着 增加， |V-VM|减小， dzdV 减小，即紊流切应力作功随 增加而减小， 由于克服沼气浮力所需能量也随着 增加而减小，因此， Ri 的变化取决于两种因素的综合效果。2）沼气从煤壁涌出时此时相当于式（ 2）中 =90o 的情况。由于 cos90o=0，所以 Ri=0，说明沼气从煤壁涌出后， 在混合过程中无须克服沼气浮力， 所以其混合过程比顶板涌出沼气的情况要容易的多， 相同条件下

15、， 沼气在煤壁积聚的可能性比在顶板积聚的可能性小。dzdV 的变化规律和沼气从顶板涌出时的分析相同。所以下行风时，随倾角 增大，煤壁附近速度梯度dzdV 增大，紊流混合能力增强。倾角 愈大，沼气愈不易积聚在煤壁。上行风时，如果在煤壁附近风速小于沼气层的流动速度 VM，随倾角 增加，dzdV 增加，紊流混合能力增强。如果在煤壁附近风速大于沼气层的流动速度VM，随倾角 增加， dzdV 减小，混合能力减弱，倾角愈大，沼气愈易积聚。沼气从煤壁涌出后，由于浮力作用，会有向顶板方向运动的趋势，当沼气涌出量很大而混合能力较弱时， 积聚在煤壁的沼气会运动到顶板。 在靠近煤壁的顶板处也发生沼气积聚的现象。 此

16、时， 倾角对这种情况下顶板沼气积聚的影响和沼气从顶板涌出时相同。3）沼气从底板涌出时沼气从底板涌出相当于式（ 2）中 VM时， 风速愈高， 混合能力愈强，反之亦然。（ 3） 沼气从顶板涌出时的混合能力最弱，从煤壁涌出时的混合能力较强，从底板涌出时的混合能力最强。（ 4） 当沼气从顶板涌出时， 下行风的混合能力随 增加而增强， 上行风的混合能力，当 VVM时随 的增加而减弱。（ 6） 当沼气从底板涌出时，下行风以及上行风 VVM时的混合能力随 增加而减弱。8.2.2 相似模拟实验8.2.2.1 相似准则与相似模型研究回采工作面沼气分布规律的方法有三，即：数学计算法、现场实验法和相似模型实验法。 由于影响沼气分布规律的因素很多， 各参数间的关系非常复杂， 精确地数学分析十分困难， 现场实验又受条件限制， 难以考虑各参数的变化情况，因此我们主要采用模型实验法。在模型