單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)應(yīng)用研究

楊 帆 何明杰 呼俊鳳

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000；2.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司化工分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

★ 煤礦安全 ★

單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)應(yīng)用研究

楊 帆1何明杰1呼俊鳳2

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000；2.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司化工分公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017000)

針對(duì)葫蘆素煤礦21204首采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析了當(dāng)前巷道布置方式的利弊，通過(guò)單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單巷掘進(jìn)4750 m壓入式通風(fēng)，解決了長(zhǎng)距離通風(fēng)風(fēng)阻大、風(fēng)筒易脫節(jié)、地溫高等問(wèn)題，為單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)推廣應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

單巷掘進(jìn) 長(zhǎng)距離通風(fēng) 風(fēng)機(jī)選型

1 施工背景

葫蘆素煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力13.0 Mt/a，礦井絕對(duì)涌出量為1.07 m3/min，現(xiàn)開(kāi)采2-1煤層，煤層平均厚度為2.71 m。21204工作面為2-1煤層西翼二盤(pán)區(qū)首采工作面，采用雙巷布置，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5851.7 m。通風(fēng)方式采用雙巷掘進(jìn)壓入式通風(fēng)，局部通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBDNo.7.1/2×37 kW，風(fēng)筒直徑800 mm。但在實(shí)際施工過(guò)程中出現(xiàn)以下問(wèn)題： 21204副回風(fēng)巷是西翼二盤(pán)區(qū)首采工作面回采巷道，同時(shí)也是21203工作面輔運(yùn)巷，兼做21204工作面副回風(fēng)巷，考慮掘進(jìn)期間通風(fēng)距離、運(yùn)輸系統(tǒng)等制約，21204副回風(fēng)巷與21204回風(fēng)巷設(shè)計(jì)為雙巷掘進(jìn)。21204副回風(fēng)巷對(duì)于21204工作面綜采安裝、回采、回撤設(shè)備等并無(wú)重要用途，且21203工作面受地質(zhì)因素制約暫不開(kāi)采，提前施工閑置時(shí)間長(zhǎng)，管理費(fèi)用高，安全隱患大；工作面回采期間，21204副回風(fēng)巷受二次采動(dòng)影響，巷道變形大、維護(hù)費(fèi)用高；21204工作面回風(fēng)巷施工至1360 m處揭露F12正斷層，F(xiàn)12斷層傾向?yàn)?58°，∠62°，落差為22 m。綜合考慮首采工作面的布置、經(jīng)濟(jì)效益及地質(zhì)情況等多方面因素，副回風(fēng)巷施工至1300 m停止掘進(jìn)，21204回風(fēng)巷剩余4551.7 m變?yōu)閱蜗锞蜻M(jìn)，21204回風(fēng)巷掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 21204回風(fēng)巷掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)圖

長(zhǎng)距離單巷快速掘進(jìn)是高產(chǎn)高效礦井的一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展方向，但施工期間巷道內(nèi)有害氣體的稀釋、通風(fēng)散熱、粉塵的擴(kuò)散均離不開(kāi)充足的風(fēng)量，如何有效避免長(zhǎng)距離通風(fēng)中風(fēng)阻大、漏風(fēng)嚴(yán)重、風(fēng)量不足、有害氣體超標(biāo)、溫度超限等問(wèn)題成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)在長(zhǎng)距離通風(fēng)應(yīng)用領(lǐng)域已有初步探索，如同煤集團(tuán)同忻煤礦嘗試了接力通風(fēng)方式，大柳塔煤礦探索的壓入抽出混合通風(fēng)方式，隧道施工中研究過(guò)一站式通風(fēng)方式。對(duì)比通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)效益，葫蘆素煤礦最終決定采用一站式通風(fēng)方式，即選用單風(fēng)機(jī)大風(fēng)筒壓入式通風(fēng)。

2 21204回風(fēng)巷通風(fēng)系統(tǒng)選型

2.1 風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)CH4、CO2絕對(duì)涌出量、掘進(jìn)工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)、同時(shí)運(yùn)行膠輪車(chē)功率等參數(shù)分別對(duì)21204主回風(fēng)巷進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1，可得掘進(jìn)工作面最大需風(fēng)量為520 m3/min。

表1 21204主回風(fēng)巷風(fēng)量計(jì)算

2.2 風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒選型

2.2.1 局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量計(jì)算

式中：P100——風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，%；

L——風(fēng)筒長(zhǎng)度，m；

k——漏風(fēng)備用系數(shù)；

Qf——通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3/min；

Qa——工作面需風(fēng)量，m3/min。

考慮到單巷掘進(jìn)距離、風(fēng)機(jī)布置位置及切眼施工等因素，通風(fēng)距離約為5000 m，故供風(fēng)距離取5000 m，依據(jù)風(fēng)筒漏風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)，本次風(fēng)筒采用雙反壓邊接口，漏風(fēng)率小，故取經(jīng)驗(yàn)值0.6%。由表1可得工作面需風(fēng)量Qa為520 m3/min，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)、(2)，得k=1.43，Qf=743.6 m3/min。

2.2.2 風(fēng)阻計(jì)算

通風(fēng)阻力包含摩擦阻力和局部阻力兩個(gè)方面，主要由風(fēng)筒的直徑、接頭方式、通風(fēng)距離、風(fēng)筒接口個(gè)數(shù)、拐彎個(gè)數(shù)、風(fēng)筒的材質(zhì)等決定。依據(jù)下式計(jì)算總風(fēng)阻R、局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓ht：

式中：R——風(fēng)筒阻力，N·s2·m-8；

α——摩擦阻力系數(shù)，N·s2·m-4；

ζj——接口阻力系數(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.1；

n——風(fēng)筒節(jié)數(shù)；

ζr——拐彎局部阻力系數(shù)，按90°拐彎計(jì)算，每一個(gè)拐彎取經(jīng)驗(yàn)值1.25；

ρ——密度，取1.2 kg/m3；

S——風(fēng)筒斷面積，m2；

ht——局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa。

各參數(shù)及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)筒選型計(jì)算

2.2.3 局部通風(fēng)機(jī)選型

由表2可知，風(fēng)筒直徑越大，接頭越少，通風(fēng)阻力越小，越經(jīng)濟(jì)合理，故選取直徑1200 mm、長(zhǎng)度20 m/節(jié)的風(fēng)筒，總風(fēng)阻為53.72(N·s2)/m8，局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓為5770 Pa。針對(duì)5000 m長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)問(wèn)題，為滿(mǎn)足掘進(jìn)工作面排塵和降溫的迫切需求，借鑒相關(guān)煤礦已取得的經(jīng)驗(yàn)，選用FBDNo.8.0/2×75 kW局部通風(fēng)機(jī)，可以滿(mǎn)足文中對(duì)功率、吸風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)的要求。其主要技術(shù)參數(shù)：功率為2×75 kW；額定轉(zhuǎn)速為2950 r/min；風(fēng)壓為1280～8000 Pa；吸風(fēng)量為600～1000 m3/min；最高全壓效率≥80%；比A 聲級(jí)Lsa≤25 dB。

2.2.4 通風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒布置方式

受巷道尺寸、風(fēng)筒直徑及輔助運(yùn)輸制約，為保護(hù)風(fēng)筒免遭膠輪車(chē)刮蹭，通風(fēng)機(jī)布置在21204副回風(fēng)巷6聯(lián)巷口前15 m，風(fēng)筒在6聯(lián)巷跨巷后延伸至工作面，見(jiàn)圖1。

3 實(shí)踐應(yīng)用

目前，礦井掘進(jìn)通風(fēng)廣泛采用柔性風(fēng)筒正壓通風(fēng)，極限通風(fēng)距離一般在2000 m，面對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)技術(shù)的瓶頸，葫蘆素煤礦著重從增大風(fēng)壓、降低風(fēng)阻及加強(qiáng)日常通風(fēng)管理3個(gè)方面著力，探索單巷快速掘進(jìn)長(zhǎng)距離供風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

(1)選用75 kW大功率通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，大幅提高了工作面風(fēng)壓，從源頭上增大了風(fēng)量，避免了混合式通風(fēng)與接力通風(fēng)存在的不足，通風(fēng)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。

(2)掘進(jìn)通風(fēng)的風(fēng)阻主要受空氣與風(fēng)筒的摩擦阻力及三叉、拐彎、變徑、接口處的局部風(fēng)阻影響。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中主要從以下兩方面著手減少風(fēng)阻：降低摩擦阻力，摩擦阻力與風(fēng)筒直徑的5次方成反比，將原有的800 mm風(fēng)筒換為1200 mm的大直徑風(fēng)筒，摩擦阻力降低了86.8%；加強(qiáng)三叉、拐彎、變徑處的通風(fēng)管理，三叉、拐彎處均采用定做剛性風(fēng)筒替代柔性風(fēng)筒，過(guò)渡圓滑、平順，減少風(fēng)筒變徑的次數(shù)；風(fēng)筒接口處吊掛平直，風(fēng)筒采用?6 mm鋼絲繩拉線(xiàn)吊掛，杜絕打死彎，從而降低局部風(fēng)阻。

(3)風(fēng)筒漏風(fēng)是供風(fēng)量損耗的主要原因，因此防漏風(fēng)是日常通風(fēng)管理的重中之重。首先，漏風(fēng)多發(fā)生在風(fēng)筒的接口處，施工中采用雙反壓邊方式對(duì)接風(fēng)筒并安裝風(fēng)筒接口器，將每一個(gè)接口處漏風(fēng)量降到最小；其次，減少風(fēng)筒接口數(shù)量，將風(fēng)筒長(zhǎng)度增加到20 m/節(jié)。加強(qiáng)風(fēng)筒破損口的修補(bǔ)、維護(hù)，注重風(fēng)筒的防護(hù)。

(4)采用大功率局部通風(fēng)機(jī)配合變頻技術(shù)，成功解決長(zhǎng)距離供風(fēng)中風(fēng)筒易脫節(jié)、損壞、漏風(fēng)等問(wèn)題，大幅減緩局部通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、切換帶來(lái)的沖擊，保證穩(wěn)定、可靠的通風(fēng)安全。

根據(jù)葫蘆素煤礦21204主回風(fēng)巷單巷長(zhǎng)距離通風(fēng)方式與21103主運(yùn)巷雙巷掘進(jìn)壓入式通風(fēng)方式現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比單巷長(zhǎng)距離通風(fēng)與雙巷掘進(jìn)壓入式通風(fēng)方式的通風(fēng)效果，在達(dá)到最大通風(fēng)距離時(shí)，各參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可以看出，單巷長(zhǎng)距離壓入式通風(fēng)工作面風(fēng)量為645 m3/min，溫度24.5℃，通風(fēng)效果更優(yōu)。

表3 單巷長(zhǎng)距離通風(fēng)與雙巷掘進(jìn)通風(fēng)困難時(shí)期效果對(duì)比

4 結(jié)論

(1)實(shí)踐證明，單通風(fēng)機(jī)大風(fēng)筒長(zhǎng)距離壓入式通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理方便、經(jīng)濟(jì)可行，無(wú)需隨工作面推進(jìn)頻繁調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，能夠解決單巷快速掘進(jìn)的通風(fēng)問(wèn)題。

(2)刷新了柔性風(fēng)筒通風(fēng)距離記錄，單巷掘進(jìn)距離大幅提升，達(dá)到了4750 m。 為煤礦優(yōu)化巷道布置、科學(xué)組織施工提供了廣闊空間。

(3)在長(zhǎng)距離供風(fēng)的技術(shù)保障下，保證了首采工作面按時(shí)投產(chǎn)，累計(jì)優(yōu)化巷道4951.7 m，節(jié)約投資資金約3000萬(wàn)元。

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Studyonlongdistancesingletunnelingventilationapplication

Yang Fan1, He Mingjie1, Hu Junfeng2

(1. Hulusu Mine, Mining Branch of Zhongtianhechuan Energy Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China; 2. Chemistry Branch of Zhongtianhechuan Energy Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 017000, China)

Aiming at the actual situation of 21204 work face of Hulusu Mine, analyzed the advantages and disadvantages of the current roadway layout, through the analysis of key technical indexes of single tunneling long distance ventilation, successfully designed and implemented 4750 meter forced ventilation of single tunneling, solving problems such as high wind resistance when ventilating for long distance, easy disconnection, high ground temperature, provided valuable experience for single tunneling long distance ventilation application.

single tunneling, long distance ventilation, fan selection

楊帆，何明杰，呼俊鳳.單巷掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(10)：128-131.

Yang Fan, He Mingjie, Hu Junfeng. Study on long distance single tunneling ventilation application [J]. China Coal, 2017，43(10):128-131.

TD724

A

楊帆 (1986-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人，碩士研究生，中級(jí)工程師，從事采礦工程方面技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)