單巷大斷面長距離掘進通風技術實踐

邢奇凱 范杰軒

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 望云煤礦15101 運輸順槽簡述

望云煤礦15101 運輸順槽掘進工作面，煤層平均厚度5.5 m，傾角3°，容重1.40 m3/t，為Ⅱ類自燃煤層，位于15#煤一采區。本工作面設計掘進1200 m，斷面4.5 m×5 m，沿煤層頂板掘進。此巷道初期掘進較為容易，隨著巷道掘進長度增加，風筒漏風率增加，風筒出風口風量大大減少，工作面溫度升高，粉塵濃度較大，嚴重影響巷道的掘進速度。

2 單巷大斷面長距離局部通風技術選擇

目前國內外解決大斷面、長距離掘進通風的主要技術有：（1）單風機大直徑柔性風筒壓入式局部通風技術：采用 2×30 kW 以上大功率局部通風機，配合直徑800 mm 以上的風筒對工作面進行供風[1-2]；（2）通風機間隔串聯的局部通風技術：使用2 臺局部通風機間隔一段距離進行串聯作業，解決由于掘進通風距離長難以選擇合適局部通風機的難題[3]；（3）構筑風庫的局部通風技術：在巷道掘進到一定長度后，在巷道內構筑一個風庫，用1 臺或2 臺局部通風機通過風筒同時向風庫內供風，在風庫內安設1 臺局部通風機，將風庫內的新鮮風流通過風筒供給工作面，工作面的污風經巷道排出地面[4]；（4）鉆孔導風的局部通風技術：從其他水平巷道或地表向井下掘進巷道施工1 個通風鉆孔，通過鉆孔為施工巷道供風，可大幅縮短通風路徑，增大掘進工作面的風量，改善掘進通風效果[5]。通風技術優缺點比較見表1。

表1 幾種長距離掘進通風技術優缺點比較

通過對以上幾種通風方法的優缺點比較，考慮到望云礦地質條件簡單，瓦斯含量較低，需快速形成備用工作面的需求，決定選用大功率通風機，配套大直徑柔性風筒壓入式局部通風技術進行長距離掘進。

3 工作面需風量計算及風機選型

3.1 工作面需風量計算

掘進工作面所需風量，根據作業人數、瓦斯涌出量分別計算后，加上單軌吊（80 kW）進入工作面時所需風量，用最低風速對風量進行驗算。

（1）按掘進面瓦斯涌出量計算：Q1=125×q×k =125×0.97×2.0=243 m3/min。Q 為掘進工作面瓦斯絕對涌出量；k 為該掘進面瓦斯涌出不均勻系數，取2.0。

（2）按掘進面作業人數計算：Q2=4N =4×22=88 m3/min。N 表示工作面同時工作的最多人數。

（3） 按 單 軌 吊 增 加 風 量 計 算：Q3=4P=4×80=320 m3/min。P 為單軌吊機車功率，80 kW。

故工作面需風量計算Qj=max（Q1+Q3，Q2+ Q3）=563 m3/min。按風速進行驗算，本設計斷面為22.5 m2，煤巷最低風速不低于0.25 m3/s，Qmin=0.25×60×22.5=337.5 m3/min，Qj＞Qmin， 風量滿足要求，所以掘進面需風量Qj=563 m3/min。

3.2 壓入式風筒風阻計算

風筒風阻由摩擦風阻Rf和局部風阻Re（包括接頭風阻Rjo、彎頭風阻Rb、風筒出口風阻Rom）組成。

式中：R 為風筒總風阻，N·s2/m8；L 為風筒全長，1200 m；d 為風筒直徑，0.8 m；n 為風筒接頭個數，120 個；ρ 為空氣密度，1.2 kg/m3；s 為風筒斷面積，0.5 m2；α 為風筒摩擦阻力系數，24.5×10-4N·s/m4；εjo為風筒接頭阻力系數，0.030；εb為風筒拐彎局部阻力系數，取本巷道無彎頭，取0；εom為風筒出口局部阻力系數，取1。

3.3 風筒漏風率計算

式中：η 為風筒漏風率；η100為風筒百米漏風率，取值見表2；L 為風筒全長，1200 m。

表2 不同風筒接頭方式風筒漏風率

本礦風筒接頭采用雙反邊， 所以η=0.6%×1200/100=7.2%

3.4 風機風量、全壓計算及局部通風機選型

（1）局部通風機風筒入口吸風量：

Qf=Qj/（1-η）=563/（1-7.2%）=607 m3/min。

（2）工作面風筒平均風量：

（3）局部通風機風壓：

h=RQ2=69.36×9.75×9.75=6593 Pa。

（4）確定局部通風機工況點：吸風口風量為607 m3/min，風壓為6593 Pa。

（5）根據以上工況點，結合提供風機特性曲線，確定使用FBDNo7.1/2×45 kW 礦用軸流式局部通風機。該風機風量范圍：480～780 m3/min，風壓范圍：1300～7200 Pa，如圖1。

圖1 FBDNo7.1/2×45 kW 局部通風機性能特性曲線

4 大功率局部通風機現場應用驗證

4.1 現場測定數據匯總

15101 運輸順槽在使用大功率局部通風機配套柔性壓入式風筒通風技術后，每100 m 對通風機的運行參數、工作面風量、風速、粉塵濃度、溫度等進行檢測，匯總結果見表3。

4.2 效果分析

（1）工作面掘進初期，電機頻率設置為35 Hz，此時工作面風量滿足要求，但工作面風速較大、煤塵濃度較大、溫度較低、工作面環境較差，故將電動機頻率調低，調至25 Hz，風量上雖然有所降低，但可滿足工作面風量需求，此時粉塵濃度大大降低，工作面環境有較大改善。

（2）工作面掘進至700 m 處時，隨著距離的增長，風筒的漏風率逐漸增加，風筒運行效果開始變差，到達900 m 時，漏風量達到104 m3/min，此時通過增加風機頻率來增加風量，以滿足風量需求。

（3）工作面掘進至1100 m 時，風筒受壓明顯，漏風地點和漏風量顯著增加，通過增加風機頻率增加風量的辦法已效果不明顯，因為風機吸風量雖在增加，但隨著風壓的增加，各漏風點的風壓也在增加，漏風量也在增加，故只能通過減少風筒風阻等其他辦法來增加工作面風量。

表3 不同通風距離下工作面參數統計

4.3 其他保證風量措施

（1）風筒吊掛要求要平、直、穩、緊、逢環必掛、過渡平緩，發現漏口，及時縫補。

（2）減少風筒阻力，一方面減少風筒接頭數量，在實際掘進時從700 m 處，使用風筒由原來的10 m一節換為20 m 一節；另一方面，風筒接頭使用專用接頭保護帶、雙反邊接法，減緩了風筒接頭處的壓力，降低風筒在高壓下脫節的危險。

（3）在工作面安裝自動灑水噴霧，及時將工作面煤塵通過水幕簾等方式降塵，保證工作斷面中含塵量降低，風流順暢。

5 結束語

通過對國內外大斷面長距離掘進通風方法比較，確定選用大功率通風機、配套大直徑柔性風筒壓入式局部通風技術，對15101 運輸順槽長距離掘進進行通風。通過工作面需風量計算，綜合考慮風筒摩擦阻力、風機工況點、工作面環境質量等因素，對不同工作頻率的通風效果進行數據統計，根據掘進距離及時對局部通風機工作頻率做出調整。經實踐驗證，FBDNo7.1/2×45 kW 風機滿足了15101 運輸順槽大斷面、長距離掘進通風需要，對同類大斷面長距離掘進巷道施工具有借鑒意義。