煤礦掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)應(yīng)用研究

高 嵩，師澤軒

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)發(fā)展，對(duì)提高井下掘進(jìn)巷道通風(fēng)效率提出更高的要求，尤其是長(zhǎng)距離工作面，對(duì)于工作面推進(jìn)長(zhǎng)度及速度都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，然而，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)方式易形成渦流現(xiàn)象，造成粉塵和瓦斯的積聚，增大風(fēng)流阻力，降低通風(fēng)效率，與新型通風(fēng)工藝革新理念不符。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)研究[3-4]，為提升通風(fēng)效率設(shè)計(jì)出多種解決方案，如并聯(lián)風(fēng)筒、串聯(lián)風(fēng)機(jī)、變換風(fēng)筒安裝位置等，雖然取得一定效果，不過對(duì)于新型通風(fēng)工藝要求標(biāo)準(zhǔn)仍有不少差距。因此，以伯方煤礦3303掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)通風(fēng)問題為例，在工作面通風(fēng)參數(shù)分析基礎(chǔ)上，選擇合理風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)及其接頭和轉(zhuǎn)換器等技術(shù)，并結(jié)合日常制度管理及完善措施，保證長(zhǎng)距離工作面通風(fēng)的有效風(fēng)量，保證供風(fēng)安全牢靠。

1 工程概況

伯方煤礦3303工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)5 142 m，傾斜長(zhǎng)256 m，主采3號(hào)煤層，煤層平均傾角約5°，平均厚度約2.4 m，平均埋深約326 m，儲(chǔ)量298萬t。依據(jù)初期設(shè)計(jì)工序，3303運(yùn)輸巷和切眼施工后，實(shí)施回風(fēng)反掘施工，施工段斷面為15 m2，掘進(jìn)通風(fēng)距離最長(zhǎng)可達(dá)6 150 m。2臺(tái)FDB-NO6.3/2×30型對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)（1備1用），供風(fēng)量400～630 m3/min，功率30 kW（雙級(jí)），風(fēng)筒直徑為1 000 mm的膠質(zhì)阻燃抗靜電風(fēng)筒。在3303工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中，隨掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加，出現(xiàn)風(fēng)筒維護(hù)困難、迎頭風(fēng)量較小，甚至有回風(fēng)流風(fēng)速低于0.25 m/s的微風(fēng)情況出現(xiàn)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期處于0.5 %左右，有瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。此外，因風(fēng)量較小帶來的巷道內(nèi)溫度偏高、O2濃度偏低等問題也造成了作業(yè)環(huán)境較差。因此，急需對(duì)該巷通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造，以解決該巷現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施不滿足長(zhǎng)距離供風(fēng)的問題。

2 工作面通風(fēng)參數(shù)

2.1 長(zhǎng)距離工作面通風(fēng)中主要問題

1）工作面風(fēng)量不足。造成工作面風(fēng)量不足的原因主要有：①長(zhǎng)距離供風(fēng)存在風(fēng)阻較大；②日常維護(hù)工程量大，加上風(fēng)筒質(zhì)量較差，存在維護(hù)不到位情況，風(fēng)筒吊掛不平直等原因，局部風(fēng)筒存在破口未及時(shí)粘補(bǔ)導(dǎo)致的漏風(fēng)，使得有效風(fēng)量大大減少；③風(fēng)筒規(guī)格選擇不符合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求，風(fēng)筒直徑偏小，也是導(dǎo)致風(fēng)阻過大的另一主要原因；④風(fēng)機(jī)選型無法滿足風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)要求。

2）產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流。局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果差，無法滿足工作面污風(fēng)清洗工藝要求，造成工作面瓦斯積聚、粉塵飛揚(yáng)，超過安全界限范圍值，造成作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境惡劣，不僅影響作業(yè)人員身體健康，還將嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

因此，為滿足3303掘進(jìn)工作面通風(fēng)技術(shù)要求，對(duì)風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，選擇符合工藝要求的設(shè)備，完善日常管理制度，在合理經(jīng)濟(jì)保障的前提下，保證通風(fēng)質(zhì)量，提高通風(fēng)效率。

2.2 獨(dú)頭通風(fēng)需風(fēng)量

獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量計(jì)算方式如下：

1）按工作面工作人數(shù)最多時(shí)刻計(jì)算。

式中：Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，m3/min；Nhf為工作面最多人數(shù)，一般取16。因此按人數(shù)最多時(shí)，需風(fēng)量應(yīng)不小于64 m3/min。

2）按獨(dú)頭通風(fēng)工作面瓦斯涌出量計(jì)算。

式中：Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，m3/min；qhg為瓦斯最大涌出量，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，取1.26 m3/min；khg為瓦斯涌出不均衡風(fēng)量修正系數(shù)，取1.5。依據(jù)上式可得，需風(fēng)量應(yīng)為189 m3/min。

3）按CO2涌出量計(jì)算。

式中：Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，m3/min；qhc為獨(dú)頭通風(fēng)工作面回風(fēng)巷CO2平均絕對(duì)涌出量，取0.42 m3/min；khc為CO2涌出量備用系數(shù)，取1.5。依據(jù)上式可得，需風(fēng)量應(yīng)為42 m3/min。

4）按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤巷風(fēng)速應(yīng)在0.25～4 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)速核算如下。

式中：Qhf為掘進(jìn)工作面需風(fēng)量，m3/min；S為獨(dú)頭掘進(jìn)工作面斷面積，取15 m2。依據(jù)上式可得，需風(fēng)量應(yīng)為225～3 600 m3/min。

5）按照礦用機(jī)械設(shè)備中柴油機(jī)車產(chǎn)生尾氣應(yīng)稀釋至安全程度范圍，風(fēng)量計(jì)算如下。

式中：Qc為掘進(jìn)巷道礦用機(jī)械設(shè)備中柴油機(jī)車產(chǎn)生尾氣應(yīng)稀釋安全程度范圍需風(fēng)量，m3/min；N為掘進(jìn)工作面最大柴油機(jī)車使用數(shù)，一般取1臺(tái)；P為掘進(jìn)工作面柴油機(jī)車運(yùn)行功率，取26 kW；K為配風(fēng)系數(shù)，取1.0。依據(jù)上式可得，需風(fēng)量應(yīng)為104 m3/min。

通過上述分析，對(duì)比各工序?qū)τ陲L(fēng)量的需求，確定獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量為189 m3/min，當(dāng)柴油機(jī)車運(yùn)行時(shí)，應(yīng)增配104 m3/min風(fēng)量，最終3303切眼及回風(fēng)反掘工作面需風(fēng)量應(yīng)滿足293 m3/min，即該風(fēng)量為滿足3303掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供風(fēng)的最低風(fēng)量，但最高風(fēng)量不得超過3 600 m3/min。

2.3 風(fēng)筒選型

根據(jù)3303工作面切眼及回風(fēng)巷反掘段掘進(jìn)工作面對(duì)于有效風(fēng)量需求，選用φ1 200 mm抗靜電、阻燃膠質(zhì)風(fēng)筒供風(fēng)。該風(fēng)筒有效風(fēng)量率：

式中：P1為風(fēng)筒有效風(fēng)量率，%；L為風(fēng)筒供風(fēng)長(zhǎng)度，最大取6 600 m；P100為風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，依據(jù)表1可知，取0.9%。因此有效風(fēng)量率為41%。

表1 風(fēng)筒百米漏風(fēng)率表

2.4 局部通風(fēng)機(jī)選型

依據(jù)上述對(duì)工作面需風(fēng)量計(jì)算分析可確定局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量及風(fēng)壓，其計(jì)算如下[5-6]：

1）局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量計(jì)算：

式中：Qf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3/min；Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量，取293 m3/min；P1為風(fēng)筒有效風(fēng)量率，取41%。因此有效風(fēng)量為714.63 m3/min。

2）安裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量計(jì)算：

式中：Qf1為安裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量，m3/min；∑Qf2為實(shí)際局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3/min；Vf為安裝局部通風(fēng)機(jī)處最小風(fēng)速，取0.25 m/s；Sf為安裝局部通風(fēng)機(jī)處最小斷面面積，m2。因此裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量為1 078 m3/min。

3）風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算。風(fēng)筒阻力主要包括以下2種：

①摩擦阻力：

式中：Rf為風(fēng)筒摩擦阻力，N·s2/m8；α為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，從表2可知，取0.002 6 kg，s2/m4；L為實(shí)際局部通風(fēng)最長(zhǎng)距離，取6 145 m；D為風(fēng)筒直徑，取1.2 m。由上式可知摩擦阻力為41.74 N·s2/m8。

②局部阻力。接頭局部阻力：

式中：RJ為風(fēng)筒局部接頭阻力，N·s2/m8；n為風(fēng)筒間接頭個(gè)數(shù)，取615；ξ為風(fēng)筒局部接頭阻力系數(shù)，從表2可知，取0.09 kg·s2/m4；γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重，取1.2 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；S為風(fēng)筒斷面積，取1.13 m2。由上式可知風(fēng)筒接頭局部阻力為3 N·s2/m8。

表2 膠質(zhì)風(fēng)筒選用范圍參考表

拐彎局部阻力：

式中：RW為風(fēng)筒局部拐彎阻力，N·s2/m8；n為彎頭個(gè)數(shù)，取2；ξ為膠質(zhì)風(fēng)筒局部拐彎阻力系數(shù)，從表3可知，取1.25 kg·s2/m4；γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重，取1.2 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；S為風(fēng)筒斷面積，取1.13 m2。由上式可知風(fēng)筒拐彎局部阻力為0.135 N·s2/m8。

表3 膠質(zhì)風(fēng)筒拐彎局部阻力系數(shù)參考表

出口局部阻力：

式中：RC為風(fēng)筒局部出口阻力，N·s2/m8；γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重，取1.2 kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；D為風(fēng)筒直徑，取1.2 m。由上式可知風(fēng)筒局部出口阻力為0.048 3 N·s2/m8。

風(fēng)筒總阻力：

式中：RZ為風(fēng)筒總阻力，N·s2/m8；Rf為風(fēng)筒摩擦阻力，N·s2/m8；RJ為風(fēng)筒局部接頭阻力，N·s2/m8；RW為風(fēng)筒局部拐彎阻力，N·s2/m8；RC為風(fēng)筒局部出口阻力，N·s2/m8。由上式可知風(fēng)筒總阻力為44.92N·s2/m8。

4）局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓計(jì)算：

式中：HJQ為局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，Pa；RZ為局部通風(fēng)機(jī)總風(fēng)阻，N·s2/m8；Qf為局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3/min。因此局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓為6 379 Pa。

通過以上對(duì)通風(fēng)技術(shù)參數(shù)的核算，對(duì)比各局部通風(fēng)機(jī)參數(shù)，最終確定選用FDB NO8.0/2*55kW對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為500～950 m3/min，功率為55 kW，該風(fēng)機(jī)供風(fēng)量能滿足3303運(yùn)輸巷、切巷及回風(fēng)巷反掘的長(zhǎng)距離供風(fēng)要求。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

3.1 風(fēng)筒漏風(fēng)應(yīng)用

在風(fēng)筒連接處布置材質(zhì)為PVG風(fēng)筒快速接頭軟帶，如圖1所示，該軟帶具有使風(fēng)筒間連接更為緊密、方便拆卸、強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以有效預(yù)防風(fēng)筒連接處漏風(fēng)，保證有效風(fēng)量滿足通風(fēng)技術(shù)要求。另外，風(fēng)機(jī)在切換時(shí)易導(dǎo)致風(fēng)筒被巷道頂板錨索、鐵絲、鋼筋網(wǎng)等尖銳異物扎破，為保障風(fēng)筒安全，必須及時(shí)清理與風(fēng)筒接觸的尖銳物，不能清理的如錨索露頭、鋼筋網(wǎng)等與風(fēng)筒相接處可布置塑料水瓶、皮帶等使其間隔開，而對(duì)于已有破口處，應(yīng)及時(shí)將其吊至縫合處采取粘補(bǔ)風(fēng)筒或更換處理。

圖1 風(fēng)筒快速接頭軟帶圖

3.2 風(fēng)筒減阻措施

為減少風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻，將φ1 000 mm風(fēng)筒替換為φ1 200 mm風(fēng)筒，風(fēng)筒間使用異徑轉(zhuǎn)換器相連，不僅可以降低風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流速度，還使風(fēng)筒具有更優(yōu)抗靜電、阻燃作用。另外，采用φ9.3 mm鋼絲繩逢環(huán)吊掛，滑蘭螺絲輔以固定在巷道頂板，保證風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)“兩靠一直”，進(jìn)一步提高風(fēng)筒安裝質(zhì)量。此外，必須保證風(fēng)筒吊掛平直，隨巷道起伏，合理彎曲風(fēng)筒與巷道彎曲相同，風(fēng)筒無破口，轉(zhuǎn)彎巷道要使用硬質(zhì)風(fēng)筒，不準(zhǔn)拐死彎，以減少風(fēng)筒不平直增加風(fēng)阻現(xiàn)象。

4 長(zhǎng)距離通風(fēng)管理措施

1）優(yōu)化工作班制安排，最大限度對(duì)風(fēng)筒各接頭及風(fēng)機(jī)處進(jìn)行輪流巡回檢查，使漏風(fēng)問題在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)并及時(shí)上報(bào)處理，保證風(fēng)筒通風(fēng)質(zhì)量，確保瓦斯和煤塵在限定范圍內(nèi)。

2）風(fēng)筒必須吊掛平直，逢環(huán)必吊，迎頭風(fēng)筒不落地，隨巷道起伏，合理彎曲風(fēng)筒與巷道彎曲相同。風(fēng)筒接頭必須雙反壓邊，接頭平緩，不花接，嚴(yán)密不漏風(fēng)，風(fēng)筒無破口，轉(zhuǎn)彎巷道要使用硬質(zhì)風(fēng)筒，不準(zhǔn)拐死彎，以減少風(fēng)筒不平直增加風(fēng)阻現(xiàn)象。

3）局部通風(fēng)機(jī)供電必須實(shí)行“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”和“專用變壓器、專用開關(guān)、專用電纜”，必須與其供風(fēng)巷道內(nèi)的電氣設(shè)備實(shí)行風(fēng)電閉鎖，由通風(fēng)隊(duì)負(fù)責(zé)每天派人對(duì)風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒臺(tái)進(jìn)行專項(xiàng)檢查，保證風(fēng)機(jī)持續(xù)可靠運(yùn)行，杜絕無計(jì)劃停風(fēng)。

4）局部通風(fēng)機(jī)設(shè)備必須齊全完好，吸風(fēng)口有風(fēng)罩和整流器，高壓部位有襯墊，不漏風(fēng)。局部通風(fēng)機(jī)及開關(guān)必須安設(shè)在頂板完好、無淋水的進(jìn)風(fēng)巷道；局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口5 m內(nèi)不得有雜物或影響局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)的其它物品，嚴(yán)禁發(fā)生循環(huán)風(fēng)。

5）風(fēng)筒末端距掘進(jìn)工作面迎頭不得大于5 m，保證迎頭供風(fēng)量滿足生產(chǎn)需要。

6）對(duì)長(zhǎng)距離供風(fēng)的風(fēng)筒吊掛環(huán)境進(jìn)行全巷檢查，對(duì)接觸風(fēng)筒的鐵絲、錨索頭、錨桿、鋼筋網(wǎng)等尖銳物及時(shí)清理，防止刮破風(fēng)筒引起漏風(fēng)。

5 效果分析

通過3303運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)巷道通風(fēng)需求進(jìn)行技術(shù)改造后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明，巷道內(nèi)供風(fēng)量得到大幅提升，回風(fēng)流風(fēng)速由原0.25 m/s提高到了1.2 m/s，巷道內(nèi)O2濃度也得到了明顯升高，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.5 %降至0.1 %以下，消除瓦斯積聚超限造成的危害，同時(shí)，掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流溫度因風(fēng)速增高而降低，作業(yè)環(huán)境得到明顯改善，滿足了該巷長(zhǎng)距離通風(fēng)要求，實(shí)現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。

6 結(jié)論

1）針對(duì)3303運(yùn)輸巷、切巷以及反掘回風(fēng)巷需解決的長(zhǎng)距離通風(fēng)問題，根據(jù)掘進(jìn)工作面技術(shù)要求，分析工作面通風(fēng)參數(shù)，對(duì)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量進(jìn)行核算，依據(jù)核算結(jié)果選擇最優(yōu)風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)型號(hào)，解決長(zhǎng)距離通風(fēng)的硬件需求。

2）通過在長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面實(shí)施選擇大直徑風(fēng)筒、安裝軟帶材質(zhì)風(fēng)筒接頭、異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器等通風(fēng)設(shè)施，有助于滿足長(zhǎng)距離供風(fēng)掘進(jìn)工作面的通風(fēng)需求。

3）加強(qiáng)通風(fēng)管理，在保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)筒的日常維護(hù)管理，確保風(fēng)筒吊掛平直，及時(shí)處理錨索露頭、鐵絲等導(dǎo)致風(fēng)筒相接處漏風(fēng)的異物，以及完善日常檢查管理制度，以大幅度降低風(fēng)筒風(fēng)阻，減少風(fēng)筒漏風(fēng)，保證通風(fēng)質(zhì)量，杜絕瓦斯超限，改善作業(yè)環(huán)境，保證工作面安全、高效生產(chǎn)。