煤礦長距離巷道安全通風系統的設計與應用

桑建江

（山西澤州天泰坤達煤業有限公司，山西 晉城 048000）

山西某礦主要開采2#煤層，但是涉及到的超長距離掘進工作，所以初步設計的巷道掘進距離達到4 900 m，掘進寬度及高度分別為5.8、6 m，所以需要對其中的運輸巷通風系統進行可行性設計，尤其是其中的瓦斯和粉塵的濃度必須設計科學合理。這對于井下人員的安全生產和礦區的穩定高效生產意義重大[1-2]。

1 工程概況

某礦地處山西北部，所處的是石炭系、二疊系地層。EW 向地層走勢，南高北低是其特征構造，煤量豐富，具有較為簡單地質構造，煤層自燃發火傾向性均為Ⅱ類。煤礦產能達到500 萬t/a，現生產針對2#、3#煤層，生產采掘的具體工藝是采用斜井+平銅開拓方式進行。煤層原始瓦斯含量分別為2.8、2.3 m3/t。

在整個煤區存在8 個綜采工作面，其中正常開采的有5 個，且所有的綜采面都是圍繞2#煤層進行的，整個區域內的煤層均厚達到5.6 m，所以設計采用大采高的綜采工藝進行具體采掘工作。在進行大采高進行作業時，巷道采用MB670 掘錨機掘進，斷面為矩形，配套設備均為大尺寸液壓支架，再者考慮到生產和移架的效率問題，決定采用3200 支架專用運輸巷來承擔艱巨的運輸工作，專用運輸巷布置方案，如圖1所示。

圖1 專用運輸巷布置示意

2 長距離掘進巷道通風分析

2.1 通風系統布置

目前傳統的通風方式大致分為以下大類：第一類，局部通風機串聯或并聯通風，這樣的設計減少了風筒由于風壓作用產生破裂概率，漏風率也隨之降低;第二類，風機+長距離柔性風筒方式，設計中需要大于2×30 kW 功率的風機，配套使用的風筒直徑超過1 000 mm；第三類，通過地面向井下施工鉆孔、構筑風庫和全負壓通風向掘進迎頭供風[3]。

某礦在對上述三類通風方式特點進行分析后，充分考慮煤礦工作面特殊地質需求，設計大功率局部通風機+大直徑柔性風筒對掘進供風的方式進行通風，針對長距離掘進巷道通風通常會遇到的問題進行科學分析設計。

通風巷道借助專用運輸巷，應用壓人式通風方式，在運輸大巷開口位置設置局部通風機，具體巷道通風系統，如圖2 所示。詳細的巷道掘進迎頭風流動路線:專用運輸巷-3201 輔助回風巷-三盤區回風巷-南翼回風大巷-回風井[4-5]。

圖2 巷道通風路線圖

2.2 掘進巷道需風量確定

前期的運輸巷掘進時，一整個班組的作業人員涉及到45 人，工作面作業期間會伴隨有濃度為0.17 m3/min的瓦斯涌出，進行運輸時，通過2 臺45 kW 的防爆柴油機車完成。綜合上述的數據，可以完成專用運輸巷掘進期間具體的需風量模擬分析，得到如表1 具體計算結果。遵從國家相關的技術要求，0.25 m/s 是煤巷掘進時工作面最低風速紅線,根據5.8、6.0 m 的專用運輸巷寬、巷高數據，運算得到Qmin=522 m3/min 的最低通風風量。所以，考慮到以上分析出的數據，得到550 m3/min 即為最低供風量Q出設計最低值[6]。

表1 掘進巷道風量計算結果 單位：m3/min

2.3 柔性風筒風阻計算及局部通風機選型

設計方案中的專用運輸巷用柔性風筒供風，風筒工作中會涉及到摩擦風阻和局部風阻兩部分，但是，由于專用運輸巷為直巷，在局部通風時，拐角的風阻很微小，不計入計算中。剩下影響較為大的摩擦風阻（R1）和風筒接口處局部風阻（R2）兩部分，如式（1）～式（3）即為兩者的具體計算公式[7-9]：

式中：R1、R2為風筒摩擦風阻及局部風阻，N·S2/m8；α為柔性風筒摩擦系數，N·S2/m8；L 為柔性風筒長度，m；U 為風筒外徑周長，m；S 為柔性風筒斷面積，m2；n為風筒接口數；ε 為柔性風筒接口處局部通風阻力系數；ρ 為通風空氣密度，kg/m3。

由以上數據和實際工作面數據，取L=5 430 m，S=1.13 m2，U=3.77 m，n=520、ε=0.035，α=28×10-4N·S2/m8，ρ=1.2 kg/m3，將上述參數帶人公式（1）-（3）即可求得R=48.27 N·S2/m8。巷道通風使用的柔性風筒接頭類型為雙方便對接，風筒百米漏風率η100=0.6%，風筒鋪設總長度L=5 430 m，則通風期間風筒漏風率刀計算公式（4）為[10]：

計算得η=32.58%.局部通風機進風口處風量Q進=Q出/（1-η）=816 m3/min。根據巷道供風需要，選擇局部通風機為FBDYN07.5（2×55 kW），該風機供風量為680～980 m3/min，供風風壓為1 400～6500 Pa。具體該局部通風機工況點及運行參數，如圖3 所示。

圖3 局部通風機工況點及運行參數

3 現場應用分析

進行掘進工作之初，顯示控制設備的變頻電流是26.6 Hz，保持局部通風機吸風量和風筒出風口風量分別是630、622 m3/min，將掘進迎頭風速控制在0.28 m/s左右，在規定的掘進施工范圍內。當掘進至5 450 處，控制的局部通風機吸風量和風筒出風量分別為825、555 m3/min 左右，計算得到風筒的百米漏風率剛好為設計最理想的0.6%，滿足所處位置的迎頭供風量的設計范圍。具體巷道通風參數監測結果，如表2 所示。

表2 巷道通風參數監測結果

4 結語

針對目前某煤礦超長距離通風遇上的風量不足，瓦斯和粉塵等排出不達標等問題，確定了通風方式，對專用運輸通道環境特殊情況進行需風量計算，以需風量和通風方式為基礎設計出此巷道結構的設備和具體的工藝參數。并對設計的通風方案進行實際的工作面驗證，最終的結果數據表明：

1）針對某礦5 430 m 的專用運輸巷掘進工作，設計的采用大功率局部通風機+配合柔性風筒供風方案時科學可行的。能夠滿足掘金初始和末尾的整個通風需求，且表現很穩定，還降低能耗。

2）設計的通風系統在漏風率、粉塵濃度和電機工作方面都表現優異。能夠將實際漏風率控制在0.6%，與理想狀態極度接近，同時在4 500 m 后保持粉末質量濃度在28 mg/min，有效減少粉塵帶來的危害。電機能夠在初期減少轉動頻率，降低能耗，為某礦經營減少很大一部分生產成本。