超長距離掘進巷道通風安全保障技術研究

景瑞鋒

（中煤新登鄭州煤業有限公司， 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著國家能源政策的調整，集約化新型高效、大型礦井建設速度加快，且伴隨著大型巷道掘進設備被普遍應用，礦井的生產工作面輔助巷的走向長度設計不斷延伸，斷面面積不斷擴大，以至于大斷面超長距離的巷道越來越多。這就給井工生產中的獨頭巷道通風帶來較大難題，例如，通風阻力過大，供風量受限，風機選型復雜等問題。針對超長距離巷道的通風問題，國內學者和工程技術人員也有所研究。音勇在分析通風參數基礎上，選擇相應的風機和風筒，并利用風筒快速接頭技術和風機自動倒臺技術，實現了掘進工作面的長距離通風，保證了有效風量[1]。閆廣祥和常曉紅在計算風筒經濟直徑和通風阻力的基礎上，對通風機進行了合理選型，實現了掘進巷道的長距離通風[2]。張云峰、夏同強等針對3 000 m 長度巷道通風不足問題，實驗了超大功率4×37 kW 通風技術，結果表明，采用超大功率通風機通風后，工作面有效風量提高了57.9%[3]。朱學賢、倪錦初等在計算隧洞工作面需風量基礎上，對風機和風筒進行了選型，實現了長距離隧洞的工作面安全供風[4]。高嵩和師澤軒在分析通風參數和通風管理工作面問題基礎上，合理選擇通風設備和技術，并優化通風管理，滿足了工作面長距離通風的要求[5]。邢永強和馮俊超從通風方式、通風管理和通風技術等方面分析了長距離獨頭巷道通風現狀及各種通風技術的優缺點，為超長距離巷道通風選擇合適的技術提供了重要參考[6]。

上述研究表明，實現大斷面長距離通風不但要合理選擇風機，而且要降低風阻、強化通風管理，并進行經濟效益分析。超長掘進工作面通風是較復雜的綜合性問題，礦井應根據自身情況進行綜合設計，實施“一礦一策、一面一策”。本文在借鑒上述研究成果的基礎上，結合試驗礦井的通風基礎條件和超長距離巷道通風需求，試驗了大功率變頻風機、大直徑和柔性降阻通風技術，可為解決超長距離獨頭巷道通風提供經驗參考。

1 工程概況

試驗礦井設計生產能力為300 萬t/a，開拓方式為立斜井雙水平上、下山開拓，礦井通風方式為對角式通風，通風方法為機械抽出式。主、副井進風，東風井、31 風井回風。開采方法采用偽傾斜走向長壁放頂煤一次采全厚采煤法，當前開采范圍在31 和21 采區。主采二1 煤層瓦斯賦存不穩定，最大瓦斯含量為9.3 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井，煤層自燃發火等級為Ⅳ級，屬于不易自燃，具有煤塵爆炸危險性。

31 采區位于礦井的西部為單翼采區，走向長度為1 800 m，布置6 個工作面，煤層賦存平均厚度為5.2 m，采用長臂后退式綜合機械化采煤，一次采全高，垮落法管理頂板。為了提高大型綜采支架的運輸效率，31 采區設計支架專用運輸巷（以下簡稱“支架專用巷”），設計施工長度為4 074 m，如圖1 所示。

圖1 31 采區支架專用巷布置

2 長距獨頭巷道通風系統設計

2.1 通風系統布置

31 采區支架專用巷采用壓入式局部風機供風，將風機布置在31 軌道下山巷道與支架專用巷道交匯處，在支架專用巷設置兩道風門，并在風門里側布置專用回風巷與31 回風下山巷聯通。工作面乏風由支架專用巷進入回風專用巷，并入31 回風下山，最后進入回風井。區支架專用巷通風系統如圖2 所示。

圖2 支架專用巷通風系統

2.2 支架專用巷需風量確定

支架專用巷為單巷獨頭掘進，巷道斷面面積為30 m2，掘進期間工作面配備15 人，采用2 臺功率為90 kW 的礦用防爆機車運輸礦渣，巷道預測瓦斯涌出量為2.0 m3/min。按照煤巷掘進期間工作面最低風速（不小于0.25 m/s）和最低風量（根據斷面計算為490 m3/min）要求，經過計算并進行綜合分析，支架專用巷的需風量應控制在580 m3/min 以上，計算結果如表1 所示。

表1 支架專用巷需風量計算結果 單位：m3/min

2.3 柔性風筒風阻計算及局部通風機選型

獨頭巷道長距離通風中不可避免的就是風筒漏風和風筒對通風產生的阻力，選擇風筒和計算風阻是風機選型的關鍵參考。為了方便安裝、拆卸，降低通風成本，支架專用巷采用柔性風筒通風，為了降低風阻，在風筒拐角處采用鈍角通風。在長距離風筒通風時風阻主要有摩擦阻力和局部風阻兩部分組成，摩擦阻力大小主要受通風距離、風筒的摩擦系數和風筒的直徑有關。局部阻力大小與風筒接口數量、接口處通風阻力系數和通風的空氣密度相關，具體計算公式為：

式中：R1為風筒的摩擦風阻，N·s2/m8；α 為風筒的摩擦阻力系數，N·s2/m4；L為通風距離，m；U為風筒周長，m；S為風筒截面積，m2；R2為風筒的局部風阻，N·s2/m8；n為風筒接口的數量；ε 為風筒接口處局部風阻系數；ρ 為通風空氣密度，kg/m3。

根據現場情況，按通風最困難時期取值，參數取值見表2。計算可得，風阻R為35.89 N·s2/m8。

表2 通風風阻選取參數

風筒接頭選擇為雙方便對接類型，風筒的百米漏風率為0.6%，按照通風最困難時期，通風期間的風筒漏風率按公式（4）計算，風機供風量按公式（5）計算。

式中：η 為通風期間風筒漏風率；η100為風筒的百米漏風率；Q進為風機進風口的風量（風機供風量）；Q出為風筒出風口的風量（巷道的需風量），580 m3/min。經計算，風筒漏風率為24.44%，進風量為768 m3/min。因此，選擇供風量為680～980 m3/min 型號為FBDYN07.5（2×55 kW）的局部風機作為支架專用巷的供風風機。該風機的工況參數如圖3 所示。

圖3 局部通風機工況參數

3 現場通風保障措施

3.1 變頻通風措施

由于通風距離隨著巷道掘進的延伸而逐漸增大，造成局部通風的風阻、漏風量等均逐漸增加，為了保證工作面有效風量的穩定，風機的工作效率也需要根據通風距離的增加而增加。在風機電源輸入端設計并安設變頻控制系統，通過監測局部通風機工作參數，實時調節風機轉速，使局部通風機始終處于最佳工況點。采用變頻控制系統，不但降低了通風機的耗能，而且確保了長距離工作面安全、穩定通風。

3.2 柔性通風降漏措施

柔性風筒具有造價低廉、安裝和拆卸方便等諸多優點，在礦井通風中被廣泛應用。支架專用巷采用雙邊柔性風筒，風筒直徑為1.2 m。風筒布連接處的針孔成為漏風的主要因素，為了降低風筒的漏風量，在風筒內部對針孔采用風筒布粘貼覆蓋處理。并每班指派專人對風筒檢查，發現問題及時上報并處理，確保風筒始終處于完好狀態。

3.3 工作面風量監測措施

由于長距離局部通風難度大，容易出現意外情況，如通風壓力大、風筒破損和風機負荷高，往往導致工作面風量不足或停風事故。為了確保工作面通風安全，在風筒末端安設風速傳感器，并聯動報警裝置和礦井調度監控系統，一旦出現上述情況會立刻啟動警報，并通知調度室。為了確保通風機工作的穩定，每班指派專人對風機進行維護，風機實現“三專兩閉鎖”。

3.4 工作面應急救援措施

工作面配備逃生系統和壓風自救系統，兩種系統均按照工作面最大工作人數設計。當工作面警報響起，當班班組長啟動逃生系統，所有人員乘坐無軌膠輪車進行撤離，按照行駛最遠距離10 min 內撤離至31 軌道下山車場。當無法啟動逃生系統或逃生系統執行過程中受阻時，立即啟動壓風自救系統，每組壓風自救系統均能滿足工作面最大人數使用，組間距為50 m。

4 通風效果

經過對支架專用巷道掘進通風期間的長期跟蹤監測，并統計了不同通風時期的通風參數。在采取上述各項技術措施后，確保了超長距離巷道通風的穩定，工作面風量穩定在580～614 m3/min 之間，工作面風速在0.32～0.34 m/s，充分發揮了通風機的效率，特別是在通風困難時期，風筒末端出風量保持在584 m3/min，工作面風速為0.32 m/s，可滿足巷道掘進需要。具體巷道通風參數監測結果見表3。

表3 巷道通風參數

5 結論

1）31 采區支架專用巷掘進長度為4 047 m，通過計算工作面瓦斯涌出量和用風量，綜合確定工作面用風量為580 m3/min。在考慮超長距離巷道風筒漏風情況，選擇型號為FBDYNo7.5 的大功率風機，并采用柔性大直徑風筒通風供風和變頻通風技術，使工作面風量穩定在592 m3/min 左右，風速穩定在0.33 m/s 左右，充分保障了工作面良好的工作環境。

2）煤巷掘進巷道超長距離通風中，系統復雜且薄弱，通風機的選型應綜合考慮多種因素，并采取風筒降阻措施以及綜合性的保障措施，才能確保通風系統穩定、可靠運行。安全防護及救援措施是確保通風安全的重要組成部分，做好通風系統維護的同時，也應加強安全防護措施。