景瑞鋒

（中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司， 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著國家能源政策的調(diào)整，集約化新型高效、大型礦井建設(shè)速度加快，且伴隨著大型巷道掘進(jìn)設(shè)備被普遍應(yīng)用，礦井的生產(chǎn)工作面輔助巷的走向長度設(shè)計(jì)不斷延伸，斷面面積不斷擴(kuò)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(chǎn)中的獨(dú)頭巷道通風(fēng)帶來較大難題，例如，通風(fēng)阻力過大，供風(fēng)量受限，風(fēng)機(jī)選型復(fù)雜等問題。針對(duì)超長距離巷道的通風(fēng)問題，國內(nèi)學(xué)者和工程技術(shù)人員也有所研究。音勇在分析通風(fēng)參數(shù)基礎(chǔ)上，選擇相應(yīng)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒，并利用風(fēng)筒快速接頭技術(shù)和風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的長距離通風(fēng)，保證了有效風(fēng)量[1]。閆廣祥和常曉紅在計(jì)算風(fēng)筒經(jīng)濟(jì)直徑和通風(fēng)阻力的基礎(chǔ)上，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了合理選型，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)巷道的長距離通風(fēng)[2]。張?jiān)品?、夏同?qiáng)等針對(duì)3 000 m 長度巷道通風(fēng)不足問題，實(shí)驗(yàn)了超大功率4×37 kW 通風(fēng)技術(shù)，結(jié)果表明，采用超大功率通風(fēng)機(jī)通風(fēng)后，工作面有效風(fēng)量提高了57.9%[3]。朱學(xué)賢、倪錦初等在計(jì)算隧洞工作面需風(fēng)量基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒進(jìn)行了選型，實(shí)現(xiàn)了長距離隧洞的工作面安全供風(fēng)[4]。高嵩和師澤軒在分析通風(fēng)參數(shù)和通風(fēng)管理工作面問題基礎(chǔ)上，合理選擇通風(fēng)設(shè)備和技術(shù)，并優(yōu)化通風(fēng)管理，滿足了工作面長距離通風(fēng)的要求[5]。邢永強(qiáng)和馮俊超從通風(fēng)方式、通風(fēng)管理和通風(fēng)技術(shù)等方面分析了長距離獨(dú)頭巷道通風(fēng)現(xiàn)狀及各種通風(fēng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為超長距離巷道通風(fēng)選擇合適的技術(shù)提供了重要參考[6]。

上述研究表明，實(shí)現(xiàn)大斷面長距離通風(fēng)不但要合理選擇風(fēng)機(jī)，而且要降低風(fēng)阻、強(qiáng)化通風(fēng)管理，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。超長掘進(jìn)工作面通風(fēng)是較復(fù)雜的綜合性問題，礦井應(yīng)根據(jù)自身情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)施“一礦一策、一面一策”。本文在借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)礦井的通風(fēng)基礎(chǔ)條件和超長距離巷道通風(fēng)需求，試驗(yàn)了大功率變頻風(fēng)機(jī)、大直徑和柔性降阻通風(fēng)技術(shù)，可為解決超長距離獨(dú)頭巷道通風(fēng)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

試驗(yàn)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(fēng)方式為對(duì)角式通風(fēng)，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。主、副井進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井、31 風(fēng)井回風(fēng)。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(dāng)前開采范圍在31 和21 采區(qū)。主采二1 煤層瓦斯賦存不穩(wěn)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(fā)火等級(jí)為Ⅳ級(jí)，屬于不易自燃，具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

31 采區(qū)位于礦井的西部為單翼采區(qū)，走向長度為1 800 m，布置6 個(gè)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(jī)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(yùn)輸效率，31 采區(qū)設(shè)計(jì)支架專用運(yùn)輸巷（以下簡稱“支架專用巷”），設(shè)計(jì)施工長度為4 074 m，如圖1 所示。

圖1 31 采區(qū)支架專用巷布置

2 長距獨(dú)頭巷道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)布置

31 采區(qū)支架專用巷采用壓入式局部風(fēng)機(jī)供風(fēng)，將風(fēng)機(jī)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(shè)置兩道風(fēng)門，并在風(fēng)門里側(cè)布置專用回風(fēng)巷與31 回風(fēng)下山巷聯(lián)通。工作面乏風(fēng)由支架專用巷進(jìn)入回風(fēng)專用巷，并入31 回風(fēng)下山，最后進(jìn)入回風(fēng)井。區(qū)支架專用巷通風(fēng)系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 支架專用巷通風(fēng)系統(tǒng)

2.2 支架專用巷需風(fēng)量確定

支架專用巷為單巷獨(dú)頭掘進(jìn)，巷道斷面面積為30 m2，掘進(jìn)期間工作面配備15 人，采用2 臺(tái)功率為90 kW 的礦用防爆機(jī)車運(yùn)輸?shù)V渣，巷道預(yù)測瓦斯涌出量為2.0 m3/min。按照煤巷掘進(jìn)期間工作面最低風(fēng)速（不小于0.25 m/s）和最低風(fēng)量（根據(jù)斷面計(jì)算為490 m3/min）要求，經(jīng)過計(jì)算并進(jìn)行綜合分析，支架專用巷的需風(fēng)量應(yīng)控制在580 m3/min 以上，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 支架專用巷需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/min

2.3 柔性風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算及局部通風(fēng)機(jī)選型

獨(dú)頭巷道長距離通風(fēng)中不可避免的就是風(fēng)筒漏風(fēng)和風(fēng)筒對(duì)通風(fēng)產(chǎn)生的阻力，選擇風(fēng)筒和計(jì)算風(fēng)阻是風(fēng)機(jī)選型的關(guān)鍵參考。為了方便安裝、拆卸，降低通風(fēng)成本，支架專用巷采用柔性風(fēng)筒通風(fēng)，為了降低風(fēng)阻，在風(fēng)筒拐角處采用鈍角通風(fēng)。在長距離風(fēng)筒通風(fēng)時(shí)風(fēng)阻主要有摩擦阻力和局部風(fēng)阻兩部分組成，摩擦阻力大小主要受通風(fēng)距離、風(fēng)筒的摩擦系數(shù)和風(fēng)筒的直徑有關(guān)。局部阻力大小與風(fēng)筒接口數(shù)量、接口處通風(fēng)阻力系數(shù)和通風(fēng)的空氣密度相關(guān)，具體計(jì)算公式為：

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

根據(jù)現(xiàn)場情況，按通風(fēng)最困難時(shí)期取值，參數(shù)取值見表2。計(jì)算可得，風(fēng)阻R為35.89 N·s2/m8。

表2 通風(fēng)風(fēng)阻選取參數(shù)

風(fēng)筒接頭選擇為雙方便對(duì)接類型，風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率為0.6%，按照通風(fēng)最困難時(shí)期，通風(fēng)期間的風(fēng)筒漏風(fēng)率按公式（4）計(jì)算，風(fēng)機(jī)供風(fēng)量按公式（5）計(jì)算。

式中：η 為通風(fēng)期間風(fēng)筒漏風(fēng)率；η100為風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率；Q進(jìn)為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量（風(fēng)機(jī)供風(fēng)量）；Q出為風(fēng)筒出風(fēng)口的風(fēng)量（巷道的需風(fēng)量），580 m3/min。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)筒漏風(fēng)率為24.44%，進(jìn)風(fēng)量為768 m3/min。因此，選擇供風(fēng)量為680～980 m3/min 型號(hào)為FBDYN07.5（2×55 kW）的局部風(fēng)機(jī)作為支架專用巷的供風(fēng)風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)的工況參數(shù)如圖3 所示。

圖3 局部通風(fēng)機(jī)工況參數(shù)

3 現(xiàn)場通風(fēng)保障措施

3.1 變頻通風(fēng)措施

由于通風(fēng)距離隨著巷道掘進(jìn)的延伸而逐漸增大，造成局部通風(fēng)的風(fēng)阻、漏風(fēng)量等均逐漸增加，為了保證工作面有效風(fēng)量的穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)的工作效率也需要根據(jù)通風(fēng)距離的增加而增加。在風(fēng)機(jī)電源輸入端設(shè)計(jì)并安設(shè)變頻控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測局部通風(fēng)機(jī)工作參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使局部通風(fēng)機(jī)始終處于最佳工況點(diǎn)。采用變頻控制系統(tǒng)，不但降低了通風(fēng)機(jī)的耗能，而且確保了長距離工作面安全、穩(wěn)定通風(fēng)。

3.2 柔性通風(fēng)降漏措施

柔性風(fēng)筒具有造價(jià)低廉、安裝和拆卸方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在礦井通風(fēng)中被廣泛應(yīng)用。支架專用巷采用雙邊柔性風(fēng)筒，風(fēng)筒直徑為1.2 m。風(fēng)筒布連接處的針孔成為漏風(fēng)的主要因素，為了降低風(fēng)筒的漏風(fēng)量，在風(fēng)筒內(nèi)部對(duì)針孔采用風(fēng)筒布粘貼覆蓋處理。并每班指派專人對(duì)風(fēng)筒檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)上報(bào)并處理，確保風(fēng)筒始終處于完好狀態(tài)。

3.3 工作面風(fēng)量監(jiān)測措施

由于長距離局部通風(fēng)難度大，容易出現(xiàn)意外情況，如通風(fēng)壓力大、風(fēng)筒破損和風(fēng)機(jī)負(fù)荷高，往往導(dǎo)致工作面風(fēng)量不足或停風(fēng)事故。為了確保工作面通風(fēng)安全，在風(fēng)筒末端安設(shè)風(fēng)速傳感器，并聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置和礦井調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)上述情況會(huì)立刻啟動(dòng)警報(bào)，并通知調(diào)度室。為了確保通風(fēng)機(jī)工作的穩(wěn)定，每班指派專人對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)“三專兩閉鎖”。

3.4 工作面應(yīng)急救援措施

工作面配備逃生系統(tǒng)和壓風(fēng)自救系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)均按照工作面最大工作人數(shù)設(shè)計(jì)。當(dāng)工作面警報(bào)響起，當(dāng)班班組長啟動(dòng)逃生系統(tǒng)，所有人員乘坐無軌膠輪車進(jìn)行撤離，按照行駛最遠(yuǎn)距離10 min 內(nèi)撤離至31 軌道下山車場。當(dāng)無法啟動(dòng)逃生系統(tǒng)或逃生系統(tǒng)執(zhí)行過程中受阻時(shí)，立即啟動(dòng)壓風(fēng)自救系統(tǒng)，每組壓風(fēng)自救系統(tǒng)均能滿足工作面最大人數(shù)使用，組間距為50 m。

4 通風(fēng)效果

經(jīng)過對(duì)支架專用巷道掘進(jìn)通風(fēng)期間的長期跟蹤監(jiān)測，并統(tǒng)計(jì)了不同通風(fēng)時(shí)期的通風(fēng)參數(shù)。在采取上述各項(xiàng)技術(shù)措施后，確保了超長距離巷道通風(fēng)的穩(wěn)定，工作面風(fēng)量穩(wěn)定在580～614 m3/min 之間，工作面風(fēng)速在0.32～0.34 m/s，充分發(fā)揮了通風(fēng)機(jī)的效率，特別是在通風(fēng)困難時(shí)期，風(fēng)筒末端出風(fēng)量保持在584 m3/min，工作面風(fēng)速為0.32 m/s，可滿足巷道掘進(jìn)需要。具體巷道通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 巷道通風(fēng)參數(shù)

5 結(jié)論

1）31 采區(qū)支架專用巷掘進(jìn)長度為4 047 m，通過計(jì)算工作面瓦斯涌出量和用風(fēng)量，綜合確定工作面用風(fēng)量為580 m3/min。在考慮超長距離巷道風(fēng)筒漏風(fēng)情況，選擇型號(hào)為FBDYNo7.5 的大功率風(fēng)機(jī)，并采用柔性大直徑風(fēng)筒通風(fēng)供風(fēng)和變頻通風(fēng)技術(shù)，使工作面風(fēng)量穩(wěn)定在592 m3/min 左右，風(fēng)速穩(wěn)定在0.33 m/s 左右，充分保障了工作面良好的工作環(huán)境。

2）煤巷掘進(jìn)巷道超長距離通風(fēng)中，系統(tǒng)復(fù)雜且薄弱，通風(fēng)機(jī)的選型應(yīng)綜合考慮多種因素，并采取風(fēng)筒降阻措施以及綜合性的保障措施，才能確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。安全防護(hù)及救援措施是確保通風(fēng)安全的重要組成部分，做好通風(fēng)系統(tǒng)維護(hù)的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)安全防護(hù)措施。