煤礦長距離局部通風(fēng)方式分析

劉通海

(同煤集團安全監(jiān)管五人小組管理部地煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

近些年隨著煤礦開采技術(shù)的快速發(fā)展，巷道掘進距離不斷增加，長距離獨頭掘進通風(fēng)難題日漸顯現(xiàn)。例如神東大柳塔煤礦12311工作面的最長單巷通風(fēng)距離就達到3 175 m。掘進巷道由于工作空間狹小、地質(zhì)情況復(fù)雜且作業(yè)線路長等特點，瓦斯、粉塵等安全生產(chǎn)事故多發(fā)。這類長距離、超長距離掘進巷道由于通風(fēng)距離較長，風(fēng)阻大、漏風(fēng)量大，供風(fēng)困難，有效風(fēng)量率低，因此有必要針對礦井不同特點選擇有效的局部通風(fēng)方式。

1 超長距離局部通風(fēng)技術(shù)

1.1 單臺大功率局部通風(fēng)機壓入式通風(fēng)

通常情況下當(dāng)單巷掘進通風(fēng)距離在3 km以內(nèi)，可以采用功率在2×30 kW以上礦用隔爆型壓入式對旋軸流風(fēng)機通過大直徑柔性風(fēng)筒壓入式通風(fēng)。局部風(fēng)機將新鮮空氣通過風(fēng)筒壓入井巷掘進面，由于風(fēng)筒內(nèi)的空氣氣壓高于井巷內(nèi)空氣壓力，井巷內(nèi)的污風(fēng)隨氣流由井巷作為通道流出井巷端部，同時風(fēng)筒及井巷內(nèi)的漏風(fēng)在一定程度能夠?qū)ξ埏L(fēng)的排出起到良性作用。為了避免局部通風(fēng)效率降低一般不采用串聯(lián)和并聯(lián)其他風(fēng)機。這類通風(fēng)方式優(yōu)點在于不改變巷道原有格局，減少工程施工量，但對進風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓有較高要求，同時應(yīng)避免空氣輸送時不必要的漏風(fēng)，為了滿足《煤礦安全規(guī)程》中的相關(guān)要求，應(yīng)對風(fēng)機功率和風(fēng)筒直徑的選型進行適當(dāng)計算。通常配備的柔性風(fēng)筒直徑為：φ600 mm、φ700 mm、φ800 mm以及φ1 000 mm等。

1.2 局部通風(fēng)機串聯(lián)通風(fēng)

當(dāng)單臺大功率通風(fēng)機選擇的風(fēng)機無法滿足工作面通風(fēng)的風(fēng)壓和風(fēng)量要求時，需要考慮兩臺或多臺風(fēng)機串聯(lián)工作，以達到現(xiàn)場需風(fēng)量、風(fēng)壓要求。通常有壓抽結(jié)合、集中串聯(lián)以及間隔串聯(lián)等風(fēng)機布置方式，但多臺通風(fēng)機布置過于集中，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)壓過大，可能超過風(fēng)筒承受壓力，造成漏風(fēng)量增加或風(fēng)筒破裂，因而采用間隔式串聯(lián)局部通風(fēng)技術(shù)，合理選擇風(fēng)機間距，有效避免風(fēng)壓過大對風(fēng)筒的影響是十分必要的。圖1中介紹了不同間距的風(fēng)機串聯(lián)方式。

圖1 不同風(fēng)機串聯(lián)下的風(fēng)壓分布

1.3 局部通風(fēng)機并聯(lián)通風(fēng)

無論單臺大功率通風(fēng)機以及多臺通風(fēng)機串聯(lián)方式，風(fēng)筒內(nèi)的風(fēng)壓都有可能過高，這樣風(fēng)筒承壓過大易破裂，漏風(fēng)量過大。當(dāng)掘進巷道風(fēng)機選型過程中，風(fēng)筒可承受風(fēng)壓內(nèi)可選的風(fēng)機無法滿足工作面風(fēng)量的要求狀況下，選擇2臺通風(fēng)機并聯(lián)方式布置，調(diào)整風(fēng)筒內(nèi)供風(fēng)量的總量，同時避免風(fēng)壓上升，由于通過不同的風(fēng)筒將新風(fēng)送入井巷端部，風(fēng)機的選型可通過實際需風(fēng)量選擇不同功率風(fēng)機完成通風(fēng)任務(wù)。但其相應(yīng)占用井巷內(nèi)的空間增加，同時費用和維護工作量都會加大。

1.4 全風(fēng)壓與局部通風(fēng)機結(jié)合的局部通風(fēng)

井巷的全風(fēng)壓通風(fēng)方式為：礦井主風(fēng)機-井筒-進風(fēng)巷-回風(fēng)巷-風(fēng)井-地面。所以利用礦井的全風(fēng)壓需要進行相近巷道的平行掘進，雙巷同時推進并不斷貫通聯(lián)絡(luò)巷，封閉舊的聯(lián)絡(luò)巷，這樣就能利用采區(qū)內(nèi)進風(fēng)和回風(fēng)兩巷的壓差，形成空氣循環(huán)風(fēng)路，成為全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。同時在進風(fēng)巷設(shè)置壓入的局部通風(fēng)機調(diào)整循環(huán)風(fēng)路的風(fēng)壓差，改善通風(fēng)環(huán)境，因此局部風(fēng)機不會受到掘進通風(fēng)距離太大的影響。圖2為全風(fēng)壓與局部通風(fēng)機結(jié)合的通風(fēng)方式。

圖2 全風(fēng)壓與局部通風(fēng)機結(jié)合布置

1.5 構(gòu)造風(fēng)庫的局部通風(fēng)技術(shù)

當(dāng)井巷所需通風(fēng)距離過長時，且井巷所在煤、巖層的地質(zhì)條件允許情況下，會在井巷掘進過程中在井巷周邊構(gòu)筑一個風(fēng)庫，通常情況下設(shè)置在井巷的中前段，如總長度的2/5處。該方法相當(dāng)于通風(fēng)機的串聯(lián)工作原理，井巷尾部設(shè)置1～2個局部通風(fēng)機，該局部通風(fēng)機的任務(wù)是將新鮮空氣輸送至風(fēng)庫內(nèi)，風(fēng)庫內(nèi)同時也設(shè)置有局部通風(fēng)機，風(fēng)庫內(nèi)的局部通風(fēng)機將進入風(fēng)庫的新鮮空氣再輸送至工作面，工作面的污風(fēng)仍由井巷排出。該方法能有效解決超長距離局部通風(fēng)，通常其通風(fēng)距離最遠能達到5 000 m左右。構(gòu)造風(fēng)庫的局部通風(fēng)如圖3所示。

圖3 構(gòu)造風(fēng)庫的局部通風(fēng)

1.6 鉆孔導(dǎo)風(fēng)的局部通風(fēng)技術(shù)

在井巷掘進中鉆孔的作用不僅僅是安設(shè)炸藥，還可以進行局部空氣交換，從其他巷道或工作面施工一個或數(shù)個通風(fēng)鉆孔，與掘進巷道貫通，大幅減少通風(fēng)路徑距離，增加掘進巷道工作面的有限供風(fēng)量。例如在地面設(shè)置通風(fēng)立眼的方式就是鉆孔導(dǎo)風(fēng)的一種局部通風(fēng)方式。通風(fēng)立眼的設(shè)置與風(fēng)庫設(shè)施有些類似的地方，需要在掘進井巷中前部設(shè)置一個硐室，由地面至硐室垂直打下一個或多個通風(fēng)孔，傾斜角度<3‰。該方式即可以將新風(fēng)由地面補充至通風(fēng)立眼，再由硐室內(nèi)局部通風(fēng)機輸送至井巷端部，污風(fēng)由井巷排出；或新風(fēng)通過井巷補充，污風(fēng)通過工作面的風(fēng)筒由通風(fēng)立眼下的硐室內(nèi)的風(fēng)機抽入硐室，再經(jīng)由通風(fēng)立眼排出井巷至地面。通風(fēng)立眼的局部通風(fēng)如圖4所示。

圖4 通風(fēng)立眼的局部通風(fēng)

該方法對井巷所處埋深、地面情況有很大的限制，通常情況下井巷與地面距離不得超過200 m以上，地面無水源及積水，不會受到澇期洪水影響，同時無居民區(qū)，便于設(shè)置立眼孔；井巷上部的地層中無積水、含水層，涌水量較少。

2 不同局部通風(fēng)方式的優(yōu)缺點

上述6種局部通風(fēng)方式各自有特點和適用條件，基本涵蓋了煤礦現(xiàn)在全部所使用的局部通風(fēng)的方法?？傮w上來看，前3種方法主要利用設(shè)備進行局部通風(fēng)，該類方式側(cè)重風(fēng)機、風(fēng)筒的選型和組合，需要考慮漏風(fēng)、風(fēng)阻、風(fēng)壓和供風(fēng)量狀況。后3類方法需要對井巷的設(shè)計和布置進行改變，需要設(shè)置平行巷道、設(shè)置隔斷、開鑿?fù)L(fēng)風(fēng)庫、通風(fēng)硐室和通風(fēng)鉆孔，這3類需要考慮礦井所處深度、圍巖強度、上覆層含水狀況等。表1為6種不同局部通風(fēng)方式的優(yōu)缺點。

表1 超長距離不同局部通風(fēng)方式的優(yōu)缺點

3 超長距離局部通風(fēng)技術(shù)的改善措施

超長距離局部通風(fēng)的選擇上主要決定于通風(fēng)距離、需風(fēng)量、井巷布置方式、地形地貌特征和通風(fēng)機性能等。當(dāng)通風(fēng)方式確定下來以后存在的技術(shù)問題主要有：風(fēng)壓過大，風(fēng)筒不穩(wěn)定，風(fēng)筒承壓過大、易漏風(fēng)、脫節(jié)和撕裂；通風(fēng)過程中漏風(fēng)量過大，井巷實際有效風(fēng)量不能滿足實際需求；通風(fēng)機風(fēng)筒的風(fēng)阻過大，造成出風(fēng)量達不到井巷通風(fēng)實際需求。綜合上述問題需要考慮降低風(fēng)筒風(fēng)壓、降低風(fēng)筒風(fēng)阻、減少風(fēng)筒漏風(fēng)量3個問題，從而確保局部通風(fēng)機的有效供風(fēng)。

3.1 降低風(fēng)壓措施

風(fēng)筒出現(xiàn)風(fēng)壓過高可能存在以下幾類狀況：局部風(fēng)機選擇過程中，為了滿足供風(fēng)量要求，單機功率過大而導(dǎo)致風(fēng)壓過大，超過風(fēng)筒承受壓力上限，該類情況及時調(diào)整為其他通風(fēng)方式；風(fēng)筒直徑過小，單位面積通風(fēng)量過大，導(dǎo)致壓力過大，調(diào)整風(fēng)筒直徑；選擇串聯(lián)通風(fēng)方式時，兩通風(fēng)機間距過于集中，局部風(fēng)壓過大，調(diào)整間距；其他因素導(dǎo)致局部截面突然變小，巷道布置時減少不必要的過大轉(zhuǎn)彎，并采用剛性轉(zhuǎn)彎風(fēng)筒。

3.2 降低風(fēng)阻措施

風(fēng)筒的通風(fēng)阻力涉及風(fēng)筒直徑、曲率等，降低風(fēng)筒的摩擦阻力和局部阻力常用的方法如下。

風(fēng)筒直徑小，摩擦阻力較大，盡量選大直徑的風(fēng)筒，一方面降低風(fēng)壓，另一方面也降低與筒壁間的摩擦。風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎處的管理，同樣影響風(fēng)壓與風(fēng)阻，流體在流經(jīng)彎道過程中，轉(zhuǎn)彎越急，局部摩擦力較大。減少彎道，盡量選擇較緩的彎道角度，從而降低風(fēng)阻。改善風(fēng)筒的懸掛質(zhì)量，風(fēng)筒由于其為柔性材質(zhì)，受重力下垂出現(xiàn)曲折，出現(xiàn)不必要的彎道和局部截面變窄，所以風(fēng)筒懸掛應(yīng)做到“平、直、緊”，及時補充缺失的懸掛。

3.3 減少漏風(fēng)措施

漏風(fēng)一方面是風(fēng)筒風(fēng)壓造成的，另一方面出現(xiàn)在風(fēng)筒間連接處，即風(fēng)筒的插接方式。可按需用選擇反壓接頭連接、雙反壓邊連接、柔性連接以及使用專用的風(fēng)筒捆扎器等等。

4 結(jié)語

對煤礦常用的6種超長距離局部通風(fēng)方式即單臺大功率通風(fēng)機局部通風(fēng)、串聯(lián)局部通風(fēng)機通風(fēng)、并聯(lián)局部通風(fēng)機通風(fēng)、全風(fēng)壓結(jié)合局部通風(fēng)，以及風(fēng)庫局部通風(fēng)、鉆孔通風(fēng)的特點進行比較，為合理選擇局部通風(fēng)方式提供依據(jù)。