凍結(jié)法施工立井井筒風(fēng)量計算方法探討

吳龍山 高智軍 李志強

（同煤集團梵王寺煤礦，山西 朔州 036002）

梵王寺煤礦設(shè)計年生產(chǎn)能力600萬t/a，屬低瓦斯礦井，采用立井開拓方式，在工業(yè)廣場內(nèi)布置主井、副井和風(fēng)井三個井筒。根據(jù)該井田水文地質(zhì)狀況及鄰近礦井建設(shè)過程中的涌水情況，主立井采用全井深凍結(jié)法施工。風(fēng)量計算是礦井建設(shè)施工組織設(shè)計中的重要組成部分，是掘進工作面局部通風(fēng)機選型的關(guān)鍵程序，風(fēng)量計算方法是否合理直接關(guān)系到礦井施工安全、職工健康和掘進工效。

1 工程概況

梵王寺煤礦主井井筒全深650m，井筒凈直徑8.5m，凈斷面56.72m2，采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度為660m（見表1主井井筒技術(shù)特征表）。表土段使用小型挖掘機挖掘，高效風(fēng)鎬、風(fēng)鏟修邊，基巖段主要采用鉆爆破法施工。井筒基巖段施工采用中深孔光面爆破，一次爆破最多炸藥消耗量為490kg（見表2預(yù)期爆破效果表）。炸藥采用T220水膠炸藥，周邊眼藥卷規(guī)格為Φ35×400mm，重450g，其他眼藥卷規(guī)格為Φ40×600mm，重900g。凍結(jié)段外壁采用短段掘砌混合作業(yè)方式，使用挖掘機挖掘，輔以風(fēng)鎬或高效風(fēng)鏟刷幫，抓巖機裝罐，使用帶刃角架整體活動式金屬模板砌壁，固定段高2.0m或3.6m，使用底卸式吊桶下放混凝土。內(nèi)、外層井壁間鋪設(shè)雙層聚乙烯防水塑料薄板，單層厚度為1.5mm；凍結(jié)壁與現(xiàn)澆混凝土外層井壁之間，鋪設(shè)25mm厚的泡沫塑料板。內(nèi)壁套砌施工使用組裝式大塊金屬模板砌壁?；鶐r段外壁施工采用短段掘砌混合作業(yè)，固定段高3.6m（見表4主井井筒支護參數(shù)）。永久支護模板采用整體活動式金屬模板。

表2 預(yù)期爆破效果表

表3 基巖段爆破原始條件

表4 主井井筒支護參數(shù)

2 井筒通風(fēng)監(jiān)測情況

2.1 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)傳感器的布置如下：甲烷傳感器兩臺，一臺安設(shè)在掘進工作面回風(fēng)流，一臺安設(shè)在井口；氧氣傳感器一臺，設(shè)在工作面；一氧化碳傳感器兩臺，一臺安設(shè)在掘進工作面回風(fēng)流，一臺安設(shè)在井口；溫度傳感器一臺，設(shè)在工作面；風(fēng)筒風(fēng)量傳感器一組；風(fēng)機開停傳感器四臺，設(shè)在地面。

2.2 局部通風(fēng)系統(tǒng)

為適應(yīng)井筒施工需要，該井筒采用壓入式通風(fēng)，初期局部通風(fēng)機選用FBDⅡNo7.1/2×45型礦用防爆對旋軸流通風(fēng)機，設(shè)在井口20m以外；風(fēng)筒選用Φ1000mm膠質(zhì)風(fēng)筒，向井下壓入新鮮空氣。主備局部通風(fēng)機實現(xiàn)“三專兩閉鎖”，且能自動切換。局部通風(fēng)機性能參數(shù)如下：

額定功率：2×45kW；風(fēng)量：580～850m3/min；全壓：7000～1500Pa，效率：≥80%；噪聲：≤25dB；頻率：50Hz；電壓：380/660V。

2.3 存在問題

在外壁施工過程中，爆破作業(yè)后排放炮煙時間較長，特別是在陰雨天受大氣壓的影響，排炮煙時間長達(dá)2h左右，嚴(yán)重影響工效。顯然，風(fēng)量計算參數(shù)選擇不合理，導(dǎo)致供風(fēng)量偏低。

3 風(fēng)量計算方法分析

掘進工作面需要風(fēng)量，應(yīng)按瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、一次爆破使用的最大炸藥量、同時工作的最多人數(shù)等有關(guān)規(guī)定分別進行計算，取其中最大值作為風(fēng)機選型的依據(jù)。

因井筒施工分外壁施工和內(nèi)壁施工兩部分澆筑混凝土工程施工，下面結(jié)合采用凍結(jié)法施工立井現(xiàn)場實際分別進行計算分析：

3.1 井筒外壁施工時風(fēng)量分析計算

（1）按瓦斯涌出量（二氧化碳涌出量）計算掘進工作面實際需風(fēng)量

式中：

q掘CH4-掘進工作面瓦斯絕對涌出量，m3/min，采用鄰近礦井經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算，僅作為參考。

實際施工過程中，安全監(jiān)控系統(tǒng)顯示CH4值未超0.015%；人工檢查數(shù)據(jù)CH4最大值為0.00%，CO2最大值為0.05%。顯然，井筒凍結(jié)圈低溫對煤層附存瓦斯涌出有明顯抑制作用。

（2）按人數(shù)計算掘進工作面實際需風(fēng)量

式中：

N掘-掘進工作面同時工作最多人數(shù)，受作業(yè)空間影響，一般為30人，顯然需風(fēng)量偏低。

（3）按一次爆破使用的最大炸藥量計算掘進工作面實際需風(fēng)量

本礦井選用二級煤礦許用防凍水膠炸藥

式中：

A掘-掘進工作面一次爆破所用的最大炸藥量，kg；

10-每千克二、三級煤礦許用炸藥需風(fēng)量，m3/min。

Q掘=10A掘=4900m3/min，顯然不合理。

（4）按巷道允許的最低風(fēng)速計算

本井筒應(yīng)采用以下公式：

式中：

S掘-掘進工作面巷道的凈斷面積，m2；

0.25 -有瓦斯涌出的巖巷、半煤巖巷和煤巷允許的最低風(fēng)速，m/s。

Q=0.25×S×60=0.25×56.72×60=850.8m3/min

若引用該計算結(jié)果，在施工過程中井筒內(nèi)局部存在風(fēng)速不足0.15m/s現(xiàn)象。如在井筒Ⅵ段施工時，掘進斷面為121.8m2，砌壁后斷面為98.5m2，風(fēng)速為0.14m/s。

（5）按井筒施工工作面爆破排除炮煙計算

根據(jù)《煤礦建設(shè)安全規(guī)范》（AQ1083-2011）規(guī)定，立井爆破作業(yè)所需風(fēng)量通常按下式計算：

式中：

Q-掘進工作面所需風(fēng)量，m3/min；

K-淋水系數(shù)，按表3取值（因井筒內(nèi)無淋水，按0.8計算）；

A-一次起爆炸藥消耗量，取490kg；

S-井筒凈斷面，取56.72m2；

T-排炮煙時間，取60min；

L-掘進井筒巷道通風(fēng)長度，取650m。

計算得出：Q=1054m3/min。

按上述五種方法分別計算后，取其最大值為該工作面的實際需風(fēng)量。根據(jù)需風(fēng)量選擇相應(yīng)型號的局部通風(fēng)機?？蛇x用兩臺FBDNo8.0/2×75礦用防爆對旋軸流通風(fēng)機由一趟風(fēng)筒供風(fēng)，主要性能參數(shù)如下：額定功率2×75kW；風(fēng)量675～1260m3/min；全壓2160～7170Pa；電壓380/660V?；蚩蛇x用四臺FBDNo7.1/2×30型礦用防爆對旋軸流通風(fēng)機兩趟風(fēng)筒供風(fēng)，主要性能參數(shù)如下：額定功率2×30kW；風(fēng)量 370～620m3/min；全壓 600～6624；電壓380/660V。

3.2 井筒內(nèi)壁施工時風(fēng)量分析計算

施工期內(nèi)井壁圍巖仍處于凍結(jié)狀態(tài)，且馬頭門處煤壁已噴漿處理，井底殼也澆筑混凝土完畢，施工作業(yè)受瓦斯影響較小。因此可按巷道允許的最低風(fēng)速公式計算：

式中：

S掘-掘進工作面巷道的凈斷面積，m2；

0.15 -無瓦斯涌出的巖巷允許的最低風(fēng)速，m/s。

可選用兩臺FBDNo7.1/2×30型礦用防爆對旋軸流通風(fēng)機由一趟風(fēng)筒供風(fēng)。額定功率：2×30kW；風(fēng)量：370～620m3/min；全壓：600～6624Pa；電壓：380/660V。

4 結(jié)論

（1）立井井筒采用內(nèi)外壁支護方式時，在計算施工所需風(fēng)量時應(yīng)分別考慮分析。

（2）立井采用全井深凍結(jié)法施工時，瓦斯涌出受低溫影響，對風(fēng)量計算意義不大；炸藥消耗量較大時，按生產(chǎn)礦井掘進工作面一次爆破使用的最大炸藥量計算風(fēng)量不切合實際；主要考慮采用按巷道允許的最低風(fēng)速計算和按井筒掘進工作面爆破排除炮煙計算。

（3）在實際外壁作業(yè)施工中，如從耗電費用和作業(yè)空間上綜合考慮，分析對比可選用一臺較大功率局部通風(fēng)機供風(fēng)，以滿足按巷道允許的最低風(fēng)速計算得出的風(fēng)量。