劉家梁煤礦長距離局部通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用研究

張晉兵

(大同煤礦集團(tuán) 軒崗煤電有限公司劉家梁煤礦， 山西 大同 034114)

隨著煤礦機械化程度的提高，煤礦開采深度及工作面長度不斷增加，巷道掘進(jìn)速度也隨之加快，掘進(jìn)速度的加快使煤壁暴露的速度加快，導(dǎo)致煤層中瓦斯涌出量增加，而掘進(jìn)巷道的加長使得掘進(jìn)面通風(fēng)變得困難，最終導(dǎo)致掘進(jìn)巷道瓦斯事故增多。目前，長距離通風(fēng)主要采用風(fēng)筒導(dǎo)風(fēng)，但由于空間的局限性，有些設(shè)備安裝困難，一旦設(shè)備發(fā)生故障將增大事故發(fā)生的風(fēng)險[1-4].

對長距離局部通風(fēng)，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了不同角度的研究，陳旭忠[5]在大同煤礦集團(tuán)馬脊梁礦為解決長距離的運輸順槽3 000 m掘進(jìn)通風(fēng)問題，改用單巷道掘進(jìn)技術(shù)，配備了大功率風(fēng)機和柔性風(fēng)筒，通風(fēng)距離達(dá)到2 700 m，該通風(fēng)方式根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H地質(zhì)情況進(jìn)行選擇，并對通風(fēng)管理提出改進(jìn)措施，但在技術(shù)上沒有突破。李浩蕩等[6]通過對掘進(jìn)工作面大斷面長距離通風(fēng)技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，采用長距離單巷掘進(jìn)時，設(shè)計通風(fēng)長度約為3 000 m，雖然解決了長距離通風(fēng)問題，但是通風(fēng)方式上沒有得到改進(jìn)。李景全[7]對風(fēng)筒裝置在局部通風(fēng)的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)：在井下風(fēng)壓較大的地方風(fēng)筒容易出現(xiàn)脫節(jié)、斷裂，增大風(fēng)筒直徑會受到巷道斷面的影響不易實施管理，在成莊煤礦的實施應(yīng)用發(fā)現(xiàn)功率為2×30 kW的風(fēng)機，局部長度在1 000 m以下時可采用600 mm的風(fēng)筒，無需安裝風(fēng)筒卸壓裝置，通風(fēng)效果良好。

劉家梁礦開采5#煤層，平均厚度為9.7 m，可采性指數(shù)為1，煤厚變異系數(shù)24.1%，工作面走向長度2 360 m，巷道斷面11.5 m2，未優(yōu)化前局部通風(fēng)方式采用單巷壓入式通風(fēng)。

1 理論研究

長距離局部通風(fēng)重點解決的是在掘進(jìn)巷道中產(chǎn)生的有毒有害氣體以及粉塵，對污風(fēng)在不同風(fēng)速作用下的流動分布及運移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，提出相應(yīng)措施，以改善工作環(huán)境。

局部通風(fēng)通過風(fēng)筒給掘進(jìn)工作面供風(fēng)，當(dāng)風(fēng)流從風(fēng)筒射出后，隨著出口處橫截面積的擴大，風(fēng)速減小，新風(fēng)與工作面產(chǎn)生的粉塵及有毒有害氣體混合后受到工作面較大新鮮風(fēng)流的擠壓，流向回風(fēng)巷，排出污風(fēng)。

根據(jù)壓入式風(fēng)筒排出特點，將局部通風(fēng)風(fēng)流劃分為自由射流區(qū)、貼附射流區(qū)、沖擊射流區(qū)以及回流區(qū)，風(fēng)流流動及分布示意圖見圖1[8].

圖1 風(fēng)流分布示意圖

當(dāng)新鮮風(fēng)流從風(fēng)筒排出后，風(fēng)流首先在自然風(fēng)壓作用下進(jìn)入自由射流區(qū)，隨著新鮮風(fēng)流的不斷擠壓，風(fēng)流被擠壓到巷道側(cè)壁處，即形成貼壁射流區(qū)，然后與巷道壁發(fā)生擠壓碰撞，回風(fēng)風(fēng)流發(fā)生改變，即形成回流區(qū)，當(dāng)回流區(qū)與新風(fēng)擠壓交匯，在風(fēng)壓作用下形成渦流。

1.1 掘進(jìn)巷道需風(fēng)量計算

1) 按CH4涌出量計算：

Qh=100qλ

式中：

Qh—掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，m3/min；

q—掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；

λ—瓦斯涌出不均衡系數(shù)，一般取1.3～1.5.

參照采區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定報告，掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量q=2.47 m3/min，λ=1.4,計算可得出Qh=347 m3/min.

2) 按CO2涌出量計算：

Qh=100QCO2KCO2

式中：

Qh—掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，m3/min；

QCO2—掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中最大CO2絕對涌出量，m3/min；

KCO2—掘進(jìn)巷道CO2涌出量不均衡系數(shù)。

經(jīng)測得，掘進(jìn)工作面中最大CO2絕對涌出量為0.72 m3/min，對CO2涌出量連續(xù)記錄30天，取其最大值與平均值做比，約為1.5，可得Qh=108 m3/min.

3) 按人數(shù)計算：

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第103條，礦井內(nèi)人員人均供風(fēng)量大于4 m3/min.

Qh=4N

式中：

Qh—掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，m3/min；

N—巷道允許容納最多人數(shù)。

選取N=30，計算可得Qh=120 m3/min.

4) 按炸藥使用量計算：

式中：

Qh—掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，m3/min；

t—通風(fēng)時間，s；

A—一次爆破需要消耗的炸藥量，kg；

S—巷道斷面積，m2；

L—最長通風(fēng)距離，m.

按實際工作情況，通風(fēng)時間取1 200～1 800 s，該巷道爆破實際需要炸藥量為6 kg，巷道長度最長2 200 m，代入公式可得Qh=114 m3/min.

1.2 掘進(jìn)工作面風(fēng)速驗算

1) 按最低風(fēng)速驗算，掘進(jìn)巷道最小風(fēng)量應(yīng)滿足：

Qh≥60vminS

式中：

Qh—所需風(fēng)量，m3/min；

vmin—最小風(fēng)速，m/s；

S—巷道斷面，m2.

按照規(guī)程規(guī)定，vmin=0.25 m/s得出Qh≥264.50 m3/min.

2) 按最高風(fēng)速驗算，掘進(jìn)巷道最大風(fēng)量應(yīng)滿足：

Qh≤60vmaxS

式中：

Qh—所需風(fēng)量，m3/min；

vmax—最大風(fēng)速，m/s；

S—巷道斷面，m2.

按照規(guī)程規(guī)定，vmax=4 m/s，可得出Qh≤4 248 m3/min.

比較發(fā)現(xiàn)：按掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計算需風(fēng)量最多，通過風(fēng)速驗算也滿足工作要求，故確定Qh取最大值為347 m3/min.

2 數(shù)值模擬

根據(jù)劉家梁礦5316工作面實際地質(zhì)條件、通風(fēng)方式對5316工作面局部通風(fēng)進(jìn)行FLUENT模擬，使用gambit建模，巷道長度1 100 m，面積11.5 m2，對巷道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設(shè)為點間距，寬度為1 m，考慮到局部通風(fēng)區(qū)域內(nèi)既有瓦斯也有新鮮空氣，材料設(shè)置為瓦斯和空氣混合氣體，模型建立見圖2. 調(diào)節(jié)入口風(fēng)速，觀察瓦斯分布情況。瓦斯分布云圖見圖3，圖4.

圖2 模型建立圖

圖3 入口風(fēng)速為7.5 m/s的瓦斯?jié)舛仍茍D

圖4 入口風(fēng)速為15 m/s的瓦斯?jié)舛仍茍D

圖4風(fēng)速是圖3風(fēng)速的2倍，由于在雙巷掘進(jìn)過程中，兩個掘進(jìn)工作面的回風(fēng)流都匯合到同一條巷道內(nèi)，所以在模擬時風(fēng)量加倍，因此圖4可看做雙巷掘進(jìn)的瓦斯分布云圖，模擬結(jié)果顯示，瓦斯?jié)舛入S著距離出風(fēng)口長度出現(xiàn)梯度變化，在風(fēng)筒出口處，風(fēng)速最大，隨著距離的向前推進(jìn)，風(fēng)流斷面不斷擴大，導(dǎo)致風(fēng)速逐漸減小，當(dāng)風(fēng)流向工作面時，發(fā)生逆流回轉(zhuǎn)，形成渦流區(qū)域，無論風(fēng)速是7.5 m/s還是15 m/s，瓦斯?jié)舛确植家粯?；掘進(jìn)巷道瓦斯分布不均勻，在出風(fēng)口處受到大巷中風(fēng)壓影響，出現(xiàn)濃度增大現(xiàn)象，工作面和渦流處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值，當(dāng)污風(fēng)隨著風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)大巷時，瓦斯?jié)舛入S之減小。從圖4中可以看出，風(fēng)速的增加，導(dǎo)致風(fēng)量的增加，風(fēng)壓也隨著增大，在局部通風(fēng)處，回風(fēng)流受大巷的風(fēng)壓影響較小，因此瓦斯?jié)舛仍黾拥牟幻黠@。

3 現(xiàn)場試驗

劉家梁礦5136進(jìn)風(fēng)巷沿5#煤層底板掘進(jìn)布置，采用鋼性支架支護(hù)，斷面為梯形，凈斷面為10.2 m2，掘進(jìn)斷面為11.5 m2，棚距0.6 m，采用11#工字鋼梯形棚支護(hù)，梁長3.2 m，腿長為2.8 m. 考慮到單巷單風(fēng)筒局部通風(fēng)后期風(fēng)阻以及風(fēng)壓較大，故采用平行雙巷對旋式壓入式通風(fēng)，在投入使用前期均使用獨立通風(fēng)，在掘進(jìn)過程中每隔一段距離開掘一條聯(lián)絡(luò)巷，隨著巷道的推進(jìn)新的聯(lián)絡(luò)巷貫通，舊的聯(lián)絡(luò)巷封閉，最終形成全長通風(fēng)。平行雙巷同時施工效率高，不受通風(fēng)距離限制。當(dāng)采用雙巷同時掘進(jìn)時，風(fēng)量加大，風(fēng)速加大，更有利于巷道內(nèi)散熱以及有毒有害氣體及粉塵的排除，提高掘進(jìn)效率。

采用風(fēng)機有效風(fēng)量率和風(fēng)機裝置效率作為技術(shù)指標(biāo)衡量優(yōu)化效果。

有效風(fēng)量率：

式中：

Qh—風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量，m3/min；

Qa—風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)量，m3/min；

Q1—風(fēng)筒漏風(fēng)率。

風(fēng)機裝置效率：

式中：

Q扇—風(fēng)機風(fēng)量，m3/min；

H扇—風(fēng)機風(fēng)壓，Pa；

N—風(fēng)機輸出功率，kW；

P電—電機效率；

P傳—傳動效率。

與單風(fēng)機單風(fēng)筒局部通風(fēng)比較，該通風(fēng)方式風(fēng)機的有效風(fēng)量率、風(fēng)機裝機效率均有所提高。通風(fēng)設(shè)備效果比較見表1.

表1 通風(fēng)設(shè)備效果比較表

4 結(jié) 論

1) 通過理論分析和數(shù)學(xué)計算，對局部通風(fēng)的需風(fēng)量進(jìn)行計算比較，最終選定根據(jù)瓦斯涌出量得出的需風(fēng)量最多，為347 m3/min，所以Qh=347 m3/min.

2) 通過數(shù)值模擬結(jié)果可以得出：瓦斯?jié)舛入S距離出風(fēng)口長度出現(xiàn)階梯變化，瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅婧蜏u流處出現(xiàn)峰值，當(dāng)污風(fēng)隨著風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)大巷時，瓦斯?jié)舛入S之減小。在局部通風(fēng)處，回風(fēng)流受大巷的風(fēng)壓影響較小，因此瓦斯?jié)舛仍黾拥牟幻黠@。

3) 現(xiàn)場試驗表明：采用平行雙巷技術(shù)可使風(fēng)量加大，風(fēng)速增大，提高了施工效率，風(fēng)機有效風(fēng)量率由67.8%提高到82.5%，風(fēng)機裝機效率由66.4%提高到93.1%.