單巷大斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)實(shí)踐

邢奇凱 范杰軒

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 望云煤礦15101 運(yùn)輸順槽簡(jiǎn)述

望云煤礦15101 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面，煤層平均厚度5.5 m，傾角3°，容重1.40 m3/t，為Ⅱ類自燃煤層，位于15#煤一采區(qū)。本工作面設(shè)計(jì)掘進(jìn)1200 m，斷面4.5 m×5 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。此巷道初期掘進(jìn)較為容易，隨著巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度增加，風(fēng)筒漏風(fēng)率增加，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量大大減少，工作面溫度升高，粉塵濃度較大，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)速度。

2 單巷大斷面長(zhǎng)距離局部通風(fēng)技術(shù)選擇

目前國(guó)內(nèi)外解決大斷面、長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)的主要技術(shù)有：（1）單風(fēng)機(jī)大直徑柔性風(fēng)筒壓入式局部通風(fēng)技術(shù)：采用 2×30 kW 以上大功率局部通風(fēng)機(jī)，配合直徑800 mm 以上的風(fēng)筒對(duì)工作面進(jìn)行供風(fēng)[1-2]；（2）通風(fēng)機(jī)間隔串聯(lián)的局部通風(fēng)技術(shù)：使用2 臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)間隔一段距離進(jìn)行串聯(lián)作業(yè)，解決由于掘進(jìn)通風(fēng)距離長(zhǎng)難以選擇合適局部通風(fēng)機(jī)的難題[3]；（3）構(gòu)筑風(fēng)庫(kù)的局部通風(fēng)技術(shù)：在巷道掘進(jìn)到一定長(zhǎng)度后，在巷道內(nèi)構(gòu)筑一個(gè)風(fēng)庫(kù)，用1 臺(tái)或2 臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)筒同時(shí)向風(fēng)庫(kù)內(nèi)供風(fēng)，在風(fēng)庫(kù)內(nèi)安設(shè)1 臺(tái)局部通風(fēng)機(jī)，將風(fēng)庫(kù)內(nèi)的新鮮風(fēng)流通過(guò)風(fēng)筒供給工作面，工作面的污風(fēng)經(jīng)巷道排出地面[4]；（4）鉆孔導(dǎo)風(fēng)的局部通風(fēng)技術(shù)：從其他水平巷道或地表向井下掘進(jìn)巷道施工1 個(gè)通風(fēng)鉆孔，通過(guò)鉆孔為施工巷道供風(fēng)，可大幅縮短通風(fēng)路徑，增大掘進(jìn)工作面的風(fēng)量，改善掘進(jìn)通風(fēng)效果[5]。通風(fēng)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 幾種長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

通過(guò)對(duì)以上幾種通風(fēng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較，考慮到望云礦地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，瓦斯含量較低，需快速形成備用工作面的需求，決定選用大功率通風(fēng)機(jī)，配套大直徑柔性風(fēng)筒壓入式局部通風(fēng)技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)距離掘進(jìn)。

3 工作面需風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

3.1 工作面需風(fēng)量計(jì)算

掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量，根據(jù)作業(yè)人數(shù)、瓦斯涌出量分別計(jì)算后，加上單軌吊（80 kW）進(jìn)入工作面時(shí)所需風(fēng)量，用最低風(fēng)速對(duì)風(fēng)量進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）按掘進(jìn)面瓦斯涌出量計(jì)算：Q1=125×q×k =125×0.97×2.0=243 m3/min。Q 為掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量；k 為該掘進(jìn)面瓦斯涌出不均勻系數(shù)，取2.0。

（2）按掘進(jìn)面作業(yè)人數(shù)計(jì)算：Q2=4N =4×22=88 m3/min。N 表示工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)。

（3） 按 單 軌 吊 增 加 風(fēng) 量 計(jì) 算：Q3=4P=4×80=320 m3/min。P 為單軌吊機(jī)車功率，80 kW。

故工作面需風(fēng)量計(jì)算Qj=max（Q1+Q3，Q2+ Q3）=563 m3/min。按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算，本設(shè)計(jì)斷面為22.5 m2，煤巷最低風(fēng)速不低于0.25 m3/s，Qmin=0.25×60×22.5=337.5 m3/min，Qj＞Qmin， 風(fēng)量滿足要求，所以掘進(jìn)面需風(fēng)量Qj=563 m3/min。

3.2 壓入式風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算

風(fēng)筒風(fēng)阻由摩擦風(fēng)阻Rf和局部風(fēng)阻Re（包括接頭風(fēng)阻Rjo、彎頭風(fēng)阻Rb、風(fēng)筒出口風(fēng)阻Rom）組成。

式中：R 為風(fēng)筒總風(fēng)阻，N·s2/m8；L 為風(fēng)筒全長(zhǎng)，1200 m；d 為風(fēng)筒直徑，0.8 m；n 為風(fēng)筒接頭個(gè)數(shù)，120 個(gè)；ρ 為空氣密度，1.2 kg/m3；s 為風(fēng)筒斷面積，0.5 m2；α 為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù)，24.5×10-4N·s/m4；εjo為風(fēng)筒接頭阻力系數(shù)，0.030；εb為風(fēng)筒拐彎局部阻力系數(shù)，取本巷道無(wú)彎頭，取0；εom為風(fēng)筒出口局部阻力系數(shù)，取1。

3.3 風(fēng)筒漏風(fēng)率計(jì)算

式中：η 為風(fēng)筒漏風(fēng)率；η100為風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，取值見(jiàn)表2；L 為風(fēng)筒全長(zhǎng)，1200 m。

表2 不同風(fēng)筒接頭方式風(fēng)筒漏風(fēng)率

本礦風(fēng)筒接頭采用雙反邊， 所以η=0.6%×1200/100=7.2%

3.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量、全壓計(jì)算及局部通風(fēng)機(jī)選型

（1）局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒入口吸風(fēng)量：

Qf=Qj/（1-η）=563/（1-7.2%）=607 m3/min。

（2）工作面風(fēng)筒平均風(fēng)量：

（3）局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓：

h=RQ2=69.36×9.75×9.75=6593 Pa。

（4）確定局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)：吸風(fēng)口風(fēng)量為607 m3/min，風(fēng)壓為6593 Pa。

（5）根據(jù)以上工況點(diǎn)，結(jié)合提供風(fēng)機(jī)特性曲線，確定使用FBDNo7.1/2×45 kW 礦用軸流式局部通風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍：480～780 m3/min，風(fēng)壓范圍：1300～7200 Pa，如圖1。

圖1 FBDNo7.1/2×45 kW 局部通風(fēng)機(jī)性能特性曲線

4 大功率局部通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)匯總

15101 運(yùn)輸順槽在使用大功率局部通風(fēng)機(jī)配套柔性壓入式風(fēng)筒通風(fēng)技術(shù)后，每100 m 對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、工作面風(fēng)量、風(fēng)速、粉塵濃度、溫度等進(jìn)行檢測(cè)，匯總結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2 效果分析

（1）工作面掘進(jìn)初期，電機(jī)頻率設(shè)置為35 Hz，此時(shí)工作面風(fēng)量滿足要求，但工作面風(fēng)速較大、煤塵濃度較大、溫度較低、工作面環(huán)境較差，故將電動(dòng)機(jī)頻率調(diào)低，調(diào)至25 Hz，風(fēng)量上雖然有所降低，但可滿足工作面風(fēng)量需求，此時(shí)粉塵濃度大大降低，工作面環(huán)境有較大改善。

（2）工作面掘進(jìn)至700 m 處時(shí)，隨著距離的增長(zhǎng)，風(fēng)筒的漏風(fēng)率逐漸增加，風(fēng)筒運(yùn)行效果開(kāi)始變差，到達(dá)900 m 時(shí)，漏風(fēng)量達(dá)到104 m3/min，此時(shí)通過(guò)增加風(fēng)機(jī)頻率來(lái)增加風(fēng)量，以滿足風(fēng)量需求。

（3）工作面掘進(jìn)至1100 m 時(shí)，風(fēng)筒受壓明顯，漏風(fēng)地點(diǎn)和漏風(fēng)量顯著增加，通過(guò)增加風(fēng)機(jī)頻率增加風(fēng)量的辦法已效果不明顯，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)吸風(fēng)量雖在增加，但隨著風(fēng)壓的增加，各漏風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)壓也在增加，漏風(fēng)量也在增加，故只能通過(guò)減少風(fēng)筒風(fēng)阻等其他辦法來(lái)增加工作面風(fēng)量。

表3 不同通風(fēng)距離下工作面參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.3 其他保證風(fēng)量措施

（1）風(fēng)筒吊掛要求要平、直、穩(wěn)、緊、逢環(huán)必掛、過(guò)渡平緩，發(fā)現(xiàn)漏口，及時(shí)縫補(bǔ)。

（2）減少風(fēng)筒阻力，一方面減少風(fēng)筒接頭數(shù)量，在實(shí)際掘進(jìn)時(shí)從700 m 處，使用風(fēng)筒由原來(lái)的10 m一節(jié)換為20 m 一節(jié)；另一方面，風(fēng)筒接頭使用專用接頭保護(hù)帶、雙反邊接法，減緩了風(fēng)筒接頭處的壓力，降低風(fēng)筒在高壓下脫節(jié)的危險(xiǎn)。

（3）在工作面安裝自動(dòng)灑水噴霧，及時(shí)將工作面煤塵通過(guò)水幕簾等方式降塵，保證工作斷面中含塵量降低，風(fēng)流順暢。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)方法比較，確定選用大功率通風(fēng)機(jī)、配套大直徑柔性風(fēng)筒壓入式局部通風(fēng)技術(shù)，對(duì)15101 運(yùn)輸順槽長(zhǎng)距離掘進(jìn)進(jìn)行通風(fēng)。通過(guò)工作面需風(fēng)量計(jì)算，綜合考慮風(fēng)筒摩擦阻力、風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)、工作面環(huán)境質(zhì)量等因素，對(duì)不同工作頻率的通風(fēng)效果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)掘進(jìn)距離及時(shí)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)工作頻率做出調(diào)整。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，F(xiàn)BDNo7.1/2×45 kW 風(fēng)機(jī)滿足了15101 運(yùn)輸順槽大斷面、長(zhǎng)距離掘進(jìn)通風(fēng)需要，對(duì)同類大斷面長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道施工具有借鑒意義。