采礦巷道掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)壓能分布分析

徐明　崔方寧　解文強(qiáng)

摘 要：隨著能源的不斷消耗，對能源的開采工作也變得頻繁起來。在科技的發(fā)展進(jìn)步下，技術(shù)和裝備的進(jìn)步，大大提高了采礦巷道掘進(jìn)作業(yè)的效率。但由于采礦巷道在掘進(jìn)時(shí)，很容易形成循環(huán)風(fēng)，可能對煤礦開采工作帶來危害。文章分析了掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)和礦井通風(fēng)主系統(tǒng)的關(guān)系，并通過壓能分布對循環(huán)風(fēng)的形成條件進(jìn)行了分析，為采礦事業(yè)的安全性提供了參考。

關(guān)鍵詞：煤礦；巷道掘進(jìn)；通風(fēng)系統(tǒng)；壓能分布

1 我國采礦巷道掘進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的現(xiàn)狀

在我國，煤巷在煤礦掘進(jìn)巷道里占有70%的比例，是巷道掘進(jìn)技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向，主要的煤巷掘進(jìn)技術(shù)有以下幾種。

1.1 煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)

煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)組成設(shè)備有：懸臂式掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、單體錨桿鉆機(jī)、通風(fēng)除塵設(shè)備及供電系統(tǒng)等。懸臂式掘進(jìn)機(jī)從上世紀(jì)60年代發(fā)展而來，是一種小功率掘進(jìn)機(jī)。為了適應(yīng)我國的煤礦生產(chǎn)，經(jīng)過研究并開發(fā)了具有國際水平的EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)身矮小、高穩(wěn)定性、破巖能力強(qiáng)、適用范圍廣等特點(diǎn)，成為我國新一代煤巷掘進(jìn)機(jī)。

1.2 大斷面煤巷連續(xù)采煤機(jī)高效掘進(jìn)

連續(xù)采煤機(jī)是一種綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備，可以同時(shí)進(jìn)行采煤和運(yùn)送，能有效提高采煤量，適用于在矩形斷面的雙巷、多巷、短壁上進(jìn)行開采，但不適合單巷開采。該采煤機(jī)是在1979年從國外引進(jìn)，國內(nèi)還不具備生產(chǎn)的能量。

1.3 掘錨一體化掘進(jìn)

掘錨一體化設(shè)備的開發(fā)和研制，創(chuàng)造出了更為高效的掘錨機(jī)組，可以同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)，但由于機(jī)組結(jié)構(gòu)龐大，對巷道要求高，因此適用范圍還不是很廣。

2 掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)和礦井通風(fēng)主系統(tǒng)

掘進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)屬于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一部分，掘進(jìn)工作面一般聚集著大量的井下工作人員，局部通風(fēng)系統(tǒng)的好壞直接影響著礦井生產(chǎn)的安全與否。為了保護(hù)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定進(jìn)行，常常要進(jìn)行局部通風(fēng)，一般情況下，局部通風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)備的安裝位置是在距離巷道掘進(jìn)口10m外的進(jìn)風(fēng)側(cè)。利用風(fēng)筒把新鮮的風(fēng)流傳輸?shù)骄蜻M(jìn)工作面附近，而有害的風(fēng)流則沿著掘進(jìn)巷道排出。由于局部通風(fēng)機(jī)受主系統(tǒng)的影響很大，因此在局部通風(fēng)機(jī)前布置了兩道風(fēng)門。如果在主系統(tǒng)的巷道里增設(shè)一道風(fēng)門，則主系統(tǒng)的風(fēng)壓也會(huì)隨著增大，但風(fēng)壓增加的數(shù)值要小于增設(shè)的風(fēng)門風(fēng)壓值。產(chǎn)生的風(fēng)壓特性曲線如圖1所示。

如圖1所示，曲線1表示局部風(fēng)壓機(jī)的風(fēng)壓特性曲線，曲線2表示主扇的風(fēng)壓特性曲線，B是主系統(tǒng)巷道增設(shè)風(fēng)門前的礦井風(fēng)阻特性曲線，B1是主系統(tǒng)巷道增設(shè)風(fēng)門后的礦井風(fēng)阻特性曲線。A是增設(shè)風(fēng)門前主扇的實(shí)際工況點(diǎn)，A2是局部風(fēng)壓機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)，h表示分壓值。當(dāng)?shù)V井的總風(fēng)阻比較小，則會(huì)出現(xiàn)礦井風(fēng)阻特性曲線在B曲線下方，則得到的局部風(fēng)壓機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)的風(fēng)壓可能出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)的局部通風(fēng)機(jī)不再提供向掘進(jìn)巷道的工作面提供風(fēng)流，反而會(huì)阻礙主風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

3 通風(fēng)系統(tǒng)的壓能分布

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)

礦井的通風(fēng)系統(tǒng)的要求有：

3.1.1 礦井具有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，且通風(fēng)系統(tǒng)的總阻力小于3920Pa。

3.1.2 設(shè)置的進(jìn)風(fēng)井口，要布置在不易受到粉塵、煤塵、有害氣體影響的地方，且要考慮全年的風(fēng)向頻率。

3.1.3 多風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，各風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)壓大致一樣，提供的風(fēng)量適合掘進(jìn)巷道工作面需求。

3.1.4 每一個(gè)煤礦開采點(diǎn)都要有回風(fēng)巷道，實(shí)行分區(qū)通風(fēng)。

3.1.5 通風(fēng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)效益高，風(fēng)流易于控制管理且穩(wěn)定。

3.2 巷道通風(fēng)阻力

巷道兩端斷面之間的通風(fēng)阻力：

h=hs+hz+hv

其中，hs是始斷面靜壓和末斷面靜壓的差；hz是始斷面和末斷面之間的位壓差；hv是始斷面和末斷面之間的動(dòng)壓差。

其中，Bi，Bj是始斷面和末斷面氣壓計(jì)靜壓差的讀數(shù)，mmH2O；Bi'，Bj'是讀取Bi，Bj時(shí)，基點(diǎn)氣壓計(jì)靜壓差的讀數(shù)，mmH2O。

3.3自然風(fēng)壓計(jì)算

自然風(fēng)壓的計(jì)算可以采用平均密度法，通過測取的空氣密度和標(biāo)高值，求每一段的位壓差代數(shù)和。

其中，Z0是風(fēng)洞內(nèi)測壓處標(biāo)高和進(jìn)風(fēng)井口標(biāo)高之間的差，m；？籽0是地面空氣的平均密度，kg/m3。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)的壓能分布分析

掘進(jìn)巷道通風(fēng)時(shí)，風(fēng)流的能量主要由機(jī)械能和內(nèi)能組成。機(jī)械能包括位能、動(dòng)壓能、靜壓能。但在流動(dòng)時(shí)，空氣受到自身因素和流動(dòng)環(huán)境的影響，將會(huì)使風(fēng)流的能量發(fā)生改變，變化后的能量流動(dòng)趨勢是從總能量大的地方向總能量小的地方流動(dòng)，由此，可以比較始末兩端的總能量大小來判斷風(fēng)流的方向。

通風(fēng)壓能曲線圖可以顯示風(fēng)流在流動(dòng)過程中的壓能變化規(guī)律，反映出通風(fēng)壓力和阻力之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。通過局部風(fēng)流系統(tǒng)，描繪了壓能分布變化曲線，如圖2所示。

圖2 通風(fēng)壓能分布曲線

從圖2可以看出，當(dāng)風(fēng)流從風(fēng)點(diǎn)1流向風(fēng)點(diǎn)2，由于存在的通風(fēng)阻力，使得風(fēng)流的能量逐漸減小，到達(dá)風(fēng)點(diǎn)2的時(shí)候，風(fēng)點(diǎn)2的斷面能量明顯比風(fēng)點(diǎn)1小。在風(fēng)點(diǎn)2設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)，在通風(fēng)機(jī)的作用下，給風(fēng)流提供了動(dòng)力使風(fēng)流的能量急劇上升。由于風(fēng)流在風(fēng)筒中流動(dòng)，受到阻力影響降低了能量，后沿著掘進(jìn)巷道繼續(xù)向風(fēng)點(diǎn)4流動(dòng)，能量持續(xù)降低。但由于在風(fēng)點(diǎn)2的局部通風(fēng)機(jī)為風(fēng)流提供的能量與風(fēng)流在風(fēng)筒中受阻力影響和在掘進(jìn)巷道中流動(dòng)所消耗的能量之間的大小關(guān)系無法確定，如果只考慮理想上的可能，則提供的能量和消耗的能量應(yīng)該持平，則風(fēng)點(diǎn)2斷面能量和風(fēng)點(diǎn)4斷面能量應(yīng)該是相等的。然而，實(shí)際上，這兩個(gè)風(fēng)點(diǎn)處的能量大小關(guān)系是不定的，隨時(shí)保持變化。圖2就顯示了風(fēng)點(diǎn)4的斷面能量高于風(fēng)點(diǎn)2的斷面能量，因此出現(xiàn)了局部通風(fēng)機(jī)的循環(huán)通風(fēng)現(xiàn)象。如果風(fēng)點(diǎn)4的斷面能量小于風(fēng)點(diǎn)2的斷面能量，風(fēng)流就直接從風(fēng)點(diǎn)2流向風(fēng)點(diǎn)4，不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)通風(fēng)現(xiàn)象，保證了通風(fēng)質(zhì)量。

由于局部通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量超過需要的風(fēng)量而引起的循環(huán)通風(fēng)現(xiàn)象，可以將局部通風(fēng)機(jī)設(shè)置的位置往后移動(dòng)，或直接更換通風(fēng)機(jī)。對于初次使用局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)通風(fēng)時(shí)，可以人為的增加通風(fēng)阻力，進(jìn)而減小實(shí)際的等效風(fēng)壓和風(fēng)量，防止循環(huán)風(fēng)流的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)提供足夠的風(fēng)流給掘進(jìn)巷道的工作面，且要保證適量，避免循環(huán)風(fēng)的形成。對掘進(jìn)巷道的壓能分布分析能一定程度的改善礦井供風(fēng)能力不足、礦井通風(fēng)阻力、井巷風(fēng)阻等情況，減少事故的發(fā)生，保證礦井的正常生產(chǎn)工作和井下作業(yè)人員的安全健康，增加經(jīng)濟(jì)效益。

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