煤礦可控循環(huán)風(fēng)的主要技術(shù)措施研究

鄭遠(yuǎn)新

摘要：本文介紹了可控循環(huán)風(fēng)的實際應(yīng)用，并通過計算模擬和實際測定對區(qū)域大一些的工作面可控循環(huán)風(fēng)的通風(fēng)效果。系統(tǒng)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：可控循環(huán)風(fēng);礦井通風(fēng);采煤工作面

礦井通風(fēng)是保障礦井安全的重要手段之一。在礦山生產(chǎn)過程中，礦井通風(fēng)是連續(xù)不斷的，其動力來源盡量利用自然風(fēng)壓和通風(fēng)機(jī)械，主要還是靠通風(fēng)機(jī)械。維持通風(fēng)機(jī)械的能源目前還只有電能。生產(chǎn)礦井每年花在通風(fēng)方面的費用相當(dāng)可觀，是生產(chǎn)成本的主要指標(biāo)之一。同時從節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面，具有時代意義。

一、煤礦可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)

推廣應(yīng)用的可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)就是在采掘工作面獨立實行的局域可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)。

掘進(jìn)工作面的可控循環(huán)風(fēng)是通過有目的增加該工作面回風(fēng)道的風(fēng)阻（用于主要通風(fēng)機(jī)是離心式的），或者通過有目的減少其它工作面回風(fēng)道的風(fēng)阻（用于主要通風(fēng)機(jī)是軸流式的），使該工作面回風(fēng)流減小造成該工作面局部通風(fēng)機(jī)循環(huán)實現(xiàn)可控循環(huán)風(fēng)的。還有的掘進(jìn)工作面供風(fēng)距離較遠(yuǎn)，將“接力局部通風(fēng)機(jī)”的吸入端與上一個局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒斷開，并使上一機(jī)的風(fēng)筒出口超前“接力局部通風(fēng)機(jī)”至少10米以上（該距離是根據(jù)循環(huán)率確定的），這時候“接力局部通風(fēng)機(jī)”就變成了循環(huán)通風(fēng)機(jī)兼接力局部通風(fēng)機(jī)了，從而實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的可控循環(huán)風(fēng)。

采煤工作面的可控循環(huán)風(fēng)是通過在超前該采煤工作面的入風(fēng)巷和回風(fēng)巷之間連通一條風(fēng)道做循環(huán)風(fēng)道，在循環(huán)風(fēng)道或采煤工作面的回風(fēng)巷內(nèi)安設(shè)循環(huán)通風(fēng)機(jī)將回風(fēng)流的一部分風(fēng)流再次輸送到該采煤工作面的入風(fēng)巷，實現(xiàn)采煤工作面的可控循環(huán)風(fēng)。循環(huán)風(fēng)道的連通口必須在該工作面的全風(fēng)壓回風(fēng)口與該工作面的回風(fēng)口之間。循環(huán)風(fēng)機(jī)的工作方法可以是抽出式的，可以是壓入式的，也可以是混合式的。

采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)的礦井的全風(fēng)壓風(fēng)量分配、通風(fēng)設(shè)備選型，按照各個可控循環(huán)風(fēng)工作面設(shè)定的循環(huán)率，核定出該工作面的全風(fēng)壓風(fēng)量。也就是工作面風(fēng)量與循環(huán)風(fēng)量之差就是工作面的應(yīng)配的全風(fēng)壓風(fēng)量。除此之外，其他通風(fēng)技術(shù)的定理、規(guī)則都適用?！耙煌ㄈ馈钡南嚓P(guān)規(guī)定都必須遵循，《煤礦安全規(guī)程》的對煤礦通風(fēng)工作的相關(guān)規(guī)定也必須遵循。

二、采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)可解決無煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險的礦井通風(fēng)困難風(fēng)量不足的問題。

隨著礦井開采規(guī)模的加大，通風(fēng)的困難程度也在不斷地增加。增加風(fēng)量有兩個途徑：一是重新調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，增加通風(fēng)機(jī)械的能力，即使如此，通風(fēng)特別困難的礦井，很難找到通風(fēng)機(jī)的特性與礦井的風(fēng)阻特性十分吻合的，所以也很難達(dá)到預(yù)期的效果;二是采用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)。前者即使能解決問題，投資也大;后者比較經(jīng)濟(jì)，但對其可靠性和應(yīng)用技術(shù)需要進(jìn)行試驗研究和精心調(diào)控。

采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)降低無煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險的礦井通風(fēng)成本的問題。如果礦井無煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險，瓦斯涌出均衡，采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)降低主要通風(fēng)機(jī)提供的全風(fēng)壓，從而降低主要通風(fēng)機(jī)的電能消耗，達(dá)到降低通風(fēng)成本的目的。

總加熱量Q，

Q=αMCp（th-t1），kw

在北方，冬季溫度平均-20℃，那么，每1km3/min風(fēng)量從-20℃升到2℃時所需熱量：

Q=αMCp（th-t1）=1.1×21.55×1.01（2-（-20））=526.7kw

相當(dāng)于526.7×1000÷1.163÷3600=126（千卡）（按1kcal/h=1.163W換算）

那么，每日所需的熱量就是126×24×3600=10886400（千卡）。取加熱器熱效率80%。1日所需供熱煤炭折合成標(biāo)準(zhǔn)煤就是10886400÷80%÷7000÷1000=1.944（t）（我國規(guī)定1kg的標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7000千卡）。北方按四個月供暖計算，120×1.944=233.3（t），井下供暖所需煤炭折合成標(biāo)準(zhǔn)煤233.3噸。按市場價800×233.3=18.664萬元人民幣，再加上供暖電耗必定超過20萬元人民幣。這是按照礦井通風(fēng)風(fēng)量1000m3/min計算的。如果循環(huán)率能維持30%，那么，礦井所需1000m3/min的風(fēng)量就能節(jié)省70噸標(biāo)準(zhǔn)煤的煤炭。

式中：Q——礦井空氣總加熱量，kw

α——熱量損失系數(shù)，井口房不密閉時α=1.05～1.10，井口房，密閉時α=1.10～1.15;

M——井筒進(jìn)風(fēng)量，kg/s（每1km3/min風(fēng)量的M=Q風(fēng)ρ=1000m3/min×1.293kg/m3=1293kg/min=21.55kg/s）

Cp——空氣定壓比熱，Cp=1.01kJ/（kg·K）。

th——冷熱混合空氣溫度，可取2℃;

t1——室外冷風(fēng)計算溫度，℃。

如果礦井無煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險，瓦斯涌出均衡，采用可控循環(huán)風(fēng)技術(shù)降低主要通風(fēng)機(jī)提供的全風(fēng)壓，從而使入井需要加熱風(fēng)量降低，用在生產(chǎn)工程中的加熱向井下供熱的取暖煤的節(jié)約百分比就是可控循環(huán)風(fēng)的循環(huán)率。也可以用類似方法降低礦井井下用于制冷的空調(diào)費用。

三、國外可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)

1971年英國在錫漢礦超前回采作業(yè)面的入、回風(fēng)巷中進(jìn)行了循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的首次試驗，該系統(tǒng)屬于開路式循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。試驗取得了成功，為這項技術(shù)的開展打下了基礎(chǔ)，并在理論上得到了認(rèn)同。1974年英國皇家礦山監(jiān)察局又批準(zhǔn)了5個煤礦做循環(huán)通風(fēng)試驗。試驗結(jié)果表明，無論是入風(fēng)側(cè)還是回風(fēng)側(cè)，超前巷道中測出的粉塵都比以前顯著降低。在賽頓礦，超前作業(yè)面入風(fēng)巷中粉塵濃度由原來的8 mg/m3 下降到2mg/m3。林畢礦超前作業(yè)面的回風(fēng)巷中粉塵的濃度由原來的6.5mg/m3下降到3mg/m3。沒有出現(xiàn)沼氣聚集的現(xiàn)象。威爾茅斯（Wearmouth）煤礦應(yīng)用可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)，解決了遠(yuǎn)距離采區(qū)的通風(fēng)問題，在保證采區(qū)需風(fēng)量100 m3/s不變的情況下，使用30m3/s的循環(huán)風(fēng)，可以節(jié)省電965 kW，每年節(jié)省電費30萬英鎊。英國的研究表明，當(dāng)煤巖層原始溫度在30 ℃以內(nèi)時，采用可控循環(huán)通風(fēng)就能改善采區(qū)內(nèi)的氣候條件;而當(dāng)煤巖層原始溫度超過40 ℃時在循環(huán)橫巷中布置一個功率適當(dāng)?shù)膬?nèi)噴水冷卻器，并采取循環(huán)通風(fēng)，就可大大改善采區(qū)氣候條件，同時在降塵、降溫方面也有很好的效果。（2）南非金礦深井通風(fēng)與降溫中循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用。南非1982年在勞瑞因金礦進(jìn)行了可控循環(huán)通風(fēng)方法的大規(guī)?，F(xiàn)場試驗。試驗主要利用可控循環(huán)技術(shù)對金礦作業(yè)面進(jìn)行通風(fēng)和降溫，并對可控循環(huán)通風(fēng)的系統(tǒng)安全性以及可控循環(huán)通風(fēng)理論模型的正確性加以驗證，取得了成功。

四、可控風(fēng)量率的確定及技術(shù)措施

國內(nèi)可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)已經(jīng)開始在許多地方開始實驗并進(jìn)入應(yīng)用階段。礦井循環(huán)風(fēng)不可怕，可怕的失控。前面介紹了控制手段和方法。

1、控循環(huán)率的確定：

確定原則就是保證將井下有毒有害氣體稀釋到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定濃度以下，保證溫度不超過26℃不低于過2℃。然而，單獨通過井上下的風(fēng)流交換實現(xiàn)大范圍的溫度調(diào)節(jié)是很難達(dá)到通風(fēng)目的的，所以，一般的礦井重點就控制住瓦斯?jié)舛?，其他的井下有毒有害氣體的濃度也就控制在《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定濃度以下，當(dāng)然也有例外，那么就轉(zhuǎn)向控制例外的那種氣體了。

按照《煤礦安全規(guī)程》的采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^1.0%必須停止作業(yè)的規(guī)定計算采掘工作面所需風(fēng)量：

Q采掘=100q采掘KCH4，（m3/min）。

式中：Q采掘——采掘工作面所需風(fēng)量，m3/min;

q采掘——采掘工作面回風(fēng)巷中瓦斯的平均絕對涌出量，m3/min;

KCH4——采掘工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)，一般取1.2～2。

這個公式是建立在整個的q采掘都是來源于采掘工作面和回風(fēng)巷道中。按照《煤礦安全規(guī)程》的采掘工作面的進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不低于20%，瓦斯?jié)舛炔怀^0.5%的規(guī)定計算采掘工作面所需風(fēng)量應(yīng)該為：

Q采掘≥100（q采掘KCH4+0.5% ?Q采掘）

那么，Q采掘≥200q采掘KCH4

所以，按照控制控制住瓦斯?jié)舛鹊囊?，循環(huán)率必須不大于50%。

2、主要技術(shù)措施：

（1）主要通風(fēng)機(jī)選型，必須按照非采取可控循環(huán)風(fēng)的情況同時考慮采取可控循環(huán)風(fēng)的情況的通風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域和工況點。

（2）安設(shè)循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到非循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)施和停止循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)的設(shè)施。

（3）安設(shè)反風(fēng)時的必須通風(fēng)設(shè)施。

（4）定期檢查、鑒定瓦斯等的涌出情況和粉塵變化情況。

3、主要安全措施：

（1）建立專門責(zé)任制，明確分工.責(zé)任落實到人，專人管理循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。建立CH4、CO、風(fēng)量、壓力、粉塵、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)記錄臺帳。

（2）每班二次記錄各參數(shù)值。出現(xiàn)停機(jī)事故應(yīng)立即查明原因，進(jìn)行處理，并記錄出現(xiàn)事故的時間、問題及處理方法。循環(huán)風(fēng)機(jī)開始運轉(zhuǎn)30天內(nèi)必須每隔兩小時記錄觀察運行情況，記錄各參數(shù)變化。并對各用風(fēng)地點進(jìn)行風(fēng)量、瓦斯測定，觀察循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)景分配、瓦斯煤塵情況。

（3）定期調(diào)校和更換傳感器，保證傳感器靈敏可靠。傳感器更換周期一般為8—12個月，或根據(jù)廠家要求定期更換。

（4）發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力變小，說明循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)破壞，要及時檢查整個系統(tǒng)，采取措施處理。指定專人定期維護(hù)檢查安全監(jiān)控系統(tǒng)。在調(diào)度室內(nèi)設(shè)置循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)圖，標(biāo)明監(jiān)控設(shè)備的位置、數(shù)量及地點。在調(diào)度室安設(shè)循環(huán)風(fēng)機(jī)通訊監(jiān)視，隨時掌握監(jiān)視循環(huán)風(fēng)機(jī)的運、停狀態(tài)。

（5）當(dāng)可控循環(huán)風(fēng)機(jī)自動停機(jī)時，井下值班人員應(yīng)立即向調(diào)度室匯報。調(diào)度人員從通訊監(jiān)視發(fā)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)機(jī)停止運轉(zhuǎn)時要立即組織有關(guān)人員進(jìn)行處理，首先檢查是否恢復(fù)了原通風(fēng)系統(tǒng)的狀態(tài)，并檢查循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。在排除故障確保安全無誤后，要由礦主管領(lǐng)導(dǎo)下達(dá)指令才能復(fù)電開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)。

（6）若循環(huán)風(fēng)機(jī)其中一臺出現(xiàn)故障停止運轉(zhuǎn)，應(yīng)立即啟動備用風(fēng)機(jī)，然后再排除故障。出現(xiàn)電器設(shè)備及其他事故，應(yīng)立即向調(diào)度室匯報，恢復(fù)正常通風(fēng)系統(tǒng)，及時派人處理。在循環(huán)區(qū)域內(nèi)由于生產(chǎn)需要增減循環(huán)風(fēng)量時，應(yīng)做好預(yù)測工作，采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施后，方可實施。

（7）可控循環(huán)風(fēng)供電必須實行“三專二閉鎖”。即循環(huán)風(fēng)機(jī)的供電必須有專用變壓器，專用開關(guān)、專用電纜，沼氣和一氧化碳閉鎖。為防止采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)或皮帶機(jī)發(fā)生各種火災(zāi)。在采區(qū)皮帶巷安設(shè)煙霧報警裝置。

（8）發(fā)生重大災(zāi)害時如：火災(zāi)、水災(zāi)、瓦斯等事故時，應(yīng)恢復(fù)正常通風(fēng)系統(tǒng)，按災(zāi)害預(yù)防與處理計劃的安全技術(shù)措施處理。

由于可控循環(huán)風(fēng)是在推廣應(yīng)用階段。因此，安全技術(shù)措施要在試驗過程中不斷健全完善、修改、補(bǔ)充。

（9）有條件的，利用現(xiàn)代智能技術(shù)，設(shè)計一套“無可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)”的通風(fēng)系統(tǒng)與“有可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)”的通風(fēng)系統(tǒng)，使兩套“系統(tǒng)”在地面就可以實現(xiàn)人工或者有條件地自動轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，主要通風(fēng)機(jī)必須是“變頻”調(diào)速型的，以及與可控循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)設(shè)施（如電動調(diào)節(jié)風(fēng)窗）的電控設(shè)備都得是“智能”型的，能與地面的“智能”系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

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