王莊煤礦長(zhǎng)距離單巷掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)技術(shù)研究

韓院生

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

掘進(jìn)通風(fēng)普遍采用壓入式局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)沖淡并排除井巷掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的有害氣體與礦塵，并為井下作業(yè)人員提供良好的氣候條件。受局部通風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行參數(shù)及風(fēng)筒接設(shè)質(zhì)量的影響，掘進(jìn)巷道超過(guò)2 000 m，窩頭風(fēng)量和風(fēng)壓均明顯的下降，即使是礦井低瓦斯區(qū)域也無(wú)法滿足正常生產(chǎn)需求。王莊煤礦工作面采用小煤柱順序布置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙巷掘進(jìn)，通過(guò)溝通聯(lián)巷的方式縮短掘進(jìn)工作面的供風(fēng)距離，本文以王莊煤礦9101風(fēng)巷綜掘工作面為背景，單從局部通風(fēng)技術(shù)方面對(duì)長(zhǎng)距離單巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行研究，結(jié)合目前礦井實(shí)際運(yùn)行情況，選取最優(yōu)局部通風(fēng)方案。

1 王莊煤礦9101風(fēng)巷工作面基本概況

王莊煤礦位于山西省長(zhǎng)治市郊區(qū)故縣，地處潞安礦區(qū)的東南部，跨長(zhǎng)治市郊區(qū)和屯留縣兩個(gè)行政區(qū)。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°58′25″～113°03′21″；北緯36°14′04″～36°24′35″。王莊煤礦目前開(kāi)采3號(hào)煤層，該煤層為本區(qū)主要可采煤層之一，最小厚度為5.19 m，最大厚度為7.87 m，平均厚度6.69 m。王莊煤礦屬高瓦斯礦井，瓦斯相對(duì)涌出量為4.91 m3/t，絕對(duì)涌出量為74.21 m3/min。91采區(qū)屬于條帶式開(kāi)采，工作面巷道長(zhǎng)度平均在2 000～3 000 m，工作面之間5 m煤柱，工作面巷道只能單巷掘進(jìn)。9101風(fēng)巷預(yù)測(cè)最大掘進(jìn)涌出量6.41 m3/min，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 860 m，目前掘進(jìn)600 m，使用兩套2×45風(fēng)機(jī)雙機(jī)供風(fēng)，可滿足工作面通風(fēng)、瓦斯需求。

2 長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面需風(fēng)量計(jì)算

2.1 計(jì)算依據(jù)

在瓦斯涌出量高的長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道通風(fēng)中，應(yīng)考慮供風(fēng)量使巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀?，?chuàng)造較好的氣候條件，將空氣中懸浮的礦塵排走等因素[1，3-5]。綜掘機(jī)掘進(jìn)煤巷按礦塵和瓦斯因素計(jì)算。

2.2 需風(fēng)量計(jì)算

1) 風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量計(jì)算：按工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)計(jì)算：

Q1=4N=4×30=120 m3/min

(1)

式中：N為工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)，取30人。

2) 按瓦斯涌出量計(jì)算：

Q掘=q掘K瓦/C掘回=6.41×1.5/0.8%

=1 202 m3/min

(2)

式中：Q掘?yàn)榫蜻M(jìn)工作面實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min；q掘?yàn)榫蜻M(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量，取6.41 m3/min；K瓦為掘進(jìn)工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5；C為掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中瓦斯允許濃度，取0.8%。

3) 風(fēng)速驗(yàn)算：

(3)

Vmin

Q掘min=VminS=15×19.25=346.5 m3/min

Q掘max=VmaxS=240×19.25=4 620 m3/min

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為1 202 m3/min。

4) 風(fēng)筒漏風(fēng)量計(jì)算：

風(fēng)筒的漏風(fēng)率一般用百米漏風(fēng)率作為比較指標(biāo)。根據(jù)要求，在2 000 m以上時(shí)，百米漏風(fēng)率Le不得大于1.5%。

按照1.5%計(jì)算：

Q漏=(Q末×L×Le)/(100-L×Le)

(4)

式中：Q漏為風(fēng)筒的漏風(fēng)風(fēng)量，m3/min；Q末為風(fēng)筒的出口風(fēng)量，m3/min；取1 202 m3/min；L為風(fēng)筒的長(zhǎng)度，取2 000 m、3 000 m；Le為百米漏風(fēng)率，取1.5%。

則：Q漏1=515 m3/min(L取2 000 m)

Q漏2=983 m3/min(L取3 000 m)

Q局1=Q末+Q漏= 1 202+515

=1 717 m3/min

Q局2=Q末+Q漏= 1 202+983

=2 185 m3/min

3 風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒的選型

3.1 風(fēng)機(jī)的選型

王莊煤礦9101風(fēng)巷掘進(jìn)工作面采用兩臺(tái)2×45 kW風(fēng)機(jī)供風(fēng)，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)的要求，現(xiàn)在礦上未來(lái)想采用兩臺(tái)2×75 kW風(fēng)機(jī)供風(fēng)，兩種風(fēng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

3.2 合理選擇風(fēng)筒型號(hào)

風(fēng)筒風(fēng)阻包括風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻(R1)和局部風(fēng)阻(R2)，其中局部風(fēng)阻(R2)包括接頭處風(fēng)阻(R2-1)、彎頭處風(fēng)阻(R2-2)和風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)阻(R2-3)。

壓入式風(fēng)筒的總風(fēng)阻為：

Rf=R1+R2=R1+R2-1+R2-2+R2-3

(5)

(6)

在局部通風(fēng)中，風(fēng)筒的總風(fēng)阻可根據(jù)總摩擦風(fēng)阻進(jìn)行估算。一般認(rèn)為，將風(fēng)筒的局部風(fēng)阻(壓入式)合計(jì)近似為風(fēng)筒總摩擦風(fēng)阻的20%，因此，風(fēng)筒的總風(fēng)阻為：

Rf=7.782αL/D5

(7)

式中：Rf為整列風(fēng)筒風(fēng)阻，N·S2/m8；α為摩擦阻力系數(shù)，取0.002 9 N·S2/m4；L為整列風(fēng)筒長(zhǎng)度，取3 000 m；D為通風(fēng)直徑，取1 m。

通過(guò)公式(7)計(jì)算得出：

Rf1=7.782×0.002 9×3 000/15=6.67 N·S2/m8

Rf0.8=7.782×0.003 2×3 000/(0.8)5

=228 N·S2/m8

hf=Rf·Q局·Q末

(8)

式中：hf為風(fēng)筒通風(fēng)阻力；直徑1 000 mm的風(fēng)筒吸風(fēng)量為11.2 m3/s，直徑800 mm風(fēng)筒吸風(fēng)量為7 m3/s。

Q末=Q局×(1-P100×L/100)

(9)

式中：L為直徑1 000 mm、800 mm風(fēng)筒供風(fēng)長(zhǎng)度，取3 000 m；P100為直徑1 000 mm×10 m、800 mm×10 m;風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，1.5%；則直徑1 000 mm的風(fēng)筒Q末=6.2 m3/s，直徑800 mm風(fēng)筒Q末=3.85 m3/s。

代入公式(8)，則：直徑1 000 mm風(fēng)筒hf=Rf·Q局·Q末=67.7×11.2×6.2=4 701 Pa，直徑800 mm風(fēng)筒hf=Rf·Q局·Q末=228×7×3.85=6 145 Pa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩風(fēng)筒的阻力都分別處在兩臺(tái)對(duì)應(yīng)的局部通風(fēng)機(jī)全壓范圍內(nèi)，800 mm風(fēng)筒阻力接近對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的最大壓力。

4 長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面風(fēng)機(jī)及風(fēng)筒選型驗(yàn)算

4.1 風(fēng)機(jī)的選型驗(yàn)算

根據(jù)2.2節(jié)計(jì)算可得，當(dāng)掘進(jìn)工作面長(zhǎng)度達(dá)2 000 m或3 000 m長(zhǎng)時(shí)，工作面的最小需風(fēng)量分別為1 717 m3/min和2 185 m3/min。

從表1可以看出,王莊現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)型號(hào)很難滿足2 000～3 000 m這樣的長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的供風(fēng)要求，想選用的風(fēng)機(jī)型號(hào)兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行可滿足2 000～3 000 m這樣的長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的供風(fēng)要求。

4.2 風(fēng)筒的選型驗(yàn)算

根據(jù)3.2節(jié)中的計(jì)算可得，直徑為800 mm和1 000 mm風(fēng)筒在3 000 m時(shí)的通風(fēng)阻力分別為6 145 Pa和4 701 Pa，從表1風(fēng)機(jī)參數(shù)表中可以看出，兩風(fēng)筒的阻力都分別處在兩臺(tái)對(duì)應(yīng)的局部通風(fēng)機(jī)全壓范圍內(nèi)，但800 mm風(fēng)筒阻力接近對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的最大壓力，所以選擇1 000 mm的風(fēng)筒更符合通風(fēng)安全要求。

5 局部通風(fēng)管理

1) 局扇和啟動(dòng)裝置安裝在進(jìn)風(fēng)流中，距回風(fēng)口不小于10 m，吊掛或者安放在地面(距巷道底板高度大于0.3 m)。局扇的吸風(fēng)量小于全風(fēng)壓供給該處的風(fēng)量，以免發(fā)生循環(huán)風(fēng)。

2) 風(fēng)機(jī)供電實(shí)行“三專兩閉鎖”，嚴(yán)禁隨意停開(kāi)局扇，杜絕無(wú)計(jì)劃停風(fēng)；定期進(jìn)行風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖試驗(yàn)，確保局部通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，實(shí)現(xiàn)停風(fēng)即停電、瓦斯超限即報(bào)警斷電的功能。

3) 局扇設(shè)專人看管，并懸掛局扇管理牌板和專職局扇司機(jī)，局扇司機(jī)實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)交接班；備用局扇每天試運(yùn)轉(zhuǎn)一次。

4) 根據(jù)巷道斷面、掘進(jìn)機(jī)及轉(zhuǎn)載膠帶型號(hào)，嚴(yán)格規(guī)定兩趟風(fēng)筒出風(fēng)口至工作面的距離(一般情況下靠煤幫風(fēng)筒出風(fēng)口距離窩頭不超5 m，行人巷風(fēng)筒距離窩頭不超15 m)，保證工作面窩頭風(fēng)量。

5) 巷道使用直徑1 m、長(zhǎng)10 m風(fēng)筒進(jìn)行延伸掘進(jìn)，為減少風(fēng)筒接頭數(shù)量，可定期將巷道內(nèi)10 m，風(fēng)筒更換為20 m或50 m風(fēng)筒，以減少風(fēng)筒局部阻力。

6) 風(fēng)筒在巷道拐彎處使用專用彎頭，不準(zhǔn)拐急彎、拐死彎。減少風(fēng)筒彎頭處局部阻力。

7) 風(fēng)筒出風(fēng)口必須正對(duì)窩頭，不對(duì)彎向煤墻或頂板，以減少風(fēng)筒出風(fēng)口的局部阻力。

8) 風(fēng)筒必須吊掛平直，逢環(huán)比掛，遇見(jiàn)巷道起伏時(shí)要提前順巷道坡度起伏吊掛風(fēng)筒，以減少風(fēng)筒局部阻力。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 當(dāng)掘進(jìn)工作面達(dá)2 000 m長(zhǎng)時(shí)，掘進(jìn)工作面的需風(fēng)量為1 717 m3/min；當(dāng)掘進(jìn)工作面的長(zhǎng)度增加到3 000 m時(shí)，掘進(jìn)工作面的需風(fēng)量為2 185 m3/min。

2) 根據(jù)風(fēng)量的驗(yàn)算，王莊礦現(xiàn)使用的風(fēng)機(jī)很難滿足2 000～3 000 m這樣的長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的通風(fēng)要求，必須選用其他風(fēng)機(jī)或者采取一定的瓦斯治理措施才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)的要求，保證掘進(jìn)工作面的安全高效生產(chǎn)。