煤礦掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)參數(shù)分析與實(shí)踐應(yīng)用

音 勇

(延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安，7173004)

0 引言

煤礦巷道掘進(jìn)通風(fēng)一方面是沖淡和排除掘進(jìn)工作面掘進(jìn)施工時(shí)產(chǎn)生的有毒有害氣體和煤塵，另一方面是為施工人員提供良好的空氣環(huán)境[1-3]。近來年，隨著煤礦大型化、集中化和連續(xù)化發(fā)展，對(duì)工作面設(shè)計(jì)和巷道布置提出了更高要求，如加大工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)長(zhǎng)度和加快工作面推進(jìn)速度等，為滿足此要求，就需保證獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)，然而對(duì)于長(zhǎng)距離工作面通風(fēng)而言，獨(dú)頭易形成渦流，造成粉塵瓦斯聚集，且隨著掘進(jìn)距離邊長(zhǎng)，風(fēng)筒沿程阻力增加，風(fēng)能損失增大，掘進(jìn)通風(fēng)有效射程末端風(fēng)流往往不能有效稀釋粉塵和瓦斯，故不能滿足實(shí)際需要[4-6]。

針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和礦業(yè)技術(shù)人員采取了多種解決長(zhǎng)距離的通風(fēng)方法[7-9]，如并聯(lián)風(fēng)筒、串聯(lián)風(fēng)機(jī)、風(fēng)柜通風(fēng)和風(fēng)筒安裝位置等，取得了較好的效果，但并聯(lián)風(fēng)筒，巷道斷面變小，有效風(fēng)量降低，串聯(lián)風(fēng)機(jī)則耗電量大，而對(duì)于風(fēng)筒距掘進(jìn)頭位置，很多學(xué)者對(duì)巷道內(nèi)不同風(fēng)流狀態(tài)對(duì)風(fēng)流場(chǎng)、瓦斯場(chǎng)及粉塵場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究。姚玉靜、賈凱等[10]獲得掘進(jìn)工作面前端及回風(fēng)側(cè)沿程粉塵質(zhì)量濃度分布較高。杜俊生[11]得出距掘進(jìn)工作面 7 m 時(shí)風(fēng)筒安裝在巷道下部位置時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低。龔曉燕等[12]對(duì)檸條塔礦 S1212 膠運(yùn)巷道自上而下截割方式下的出風(fēng)口距掘進(jìn)工作面不同距離的最佳風(fēng)場(chǎng)調(diào)控規(guī)則等。

因此，本文根據(jù)本礦實(shí)際情況，分析了掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)，選擇了相應(yīng)的風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)，通過采用大直徑風(fēng)筒、風(fēng)筒快速接頭軟帶、異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器、雙風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換等技術(shù)，結(jié)合精細(xì)的日常管理和完善的管理制度，減少了風(fēng)筒漏風(fēng)，降低了風(fēng)筒通風(fēng)阻力，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的長(zhǎng)距離通風(fēng)，保證了掘進(jìn)工作面的有效風(fēng)量，杜絕了因風(fēng)量不足造成瓦斯超限現(xiàn)象，為類似條件下的煤礦掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)提供借鑒。

1 工程概況

延安市禾草溝煤業(yè)有限公司50112工作面位于501盤區(qū)，為傾斜長(zhǎng)壁式工作面，工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度256 m，工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度5143 m，地層傾角約0°～3°，煤層平均厚度2.42 m左右，埋深217～378 m，儲(chǔ)量296萬噸。根據(jù)采掘接續(xù)安排，50112帶式輸送機(jī)巷及切眼施工完畢后，進(jìn)行50112回風(fēng)反掘施工，單巷掘進(jìn)最長(zhǎng)通風(fēng)距離為6145 m，50112回風(fēng)巷反掘段巷道斷面為15 m2。

2 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)參數(shù)分析

長(zhǎng)距離工作面通風(fēng)存在問題：一方面會(huì)導(dǎo)致工作面風(fēng)量不足，不能滿足生產(chǎn)要求。主要原因是風(fēng)筒直徑小或風(fēng)筒懸掛質(zhì)量差，通風(fēng)阻力過大；局部通風(fēng)機(jī)選型不合理，風(fēng)量、風(fēng)壓不能滿足要求；風(fēng)筒破洞多，插口不嚴(yán)或插口斷開，有效風(fēng)量小，有效風(fēng)量率低；另一方面局部通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)，供給局部通風(fēng)機(jī)處的風(fēng)量不能滿足局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量。最終掘進(jìn)工作面的瓦斯(有毒有害氣體)可能發(fā)生積聚、超限，或工作面粉塵超標(biāo)的現(xiàn)象。因此，50112掘進(jìn)工作面全長(zhǎng)6145 m，采用壓入式通風(fēng)，為確保工作面風(fēng)量滿足需要，對(duì)風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒參數(shù)進(jìn)行了合理選型，確保安全、經(jīng)濟(jì)、高效。

2.1 獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量計(jì)算

獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量應(yīng)按工作面同時(shí)作業(yè)最多人數(shù)，瓦斯涌出量、柴油機(jī)車尾氣稀釋以及風(fēng)速等規(guī)定分別計(jì)算，并選取其中的最大值。

(1) 按工作面同時(shí)工作最多人數(shù)計(jì)算：

QI=4N

(1)

式中，QI為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，m3/min；N為獨(dú)頭通風(fēng)工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)，N=16人。

根據(jù)公式(1)得：QI=64 m3/min。

(2) 按獨(dú)頭通風(fēng)工作面瓦斯涌出量計(jì)算：

QI=100Q瓦K掘

(2)

式中，QI為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，m3/min；100為獨(dú)頭通風(fēng)工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^1%所換算的常數(shù)。Q瓦為瓦斯絕對(duì)涌出量，根據(jù)分源預(yù)測(cè)法計(jì)算所得，最大絕對(duì)瓦斯涌出量1.26 m3/min；K掘?yàn)橥咚褂砍隽坎痪獾娘L(fēng)量系數(shù)，取K掘=1.5。

根據(jù)公式(2)得：QI=189 m3/min。

(3) 按照二氧化碳涌出量計(jì)算

Qhf=67×qhc×khc

(3)

式中，qhc為獨(dú)頭通風(fēng)工作面回風(fēng)流中平均絕對(duì)二氧化碳的涌出量，0.42 m3/min；khc為獨(dú)頭通風(fēng)工作面二氧化碳涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，二氧化碳涌出量不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)取1.5；按獨(dú)頭通風(fēng)工作面回風(fēng)流中二氧化碳濃度不要超過1.5%的換算系數(shù)為67。

根據(jù)公式(3)得：Qhf=42 m3/min。

(4) 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百三十六條規(guī)定，掘進(jìn)中的煤巷允許風(fēng)速最低不小于0.25 m/s，最高不大于4 m/s，進(jìn)行風(fēng)速驗(yàn)算：

0.25×60×S

(4)

式中，Q掘?yàn)榫蜻M(jìn)工作面需風(fēng)量，m3/min；S為掘進(jìn)工作面斷面積，S=15 m2；

根據(jù)公式(4)得：225

(5) 礦用防爆柴油機(jī)車尾氣稀釋需風(fēng)量計(jì)算：

Q柴油車=4N·P·K

(5)

式中，Q柴油車為該掘進(jìn)巷道礦用防爆柴油機(jī)車尾氣稀釋需風(fēng)量，m3/min；N為該掘進(jìn)工作面同時(shí)運(yùn)行的最多臺(tái)數(shù)的礦用防爆柴油機(jī)車，N=1臺(tái)；P為該掘進(jìn)工作面礦用防爆柴油機(jī)車運(yùn)行功率，P=26 kW；K為配風(fēng)系數(shù)，該掘進(jìn)工作面1臺(tái)礦用防爆柴油機(jī)車運(yùn)行時(shí)，K為1.0； 2臺(tái)礦用防爆柴油機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，K為0.75； 3臺(tái)及以上礦用防爆柴油機(jī)車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，K為0.50；

根據(jù)公式(5)得：Q柴油車=104 m3/min。

礦用防爆柴油機(jī)車稀釋尾氣每千瓦每分鐘所需的最低風(fēng)量為4 m3/min·kW。

通過以上計(jì)算，工作面需風(fēng)量為189 m3/min，使用防爆型柴油機(jī)車增配104 m3/min，確定50112切眼及回風(fēng)反掘掘進(jìn)期間工作面的需風(fēng)量取293 m3/min。

2.2 風(fēng)筒選型分析

風(fēng)筒有效風(fēng)量率50112工作面切眼和回風(fēng)巷反掘段掘進(jìn)工作面選用Φ1200 mm的抗靜電、阻燃膠質(zhì)風(fēng)筒向掘進(jìn)工作面迎頭供風(fēng)。風(fēng)筒有效風(fēng)量率計(jì)算如下：

(6)

表1 柔性風(fēng)筒百米漏風(fēng)率表

根據(jù)公式(6)得：P效=41%。

2.3 局部通風(fēng)機(jī)選型分析

根據(jù)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果計(jì)算所需選取的局部通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量和風(fēng)壓：

(1) 局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量計(jì)算：

根據(jù)風(fēng)筒的有效風(fēng)量率，按下式計(jì)算局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量：

Q局=Q掘/P效

(7)

式中，Q局為獨(dú)頭通風(fēng)工作面局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量， m3/min；Q掘?yàn)楠?dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量，Q掘=293 m3/min；P效為風(fēng)筒有效風(fēng)量率，P效=41%。

根據(jù)公式(7)得：Q局=714.63 m3/min。

(2) 局通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)巷道全負(fù)壓供風(fēng)量計(jì)算：

Q掘全=∑Q扇實(shí)+60×V安×S安

(8)

式中，Q掘全為局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)巷道全負(fù)壓的供風(fēng)量，m3/min；∑Q扇實(shí)為局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際的吸風(fēng)量，m3/min；V安為局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的巷道最低風(fēng)速，V安=0.25 m/s；S安為局部通風(fēng)機(jī)安裝地點(diǎn)的巷道斷面，m2。

根據(jù)公式(8)得：Q掘全=1078 m3/min

(3) 風(fēng)筒通風(fēng)阻力計(jì)算：

風(fēng)筒通風(fēng)阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力，局部阻力又分為風(fēng)筒接頭局部阻力、拐彎局部阻力和出口局部阻力。

① 摩檫阻力計(jì)算：

R摩=6.5×α×L/D5

(9)

式中，R摩為風(fēng)筒摩擦阻力，N·s2/m8；α為風(fēng)筒的摩擦阻力系數(shù)，根據(jù)表2取α= 0.0026 kg·s2/m4；L為最大局部通風(fēng)長(zhǎng)度，L=6145 m；D為風(fēng)筒直徑，D=1.2 m。

根據(jù)公式(9)得：R摩=41.74 N·s2/m8。

② 局部阻力計(jì)算：

接頭局部阻力為：

R接=n×ξ×γ/(2×g×S2)

(10)

式中，R接為風(fēng)筒接頭局部阻力，N·s2/m8；ξ為風(fēng)筒接頭局部阻力系數(shù)，根據(jù)表2取ξ=0.09 kg·s2/m4；n為風(fēng)筒接頭個(gè)數(shù)，n=615；γ為空氣相對(duì)密度，γ=1.2 kg/m3；S為風(fēng)筒斷面積，S=1.13 m2；g為重力加速度常數(shù)，g =9.8 m/s2。

表2 膠質(zhì)風(fēng)筒α、ζ選用范圍參考表

根據(jù)公式(10)得：R接=3 N·s2/m8。

拐彎局部阻力為：

R彎=n×ξ×γ/(2×g×S2)

(11)

式中，R彎為風(fēng)筒拐彎局部阻力，N·s2/m8；ξ為筒拐彎局部阻力系數(shù)，根據(jù)表3取ξ=1.25 kg·s2/m4；n為彎頭個(gè)數(shù)，n=2；γ為空氣相對(duì)密度，γ=1.2 kg/m3；S為風(fēng)筒斷面積，S= 1.13 m2；g為重力加速度常數(shù)，g=9.8 m/s2。

表3 膠質(zhì)風(fēng)筒拐彎局部阻力系數(shù)參考表

根據(jù)公式(11)得：R彎=0.135 N·s2/m8。

出口局部阻力為：

R出=0.818×γ/g×D4

(12)

式中，R出為風(fēng)筒出口局部阻力，N·s2/m8；γ為空氣相對(duì)密度，γ=1.2 kg/m3；g為重力加速度常數(shù)，g=9.8 m/s2；D為風(fēng)筒直徑，D=1.2 m。

根據(jù)公式(12)得：R出=0.0483 N·s2/m8

風(fēng)筒總阻力為：

R總風(fēng)筒=R摩+R接+R彎+R出

(13)

式中，R總風(fēng)筒為風(fēng)筒總阻力，N·s2/m8；R摩為風(fēng)筒的摩擦阻力，N·s2/m8；R接為風(fēng)筒接頭的局部阻力，N·s2/m8；R彎為風(fēng)筒彎頭的局部阻力，N·s2/m8；R出為風(fēng)筒出口的局部阻力，N·s2/m8；

根據(jù)公式(13)得：R總風(fēng)筒=44.92 N·s2/m8

(5) 局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓計(jì)算：

H局扇全壓=R總×(Q局/60)2

(14)

式中，H局扇全壓為局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓，Pa；R總為局部通風(fēng)機(jī)總阻力，N·s2/m8；Q局為局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3/min。

根據(jù)公式(14)得：H局扇全壓=6379 Pa

根據(jù)以上對(duì)局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量和工作風(fēng)壓的計(jì)算結(jié)果，局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量為715 m3/min，工作風(fēng)壓為6379 Pa。結(jié)合本礦掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)管理實(shí)際情況，參照局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表4，F(xiàn)BDY№7.5型低噪音對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)，其功率為2×55 kw，工作風(fēng)量為980～680 m3/min、全壓為1400～6500 Pa，可滿足需要。

表4 局部通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表

3 掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 減少風(fēng)筒漏風(fēng)

風(fēng)筒漏風(fēng)嚴(yán)重影響著長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)，為了預(yù)防風(fēng)筒連接處漏風(fēng)，采用了風(fēng)筒快速接頭軟帶，如圖1所示，軟帶材質(zhì)為PVG，連接牢固，操作方便，材料強(qiáng)度可靠，有效避免了風(fēng)筒漏風(fēng)及斷開，保證了風(fēng)筒連接質(zhì)量。同時(shí)，巷道頂板使用錨索支護(hù)，對(duì)錨索露頭與風(fēng)筒相接的地方使用礦泉水瓶對(duì)錨索進(jìn)行處理，避免因風(fēng)機(jī)切換導(dǎo)致風(fēng)筒被錨索扎破，對(duì)于有破口處及時(shí)修補(bǔ)，并將風(fēng)筒吊鼻和縫合處。

圖1 風(fēng)筒快速接頭軟帶

3.2 降低風(fēng)筒通風(fēng)阻力

根據(jù)風(fēng)筒直徑計(jì)算結(jié)果，將Φ1000 mm風(fēng)筒更換Φ1200 mm的抗靜電、阻燃膠質(zhì)風(fēng)筒，通過降低風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流速度，并采用異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器、從而有效降低了風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻；為了提高風(fēng)筒安裝質(zhì)量，50112掘進(jìn)工作面風(fēng)筒采用Φ9.3 mm的鋼絲繩逢環(huán)吊掛，用滑蘭螺絲將兩端固定在巷道頂板上，保證風(fēng)筒吊掛靠幫、靠頂、平直(兩靠一直)，拉緊拉穩(wěn)，最大程度地降低通風(fēng)阻力。

3.3 通風(fēng)安全管理

每天有專人對(duì)風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)進(jìn)行巡回檢查，確保風(fēng)筒吊掛平直，無漏風(fēng)，保證局部通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定和不間斷性工作，同時(shí)強(qiáng)化瓦斯和煤塵管理，不允許瓦斯超限工作。

3.4 效益分析

通過采用大直徑風(fēng)筒、風(fēng)筒快速接頭軟帶、異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器、雙風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換等技術(shù)，結(jié)合精細(xì)的日常管理和完善的管理制度，減少了風(fēng)筒漏風(fēng)，降低了風(fēng)筒通風(fēng)阻力，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的長(zhǎng)距離通風(fēng)，保證了掘進(jìn)工作面的有效風(fēng)量，工作面瓦斯?jié)舛鹊陀?.1%，杜絕了因風(fēng)量不足造成瓦斯超限現(xiàn)象，為類似條件下的煤礦掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)提供借鑒。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)本礦掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)實(shí)際條件，理論計(jì)算了掘進(jìn)工作面需風(fēng)量，分析了掘進(jìn)工作面通風(fēng)參數(shù)，確定了相應(yīng)的風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)類型。

(2) 通過采用大直徑風(fēng)筒、風(fēng)筒快速接頭軟帶、異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器、雙風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換等技術(shù)，結(jié)合精細(xì)的日常管理和完善的管理制度，減少了風(fēng)筒漏風(fēng)，降低了風(fēng)筒通風(fēng)阻力，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的長(zhǎng)距離通風(fēng)，保證了掘進(jìn)工作面的有效風(fēng)量，杜絕了因風(fēng)量不足造成瓦斯超限現(xiàn)象。