超長距離掘進巷道通風安全保障技術研究

喬建德

(山西汾西中興煤業(yè)有限責任公司, 山西 交城 030500)

近些年來，隨著大型采掘設備應用推廣，采掘工作面設計走向長度不斷增加且巷道掘進斷面積也隨之增大。山西某礦3200支架專用運輸巷沿著開采2號煤層底板掘進，巷道設計掘進長度為4 890 m，掘進寬度及高度分別為6.0 m、5.8 m，如何實現(xiàn)3506運輸巷高效通風是巷道掘進期間需要重點解決問題。現(xiàn)階段長距離巷道常用的通風技術方法包括[1-6]：

1) 風機+長距離柔性風筒方式，采用的風機功率超過2×30 kW，配套使用的風筒直徑超過1 000 mm；

2) 采用局部通風機串聯(lián)通風，解決通風機選擇困難問題；

3) 局部通風機并聯(lián)通風，可避免風筒在風壓作用下出現(xiàn)破裂問題，同時降低風筒漏風率；

4) 通過構(gòu)筑風庫向掘進迎頭供風，風庫采用局部通風機供風，在風庫內(nèi)布置局部通風機向掘進迎頭供風；

5) 從地面向井下施工鉆孔作為通風通道，為掘進迎頭供風；

6) 兩平行巷道掘進時，在兩巷道間布置聯(lián)絡巷并形成全負壓通風，在進風巷內(nèi)布置局部通風機為掘進迎頭供風。

該礦在分析上述通風方式優(yōu)缺點基礎上，結(jié)合3200支架專用運輸巷通風需要，提出采用大功率局部通風機+大直徑柔性風筒對掘進供風，解決了長距離掘進巷道通風困難問題。

1 工程概況

山西某礦產(chǎn)能達到600萬t/a，采用斜井+平硐開拓方式?，F(xiàn)生產(chǎn)集中在2號、3號煤層，2號、3號煤層原始瓦斯含量分別為2.3 m3/t、2.8 m3/t，煤層自燃發(fā)火傾向性均為Ⅱ類。

3盤區(qū)內(nèi)布置9個綜采工作面開采，采面均回采2號煤層，回采范圍內(nèi)煤層厚度均5.8 m，采用大采高綜采工藝。由于盤區(qū)內(nèi)綜采面液壓支架尺寸較大，為提高運輸效率，液壓支架均采用3200支架專用運輸巷運行運輸，具體3200支架專用運輸巷布置見圖1。巷道采用MB670掘錨機掘進，斷面為矩形。

圖1 3200支架專用運輸巷布置示意

2 長距離掘進巷道通風分析

2.1 通風系統(tǒng)布置

3200支架專用運輸巷采用壓入式通風，將局部通風機布置在3200支架專用運輸巷靠近在運輸大巷開口位置，具體巷道通風系統(tǒng)見圖2。巷道掘進迎頭污風流動路線為：3200支架專用運輸巷—3201輔助回風巷—3盤區(qū)回風巷—南翼回風大巷—回風井。

圖2 巷道通風路線圖

2.2 掘進巷道需風量確定

3200支架專用運輸巷掘進期間當班作業(yè)人員人數(shù)最多為45人，掘進期間巷道瓦斯涌出量為0.17 m3/min，同時運輸采用2臺防爆柴油機車，單臺機車功率為45 kW。按照相關要求對3200支架專用運輸巷掘進時需風量進行計算，具體計算結(jié)果見表1。根據(jù)相關規(guī)范要求，煤巷掘進時工作面內(nèi)最低風速應不小于0.25 m/s，3200支架專用運輸巷寬、巷高分別為6.0 m、5.8 m，則最低通風風量Qmin=522 m3/min。綜合上述計算結(jié)果并結(jié)合表1數(shù)據(jù)得出，3200支架專用運輸巷掘進時供風量Q出應控制在540 m3/min以上。

表1 掘進巷道風量計算結(jié)果 m3/min

2.3 柔性風筒風阻計算及局部通風機選型

3200支架專用運輸巷用柔性風筒供風，在通風時風阻由局部風阻和摩擦風阻兩部分構(gòu)成，其中局部風阻包括風筒拐彎以及接頭處局部風阻。3200支架專用運輸巷為直巷，局部通風時拐彎引起的局部風阻可忽略不計，因此巷道通風時風筒風阻由摩擦風阻(R1)和風筒接口處局部風阻(R2)構(gòu)成，具體可通過公式(1)、(2)、(3)計算[7-9]：

R=R1+R2

(1)

(2)

(3)

其中：R1、R2分別為風筒摩擦風阻及局部風阻，N·s2/m8；α為柔性風筒摩擦系數(shù)，N·s2/m8；L為柔性風筒長度，m;U為風筒外徑周長，m；S為柔性風筒斷面積，m2;n為風筒接口數(shù)；ε為柔性風筒接口處局部通風阻力系數(shù)；ρ為通風空氣密度，kg/m3。

根據(jù)現(xiàn)場條件，取L=5 430 m、S=1.13 m2、U=3.77 m、n=534、ε=0.035、α=28×10-4N·s2/m8、ρ=1.2 kg/m3，將上述參數(shù)帶入公式(1)～(3)即可求得R=47.84 N·s2/m8。巷道通風使用的柔性風筒接頭類型為雙方便對接，風筒百米漏風率η100=0.6%，風筒鋪設總長度L=5 430 m，則通風期間風筒漏風率η計算公式為：

η=η100L/100

(4)

計算得η=32.58%.局部通風機進風口處風量Q進=Q出/(1-η)=795 m3/min。根據(jù)巷道供風需要，選擇局部通風機為FBDYN07.5(2×55 kW)，該風機供風量為680～980 m3/min，供風風壓為1 400～6 500 Pa。具體該局部通風機工況點及運行參數(shù)見圖3。

圖3 局部通風機工況點及運行參數(shù)

3 現(xiàn)場應用分析

3.1 安全保障措施

1) 通過變頻調(diào)速調(diào)整輸入到電機電流頻率，使得局部通風機處于最佳工況點。通過變頻系統(tǒng)可實時監(jiān)控局部通風機工作參數(shù)，以便根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，若在掘進前期通風距離小，可適當降低電機轉(zhuǎn)速，在滿足通風基礎上降低電機能耗；在掘進后期通風路線長、柔性風筒漏風量大，局部通風機需要提供更大風量，因此可通過變頻系統(tǒng)適當增加鉆機轉(zhuǎn)速，增大供風量。

2) 通風采用雙邊柔性風筒，筒徑1 200 mm。在風筒內(nèi)部粘貼一層風筒布覆蓋針眼，以便減少通風期間漏風量。每天安排專人對柔性風筒進行檢查，當發(fā)現(xiàn)問題時及時上報并處理，確保風筒始終處于完好狀態(tài)。

3) 安排專人對局部通風機進行維護并實現(xiàn)“三專兩閉鎖”，提升局部通風機運行保障能力；在靠近迎頭的第二節(jié)風筒側(cè)布置風速傳感器，當發(fā)現(xiàn)掘進迎頭風量不足或者出現(xiàn)停風時會立即發(fā)出報警信號。

4) 在巷道內(nèi)配備有應急壓風自救器、無軌膠輪車，當巷道內(nèi)出現(xiàn)微風或者無風等情況時，巷道內(nèi)作業(yè)人員通過乘車可在10 min內(nèi)全部撤離，提高應急安全保障能力。

5) 在掘進巷道內(nèi)，布置各類噴霧降塵系統(tǒng)，有效降低巷道內(nèi)粉塵濃度，改善巷道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

3.2 通風效果

在巷道掘進初期，變頻送輸出電流頻率為26.4 Hz，此時局部通風機吸風量為620 m3/min、風筒出風口風量為612 m3/min，掘進迎頭風速0.29 m/s，可滿足巷道掘進需要。巷道掘進到位后，局部通風機吸風量、風筒出風量分別為836 m3/min、540 m3/min，使用的大直徑柔性風筒百米漏風率為0.66%，迎頭供風量可滿足需要。具體巷道通風參數(shù)監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 巷道通風參數(shù)監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 語

1) 3200支架專用運輸巷掘進長度為5 430 m，在巷道掘進過程中采用大功率局部通風機(型號FBDYNo7.5、電機功率2×55 kW)、配合柔性風筒(筒徑1 200 mm)為巷道迎頭供風。在生產(chǎn)過程中，此種供風方式可滿足巷道掘進需要，目前該巷道已順利完成掘進。巷道掘進時，通過采用變頻控制系統(tǒng)，可依據(jù)掘進進尺以及現(xiàn)場通風需要，調(diào)節(jié)局部通風機轉(zhuǎn)速，不僅可滿足掘進通風需求而且可降低能耗。

2) 在巷道長距離供風時，確保柔性風筒可靠運行是實現(xiàn)高效通風的基礎保障。在通風過程中風筒高壓位置墊襯墊，避免出現(xiàn)漏風；風筒按照要求懸掛，降低通風風阻；安排專人對風筒進行巡檢，確保風筒始終處于完好工作狀態(tài)。