高 嵩,師澤軒
(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司,山西 晉城 048000)
隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)發(fā)展,對(duì)提高井下掘進(jìn)巷道通風(fēng)效率提出更高的要求,尤其是長(zhǎng)距離工作面,對(duì)于工作面推進(jìn)長(zhǎng)度及速度都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)[1-2],然而,獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)距離通風(fēng)方式易形成渦流現(xiàn)象,造成粉塵和瓦斯的積聚,增大風(fēng)流阻力,降低通風(fēng)效率,與新型通風(fēng)工藝革新理念不符。針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究[3-4],為提升通風(fēng)效率設(shè)計(jì)出多種解決方案,如并聯(lián)風(fēng)筒、串聯(lián)風(fēng)機(jī)、變換風(fēng)筒安裝位置等,雖然取得一定效果,不過(guò)對(duì)于新型通風(fēng)工藝要求標(biāo)準(zhǔn)仍有不少差距。因此,以伯方煤礦3303掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離通風(fēng)通風(fēng)問(wèn)題為例,在工作面通風(fēng)參數(shù)分析基礎(chǔ)上,選擇合理風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)及其接頭和轉(zhuǎn)換器等技術(shù),并結(jié)合日常制度管理及完善措施,保證長(zhǎng)距離工作面通風(fēng)的有效風(fēng)量,保證供風(fēng)安全牢靠。
伯方煤礦3303工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)5 142 m,傾斜長(zhǎng)256 m,主采3號(hào)煤層,煤層平均傾角約5°,平均厚度約2.4 m,平均埋深約326 m,儲(chǔ)量298萬(wàn)t。依據(jù)初期設(shè)計(jì)工序,3303運(yùn)輸巷和切眼施工后,實(shí)施回風(fēng)反掘施工,施工段斷面為15 m2,掘進(jìn)通風(fēng)距離最長(zhǎng)可達(dá)6 150 m。2臺(tái)FDB-NO6.3/2×30型對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)(1備1用),供風(fēng)量400~630 m3/min,功率30 kW(雙級(jí)),風(fēng)筒直徑為1 000 mm的膠質(zhì)阻燃抗靜電風(fēng)筒。在3303工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中,隨掘進(jìn)長(zhǎng)度的增加,出現(xiàn)風(fēng)筒維護(hù)困難、迎頭風(fēng)量較小,甚至有回風(fēng)流風(fēng)速低于0.25 m/s的微風(fēng)情況出現(xiàn),回風(fēng)流瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期處于0.5 %左右,有瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。此外,因風(fēng)量較小帶來(lái)的巷道內(nèi)溫度偏高、O2濃度偏低等問(wèn)題也造成了作業(yè)環(huán)境較差。因此,急需對(duì)該巷通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造,以解決該巷現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)施不滿足長(zhǎng)距離供風(fēng)的問(wèn)題。
1)工作面風(fēng)量不足。造成工作面風(fēng)量不足的原因主要有:①長(zhǎng)距離供風(fēng)存在風(fēng)阻較大;②日常維護(hù)工程量大,加上風(fēng)筒質(zhì)量較差,存在維護(hù)不到位情況,風(fēng)筒吊掛不平直等原因,局部風(fēng)筒存在破口未及時(shí)粘補(bǔ)導(dǎo)致的漏風(fēng),使得有效風(fēng)量大大減少;③風(fēng)筒規(guī)格選擇不符合現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求,風(fēng)筒直徑偏小,也是導(dǎo)致風(fēng)阻過(guò)大的另一主要原因;④風(fēng)機(jī)選型無(wú)法滿足風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)速等參數(shù)要求。
2)產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流。局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果差,無(wú)法滿足工作面污風(fēng)清洗工藝要求,造成工作面瓦斯積聚、粉塵飛揚(yáng),超過(guò)安全界限范圍值,造成作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境惡劣,不僅影響作業(yè)人員身體健康,還將嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。
因此,為滿足3303掘進(jìn)工作面通風(fēng)技術(shù)要求,對(duì)風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,選擇符合工藝要求的設(shè)備,完善日常管理制度,在合理經(jīng)濟(jì)保障的前提下,保證通風(fēng)質(zhì)量,提高通風(fēng)效率。
獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量計(jì)算方式如下:
1)按工作面工作人數(shù)最多時(shí)刻計(jì)算。
式中:Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量,m3/min;Nhf為工作面最多人數(shù),一般取16。因此按人數(shù)最多時(shí),需風(fēng)量應(yīng)不小于64 m3/min。
2)按獨(dú)頭通風(fēng)工作面瓦斯涌出量計(jì)算。
式中:Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量,m3/min;qhg為瓦斯最大涌出量,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,取1.26 m3/min;khg為瓦斯涌出不均衡風(fēng)量修正系數(shù),取1.5。依據(jù)上式可得,需風(fēng)量應(yīng)為189 m3/min。
3)按CO2涌出量計(jì)算。
式中:Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量,m3/min;qhc為獨(dú)頭通風(fēng)工作面回風(fēng)巷CO2平均絕對(duì)涌出量,取0.42 m3/min;khc為CO2涌出量備用系數(shù),取1.5。依據(jù)上式可得,需風(fēng)量應(yīng)為42 m3/min。
4)按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定煤巷風(fēng)速應(yīng)在0.25~4 m/s范圍內(nèi),風(fēng)速核算如下。
式中:Qhf為掘進(jìn)工作面需風(fēng)量,m3/min;S為獨(dú)頭掘進(jìn)工作面斷面積,取15 m2。依據(jù)上式可得,需風(fēng)量應(yīng)為225~3 600 m3/min。
5)按照礦用機(jī)械設(shè)備中柴油機(jī)車產(chǎn)生尾氣應(yīng)稀釋至安全程度范圍,風(fēng)量計(jì)算如下。
式中:Qc為掘進(jìn)巷道礦用機(jī)械設(shè)備中柴油機(jī)車產(chǎn)生尾氣應(yīng)稀釋安全程度范圍需風(fēng)量,m3/min;N為掘進(jìn)工作面最大柴油機(jī)車使用數(shù),一般取1臺(tái);P為掘進(jìn)工作面柴油機(jī)車運(yùn)行功率,取26 kW;K為配風(fēng)系數(shù),取1.0。依據(jù)上式可得,需風(fēng)量應(yīng)為104 m3/min。
通過(guò)上述分析,對(duì)比各工序?qū)τ陲L(fēng)量的需求,確定獨(dú)頭通風(fēng)工作面需風(fēng)量為189 m3/min,當(dāng)柴油機(jī)車運(yùn)行時(shí),應(yīng)增配104 m3/min風(fēng)量,最終3303切眼及回風(fēng)反掘工作面需風(fēng)量應(yīng)滿足293 m3/min,即該風(fēng)量為滿足3303掘進(jìn)工作面長(zhǎng)距離供風(fēng)的最低風(fēng)量,但最高風(fēng)量不得超過(guò)3 600 m3/min。
根據(jù)3303工作面切眼及回風(fēng)巷反掘段掘進(jìn)工作面對(duì)于有效風(fēng)量需求,選用φ1 200 mm抗靜電、阻燃膠質(zhì)風(fēng)筒供風(fēng)。該風(fēng)筒有效風(fēng)量率:
式中:P1為風(fēng)筒有效風(fēng)量率,%;L為風(fēng)筒供風(fēng)長(zhǎng)度,最大取6 600 m;P100為風(fēng)筒百米漏風(fēng)率,依據(jù)表1可知,取0.9%。因此有效風(fēng)量率為41%。
表1 風(fēng)筒百米漏風(fēng)率表
依據(jù)上述對(duì)工作面需風(fēng)量計(jì)算分析可確定局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量及風(fēng)壓,其計(jì)算如下[5-6]:
1)局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量計(jì)算:
式中:Qf為獨(dú)頭通風(fēng)工作面局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量,m3/min;Qhf為獨(dú)頭通風(fēng)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量,取293 m3/min;P1為風(fēng)筒有效風(fēng)量率,取41%。因此有效風(fēng)量為714.63 m3/min。
2)安裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量計(jì)算:
式中:Qf1為安裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量,m3/min;∑Qf2為實(shí)際局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量,m3/min;Vf為安裝局部通風(fēng)機(jī)處最小風(fēng)速,取0.25 m/s;Sf為安裝局部通風(fēng)機(jī)處最小斷面面積,m2。因此裝局部通風(fēng)機(jī)處為全負(fù)壓供風(fēng)量為1 078 m3/min。
3)風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算。風(fēng)筒阻力主要包括以下2種:
①摩擦阻力:
式中:Rf為風(fēng)筒摩擦阻力,N·s2/m8;α為風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù),從表2可知,取0.002 6 kg,s2/m4;L為實(shí)際局部通風(fēng)最長(zhǎng)距離,取6 145 m;D為風(fēng)筒直徑,取1.2 m。由上式可知摩擦阻力為41.74 N·s2/m8。
②局部阻力。接頭局部阻力:
式中:RJ為風(fēng)筒局部接頭阻力,N·s2/m8;n為風(fēng)筒間接頭個(gè)數(shù),取615;ξ為風(fēng)筒局部接頭阻力系數(shù),從表2可知,取0.09 kg·s2/m4;γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重,取1.2 kg/m3;g為重力加速度,取9.8 m/s2;S為風(fēng)筒斷面積,取1.13 m2。由上式可知風(fēng)筒接頭局部阻力為3 N·s2/m8。
表2 膠質(zhì)風(fēng)筒選用范圍參考表
拐彎局部阻力:
式中:RW為風(fēng)筒局部拐彎阻力,N·s2/m8;n為彎頭個(gè)數(shù),取2;ξ為膠質(zhì)風(fēng)筒局部拐彎阻力系數(shù),從表3可知,取1.25 kg·s2/m4;γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重,取1.2 kg/m3;g為重力加速度,取9.8 m/s2;S為風(fēng)筒斷面積,取1.13 m2。由上式可知風(fēng)筒拐彎局部阻力為0.135 N·s2/m8。
表3 膠質(zhì)風(fēng)筒拐彎局部阻力系數(shù)參考表
出口局部阻力:
式中:RC為風(fēng)筒局部出口阻力,N·s2/m8;γ為風(fēng)筒內(nèi)氣體比重,取1.2 kg/m3;g為重力加速度,取9.8 m/s2;D為風(fēng)筒直徑,取1.2 m。由上式可知風(fēng)筒局部出口阻力為0.048 3 N·s2/m8。
風(fēng)筒總阻力:
式中:RZ為風(fēng)筒總阻力,N·s2/m8;Rf為風(fēng)筒摩擦阻力,N·s2/m8;RJ為風(fēng)筒局部接頭阻力,N·s2/m8;RW為風(fēng)筒局部拐彎阻力,N·s2/m8;RC為風(fēng)筒局部出口阻力,N·s2/m8。由上式可知風(fēng)筒總阻力為44.92N·s2/m8。
4)局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓計(jì)算:
式中:HJQ為局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓,Pa;RZ為局部通風(fēng)機(jī)總風(fēng)阻,N·s2/m8;Qf為局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量,m3/min。因此局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓為6 379 Pa。
通過(guò)以上對(duì)通風(fēng)技術(shù)參數(shù)的核算,對(duì)比各局部通風(fēng)機(jī)參數(shù),最終確定選用FDB NO8.0/2*55kW對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為500~950 m3/min,功率為55 kW,該風(fēng)機(jī)供風(fēng)量能滿足3303運(yùn)輸巷、切巷及回風(fēng)巷反掘的長(zhǎng)距離供風(fēng)要求。
在風(fēng)筒連接處布置材質(zhì)為PVG風(fēng)筒快速接頭軟帶,如圖1所示,該軟帶具有使風(fēng)筒間連接更為緊密、方便拆卸、強(qiáng)度較高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),可以有效預(yù)防風(fēng)筒連接處漏風(fēng),保證有效風(fēng)量滿足通風(fēng)技術(shù)要求。另外,風(fēng)機(jī)在切換時(shí)易導(dǎo)致風(fēng)筒被巷道頂板錨索、鐵絲、鋼筋網(wǎng)等尖銳異物扎破,為保障風(fēng)筒安全,必須及時(shí)清理與風(fēng)筒接觸的尖銳物,不能清理的如錨索露頭、鋼筋網(wǎng)等與風(fēng)筒相接處可布置塑料水瓶、皮帶等使其間隔開(kāi),而對(duì)于已有破口處,應(yīng)及時(shí)將其吊至縫合處采取粘補(bǔ)風(fēng)筒或更換處理。
圖1 風(fēng)筒快速接頭軟帶圖
為減少風(fēng)筒的摩擦風(fēng)阻,將φ1 000 mm風(fēng)筒替換為φ1 200 mm風(fēng)筒,風(fēng)筒間使用異徑轉(zhuǎn)換器相連,不僅可以降低風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流速度,還使風(fēng)筒具有更優(yōu)抗靜電、阻燃作用。另外,采用φ9.3 mm鋼絲繩逢環(huán)吊掛,滑蘭螺絲輔以固定在巷道頂板,保證風(fēng)筒實(shí)現(xiàn)“兩靠一直”,進(jìn)一步提高風(fēng)筒安裝質(zhì)量。此外,必須保證風(fēng)筒吊掛平直,隨巷道起伏,合理彎曲風(fēng)筒與巷道彎曲相同,風(fēng)筒無(wú)破口,轉(zhuǎn)彎巷道要使用硬質(zhì)風(fēng)筒,不準(zhǔn)拐死彎,以減少風(fēng)筒不平直增加風(fēng)阻現(xiàn)象。
1)優(yōu)化工作班制安排,最大限度對(duì)風(fēng)筒各接頭及風(fēng)機(jī)處進(jìn)行輪流巡回檢查,使漏風(fēng)問(wèn)題在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)并及時(shí)上報(bào)處理,保證風(fēng)筒通風(fēng)質(zhì)量,確保瓦斯和煤塵在限定范圍內(nèi)。
2)風(fēng)筒必須吊掛平直,逢環(huán)必吊,迎頭風(fēng)筒不落地,隨巷道起伏,合理彎曲風(fēng)筒與巷道彎曲相同。風(fēng)筒接頭必須雙反壓邊,接頭平緩,不花接,嚴(yán)密不漏風(fēng),風(fēng)筒無(wú)破口,轉(zhuǎn)彎巷道要使用硬質(zhì)風(fēng)筒,不準(zhǔn)拐死彎,以減少風(fēng)筒不平直增加風(fēng)阻現(xiàn)象。
3)局部通風(fēng)機(jī)供電必須實(shí)行“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”和“專用變壓器、專用開(kāi)關(guān)、專用電纜”,必須與其供風(fēng)巷道內(nèi)的電氣設(shè)備實(shí)行風(fēng)電閉鎖,由通風(fēng)隊(duì)負(fù)責(zé)每天派人對(duì)風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒臺(tái)進(jìn)行專項(xiàng)檢查,保證風(fēng)機(jī)持續(xù)可靠運(yùn)行,杜絕無(wú)計(jì)劃停風(fēng)。
4)局部通風(fēng)機(jī)設(shè)備必須齊全完好,吸風(fēng)口有風(fēng)罩和整流器,高壓部位有襯墊,不漏風(fēng)。局部通風(fēng)機(jī)及開(kāi)關(guān)必須安設(shè)在頂板完好、無(wú)淋水的進(jìn)風(fēng)巷道;局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口5 m內(nèi)不得有雜物或影響局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)的其它物品,嚴(yán)禁發(fā)生循環(huán)風(fēng)。
5)風(fēng)筒末端距掘進(jìn)工作面迎頭不得大于5 m,保證迎頭供風(fēng)量滿足生產(chǎn)需要。
6)對(duì)長(zhǎng)距離供風(fēng)的風(fēng)筒吊掛環(huán)境進(jìn)行全巷檢查,對(duì)接觸風(fēng)筒的鐵絲、錨索頭、錨桿、鋼筋網(wǎng)等尖銳物及時(shí)清理,防止刮破風(fēng)筒引起漏風(fēng)。
通過(guò)3303運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)巷道通風(fēng)需求進(jìn)行技術(shù)改造后,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明,巷道內(nèi)供風(fēng)量得到大幅提升,回風(fēng)流風(fēng)速由原0.25 m/s提高到了1.2 m/s,巷道內(nèi)O2濃度也得到了明顯升高,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.5 %降至0.1 %以下,消除瓦斯積聚超限造成的危害,同時(shí),掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流溫度因風(fēng)速增高而降低,作業(yè)環(huán)境得到明顯改善,滿足了該巷長(zhǎng)距離通風(fēng)要求,實(shí)現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。
1)針對(duì)3303運(yùn)輸巷、切巷以及反掘回風(fēng)巷需解決的長(zhǎng)距離通風(fēng)問(wèn)題,根據(jù)掘進(jìn)工作面技術(shù)要求,分析工作面通風(fēng)參數(shù),對(duì)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量進(jìn)行核算,依據(jù)核算結(jié)果選擇最優(yōu)風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)型號(hào),解決長(zhǎng)距離通風(fēng)的硬件需求。
2)通過(guò)在長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面實(shí)施選擇大直徑風(fēng)筒、安裝軟帶材質(zhì)風(fēng)筒接頭、異徑風(fēng)筒轉(zhuǎn)換器等通風(fēng)設(shè)施,有助于滿足長(zhǎng)距離供風(fēng)掘進(jìn)工作面的通風(fēng)需求。
3)加強(qiáng)通風(fēng)管理,在保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)風(fēng)筒的日常維護(hù)管理,確保風(fēng)筒吊掛平直,及時(shí)處理錨索露頭、鐵絲等導(dǎo)致風(fēng)筒相接處漏風(fēng)的異物,以及完善日常檢查管理制度,以大幅度降低風(fēng)筒風(fēng)阻,減少風(fēng)筒漏風(fēng),保證通風(fēng)質(zhì)量,杜絕瓦斯超限,改善作業(yè)環(huán)境,保證工作面安全、高效生產(chǎn)。