煤礦長距離巷道安全通風系統(tǒng)的設計與應用

桑建江

（山西澤州天泰坤達煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

山西某礦主要開采2#煤層，但是涉及到的超長距離掘進工作，所以初步設計的巷道掘進距離達到4 900 m，掘進寬度及高度分別為5.8、6 m，所以需要對其中的運輸巷通風系統(tǒng)進行可行性設計，尤其是其中的瓦斯和粉塵的濃度必須設計科學合理。這對于井下人員的安全生產(chǎn)和礦區(qū)的穩(wěn)定高效生產(chǎn)意義重大[1-2]。

1 工程概況

某礦地處山西北部，所處的是石炭系、二疊系地層。EW 向地層走勢，南高北低是其特征構(gòu)造，煤量豐富，具有較為簡單地質(zhì)構(gòu)造，煤層自燃發(fā)火傾向性均為Ⅱ類。煤礦產(chǎn)能達到500 萬t/a，現(xiàn)生產(chǎn)針對2#、3#煤層，生產(chǎn)采掘的具體工藝是采用斜井+平銅開拓方式進行。煤層原始瓦斯含量分別為2.8、2.3 m3/t。

在整個煤區(qū)存在8 個綜采工作面，其中正常開采的有5 個，且所有的綜采面都是圍繞2#煤層進行的，整個區(qū)域內(nèi)的煤層均厚達到5.6 m，所以設計采用大采高的綜采工藝進行具體采掘工作。在進行大采高進行作業(yè)時，巷道采用MB670 掘錨機掘進，斷面為矩形，配套設備均為大尺寸液壓支架，再者考慮到生產(chǎn)和移架的效率問題，決定采用3200 支架專用運輸巷來承擔艱巨的運輸工作，專用運輸巷布置方案，如圖1所示。

圖1 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

目前傳統(tǒng)的通風方式大致分為以下大類：第一類，局部通風機串聯(lián)或并聯(lián)通風，這樣的設計減少了風筒由于風壓作用產(chǎn)生破裂概率，漏風率也隨之降低;第二類，風機+長距離柔性風筒方式，設計中需要大于2×30 kW 功率的風機，配套使用的風筒直徑超過1 000 mm；第三類，通過地面向井下施工鉆孔、構(gòu)筑風庫和全負壓通風向掘進迎頭供風[3]。

某礦在對上述三類通風方式特點進行分析后，充分考慮煤礦工作面特殊地質(zhì)需求，設計大功率局部通風機+大直徑柔性風筒對掘進供風的方式進行通風，針對長距離掘進巷道通風通常會遇到的問題進行科學分析設計。

通風巷道借助專用運輸巷，應用壓人式通風方式，在運輸大巷開口位置設置局部通風機，具體巷道通風系統(tǒng)，如圖2 所示。詳細的巷道掘進迎頭風流動路線:專用運輸巷-3201 輔助回風巷-三盤區(qū)回風巷-南翼回風大巷-回風井[4-5]。

圖2 巷道通風路線圖

2.2 掘進巷道需風量確定

前期的運輸巷掘進時，一整個班組的作業(yè)人員涉及到45 人，工作面作業(yè)期間會伴隨有濃度為0.17 m3/min的瓦斯涌出，進行運輸時，通過2 臺45 kW 的防爆柴油機車完成。綜合上述的數(shù)據(jù)，可以完成專用運輸巷掘進期間具體的需風量模擬分析，得到如表1 具體計算結(jié)果。遵從國家相關(guān)的技術(shù)要求，0.25 m/s 是煤巷掘進時工作面最低風速紅線,根據(jù)5.8、6.0 m 的專用運輸巷寬、巷高數(shù)據(jù)，運算得到Qmin=522 m3/min 的最低通風風量。所以，考慮到以上分析出的數(shù)據(jù)，得到550 m3/min 即為最低供風量Q出設計最低值[6]。

表1 掘進巷道風量計算結(jié)果 單位：m3/min

2.3 柔性風筒風阻計算及局部通風機選型

設計方案中的專用運輸巷用柔性風筒供風，風筒工作中會涉及到摩擦風阻和局部風阻兩部分，但是，由于專用運輸巷為直巷，在局部通風時，拐角的風阻很微小，不計入計算中。剩下影響較為大的摩擦風阻（R1）和風筒接口處局部風阻（R2）兩部分，如式（1）～式（3）即為兩者的具體計算公式[7-9]：

式中：R1、R2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。

由以上數(shù)據(jù)和實際工作面數(shù)據(jù)，取L=5 430 m，S=1.13 m2，U=3.77 m，n=520、ε=0.035，α=28×10-4N·S2/m8，ρ=1.2 kg/m3，將上述參數(shù)帶人公式（1）-（3）即可求得R=48.27 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刀計算公式（4）為[10]：

計算得η=32.58%.局部通風機進風口處風量Q進=Q出/（1-η）=816 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1 400～6500 Pa。具體該局部通風機工況點及運行參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 局部通風機工況點及運行參數(shù)

3 現(xiàn)場應用分析

進行掘進工作之初，顯示控制設備的變頻電流是26.6 Hz，保持局部通風機吸風量和風筒出風口風量分別是630、622 m3/min，將掘進迎頭風速控制在0.28 m/s左右，在規(guī)定的掘進施工范圍內(nèi)。當掘進至5 450 處，控制的局部通風機吸風量和風筒出風量分別為825、555 m3/min 左右，計算得到風筒的百米漏風率剛好為設計最理想的0.6%，滿足所處位置的迎頭供風量的設計范圍。具體巷道通風參數(shù)監(jiān)測結(jié)果，如表2 所示。

表2 巷道通風參數(shù)監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

針對目前某煤礦超長距離通風遇上的風量不足，瓦斯和粉塵等排出不達標等問題，確定了通風方式，對專用運輸通道環(huán)境特殊情況進行需風量計算，以需風量和通風方式為基礎(chǔ)設計出此巷道結(jié)構(gòu)的設備和具體的工藝參數(shù)。并對設計的通風方案進行實際的工作面驗證，最終的結(jié)果數(shù)據(jù)表明：

1）針對某礦5 430 m 的專用運輸巷掘進工作，設計的采用大功率局部通風機+配合柔性風筒供風方案時科學可行的。能夠滿足掘金初始和末尾的整個通風需求，且表現(xiàn)很穩(wěn)定，還降低能耗。

2）設計的通風系統(tǒng)在漏風率、粉塵濃度和電機工作方面都表現(xiàn)優(yōu)異。能夠?qū)嶋H漏風率控制在0.6%，與理想狀態(tài)極度接近，同時在4 500 m 后保持粉末質(zhì)量濃度在28 mg/min，有效減少粉塵帶來的危害。電機能夠在初期減少轉(zhuǎn)動頻率，降低能耗，為某礦經(jīng)營減少很大一部分生產(chǎn)成本。