楊建生

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 工程概況

同忻礦井建設項目位于大同市，大同煤田北東部，行政隸屬大同市南郊區(qū)。主斜井井筒長度4 563.9 m，傾角5°08′00″，其中前280 m表土段采用爆法開挖，后4 284 m的巖洞段采用TBM開挖，開挖直徑4.82 m，永久支護采用錨噴支護，成型洞徑4.58 m。

2 通風標準選擇

通風、散煙及除塵的目的是為了創(chuàng)造滿足衛(wèi)生標準的洞內(nèi)工作環(huán)境，特別是在長洞的施工中更為重要。根據(jù)水利水電工程施工手冊要求，洞內(nèi)空氣衛(wèi)生標準見表1。

表1 洞內(nèi)空氣衛(wèi)生標準表

另外，要求洞內(nèi)的氣溫不能超過28℃，并且洞內(nèi)的風速也需滿足表2的規(guī)定。

表2 洞內(nèi)溫度與風速的關系表

3 通風量計算

通風量的計算可根據(jù)下列幾種情況分別計算，并應根據(jù)通風方式和長度考慮漏風增加值，漏風系數(shù)一般取1.2～1.5。

3.1 通風量計算標準

（1）施工人員所需的通風量

式中：Q—通風量，m3/min；

m—同時在洞內(nèi)工作的最多人數(shù)，人；

q—每人所需的通風量，取3 m3/min。

（2）沖淡有害氣體的通風量

式中：A—工作面上同時爆破的最大炸藥量，kg；

B—每千克炸藥產(chǎn)生的一氧化碳氣體量，按40L計算；

0.02 %—爆破后連續(xù)通風使一氧化碳濃度降至0.02%時，即可進入工作面工作；

t—通風時間，可采用20min。

此外，在開挖過程中若有其他有害氣體時，應保證將其沖淡至表1的規(guī)定值。

（3）洞內(nèi)使用柴油機械施工時，按每千瓦耗風量4 m3/min計算，并與同時工作人員所需風量相加計算。

（4）洞內(nèi)降溫所需的風量。

洞內(nèi)降溫主要為電器設備冷卻用風量，根據(jù)隧道施工的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每1000 kVA用風量150 m3/min。

3.2 主斜井需風量計算：

（1）按平均每人供3 m3/min的空氣量，隧洞掘進機TBM掘進施工時，進洞最多人數(shù)40人，則施工人員所需風量為：

式中：Q1—TBM掘進施工時洞內(nèi)工作人員需風量，m3/s。

（2）洞內(nèi)最小風速所需風量為：

式中：Q2—滿足洞內(nèi)最低風速要求時的需風量，m3/s；

V2—最低風速，取0.15 m/s；

S—隧洞斷面面積（按錨噴后成型斷面考慮）。

（3）洞內(nèi)排塵時，所需風量為：

式中：V3—洞內(nèi)排塵風速，取0.4 m/s；

Q3—滿足洞內(nèi)排塵要求時的需風量，m3/s。

（4）洞內(nèi)降溫（主要是電器設備冷卻）所需的風量：

本工程TBM施工洞內(nèi)設備用電總功率約為2000kW

引入公式：S=P/cosΦ

式中：S—視在功率，kVA；

P—有功功率，kW；

cosΦ—功率因數(shù)，取為0.8。

則電器設備冷卻用風量為

式中：Q4—洞內(nèi)降溫所需風量，m3/s。

（5）洞內(nèi)使用柴油機械施工用風量：

洞內(nèi)使用的柴油機械包括1臺206kW的柴油發(fā)電機和2臺17kW的防爆柴油牽引車，柴油發(fā)電機與防爆柴油牽引車不同時使用，且使用柴油發(fā)電機時TBM停止掘進施工，洞內(nèi)作業(yè)的最多人數(shù)按10人考慮。

則TBM掘進時柴油機械的需風量

式中：Q5—TBM掘進時柴油機的需風量，m3/s。

使用柴油發(fā)電機時的需風量

式中：Q6—TBM斷電停止掘進時使用柴油發(fā)電機時的需風量，m3/s。

此時洞內(nèi)作業(yè)人員的需風量

式中：Q7—TBM斷電停止掘進時洞內(nèi)作業(yè)人員的需風量，m3/s。

因TBM掘進時柴油機的需風量Q5小于電器設備冷卻用風量Q4，且滿足洞內(nèi)最低風速和排塵風速要求，故僅考慮TBM掘進時電器設備冷卻用風量Q4與工作人員需風量Q1和TBM斷電時使用柴油發(fā)電機的用風量Q6與使用柴油發(fā)電機時工作人員的需風量Q7兩種組合情況。

情況一：Q1+Q4=2+6.25=8.25 m3/s

情況二：Q6+Q7=13.73+0.5=14.23 m3/s

依上計算，主斜井施工洞內(nèi)所需風量為14.23 m3/s

主斜井施工總長度4 564 m，TBM掘進機含后配套總長178 m，TBM掘進機上自帶局部通風系統(tǒng)，考慮洞外風機安裝位置距洞口20 m，則洞外風機的通風長度4564-178+20=4406 m。

（6）實測數(shù)據(jù)表明，對于直徑1 m以上的優(yōu)質風筒，其百米漏風率不會大于1%（有風筒廠家為0.44%），我們按1%計算，當TBM掘進至4 564 m時，要求風筒的出口風量Q大于14.23 m3/s時，風筒進口應該供給的風量為

式中：Q進—風筒進口需風量，m3/s；

Q出—風筒出口需風量，m3/s；

L—通風長度，m。

因此，主斜井施工過程中通風機應供給的通風量為0～22.16 m3/s

4 風筒阻力計算

引入計算公式摩擦阻力定律，

式中H—摩擦阻力，Pa；

R—摩擦風阻，Ns2/m8；

Q—管道內(nèi)的風流量，取進出口的流量的幾何平均值，m3/s。

摩擦風阻定律：

式中：α—摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4，對于圓形柔性塑膠風管，管內(nèi)壓力大于2 000 Pa時，可取值0.003～0.0035 Ns2/m4；

L—風筒長度，m；

U—風筒周長，m；

S—風筒截面積，m2。

具體計算結果見表3

表3 主斜井風筒阻力計算表（主電源斷電）

以上計算結果為TBM主電源斷電時的計算結果，實際上一般不會發(fā)生此種情況，且柴油發(fā)電機的工作時間比較短，如按此種情況配置通風設施，會造成通風設施浪費巨大，故按TBM掘進時出口風量8.25 m3/s進行考慮，此時對應進口風量為12.85 m3，計算結果見表4。

表4 主斜井風筒阻力計算表（TBM掘進）

5 通風方式和設備選型

5.1 通風方式

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，通風方式采用壓入式通風。

5.2 風機選型

施工現(xiàn)場現(xiàn)有1臺2×75kW對旋軸流式局部通風機（風量 20.8～11.3 m3/s，風壓 2 200～7 100 Pa）和 1 臺 2×55 kW 對旋軸流式局部通風機，根據(jù)以上計算結果，開啟1臺2×75 kW對旋軸流式局部通風機，匹配風筒采用Φ1.2 m高強度塑膠風筒時，可滿足通風風量和風壓要求。

具體運行方式為初期開2×55 kW風機的一級，另一臺風機作為備用。隨著掘進長度的增加，風量和風壓損失均不斷加大，當該級風機不能滿足通風要求時開啟2×75 kW風機的一級，此時第一臺風機作為備用，依次類推，最后開啟2×75 kW風機的兩級。如此配合使用，既可滿足根據(jù)煤礦雙風機的要求，又使通風設備消耗的總能量最小，工程成本得以降低。

6 風機安裝地點和要求

6.1 安裝地點：

主斜井風機安裝于距洞口20 m外的洞軸線右側3 m處，下部采用預制混凝土管片基礎，并設鋼結構風機支架。

6.2 安裝要求：

（1）風機必須放在風機托架上，距地板不小于300 mm。

（2）風機開關必須上架。

（3）通風機必須掛牌管理，專人負責，實現(xiàn)“三?！薄皟砷]鎖”。

（4）風筒要求吊掛整齊，每3 m一個吊掛眼，逢環(huán)必掛。

（5）風筒要嚴實不漏風。

（6）必須保證風機連續(xù)運轉，不準無故停電停風。

7 通風系統(tǒng)布置

主斜井通風系統(tǒng)由以下四部分組成：首先由洞外風機將新鮮風通過風筒送至后配套尾部，再由后配套增壓風機將新鮮風送至TBM機頭部位，然后由排風風機將污風從TBM機頭排至后配套尾部，再由后配套尾經(jīng)主斜井井筒排出洞外，為減少由后配套尾部排出污風的粉塵含量，在后配套排風風機前增設除塵器。

8 結語

同忻煤礦主斜井TBM掘進通風設計，既需滿足煤礦主巷道通風的專業(yè)要求，還需結合TBM掘進通風的自身特點。TBM掘進施工以往在煤礦主巷道開挖中應用較少，通過該工程的施工，可為今后煤礦巷道快速施工提供參考。