周 霖，劉心廣，吳建賓，劉 濤，蔡木喜，王 凱

1兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017101

2中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

隨著煤礦機械化的不斷發(fā)展，掘進工作面的長度不斷增加，從而出現(xiàn)一系列問題，制約著煤礦向著集約化、智能化方向發(fā)展。由于掘進工作面是獨頭巷道，很難依靠正常的主通風(fēng)機進行供風(fēng)，必須依靠大功率局部通風(fēng)機和高質(zhì)量的風(fēng)筒向掘進工作面提供新鮮風(fēng)流。但在實際生產(chǎn)過程中，既要保障整個礦井的產(chǎn)能，又要解決掘進工作面的瓦斯、粉塵問題，掘進通風(fēng)成為煤礦安全問題的重點和難點[1-4]。因此，筆者對超長距離掘進工作面通風(fēng)問題進行探討。

1 存在的問題

長距離掘進工作面區(qū)別于一般的巷道在于其不能形成完整的進、回風(fēng)巷道。因此，掘進工作面必須通過局部通風(fēng)機和高質(zhì)量的風(fēng)筒來把新鮮風(fēng)流和污風(fēng)風(fēng)流隔離開來。近年來，掘進工作面的長度和斷面越來越大，加劇了局部的瓦斯涌出量和粉塵，因此，對局部通風(fēng)技術(shù)提出了更高的要求[5-7]。長距離掘進通風(fēng)的問題主要如下：

(1) 在長距離掘進通風(fēng)中，隨著通風(fēng)距離越來越長，風(fēng)筒連接處漏風(fēng)也越來越大，在后期掘進過程中，掘進工作面出現(xiàn)風(fēng)量不足的情況。

(3) 近年來大多采用單機單巷的通風(fēng)方式，隨著掘進巷道的變長，煤礦往往選用大功率局部通風(fēng)機，風(fēng)筒前段風(fēng)壓較高，經(jīng)常會導(dǎo)致風(fēng)筒吹裂甚至脫節(jié)，進而導(dǎo)致掘進工作面無風(fēng)的事故。

(4) 長距離掘進面粉塵量比較大，掘進工作面不能形成貫穿風(fēng)流，并且掘進面較狹窄，很難通過通風(fēng)方式排出工作面產(chǎn)生的大量粉塵，作業(yè)環(huán)境差。

(5) 礦井的生產(chǎn)和安全是相互矛盾的，在長距離通風(fēng)過程中，供風(fēng)和排風(fēng)都很困難，要做到安全生產(chǎn)就必須采取一系列的措施來防護，從而就會增加生產(chǎn)成本，這往往與礦井的節(jié)能原則相沖突。

2 供風(fēng)

2.1 局部通風(fēng)

(1) 局部通風(fēng)機串聯(lián)通風(fēng) 利用 2 臺風(fēng)機串聯(lián)向掘進工作面供風(fēng)，如圖 1 所示。風(fēng)機串聯(lián)分為 2類：一是集中串聯(lián)，如圖 1(a) 所示，2 臺風(fēng)機擺放距離很近，通過風(fēng)機的風(fēng)壓向工作面供風(fēng)，此種方法風(fēng)筒前半段的風(fēng)壓極大，容易發(fā)生漏風(fēng)，風(fēng)筒維護工作量大；二是間隔串聯(lián)，如圖 1(b) 所示，間隔串聯(lián)就是第 2 臺風(fēng)機擺放在離第 1 臺風(fēng)機較遠(yuǎn)的位置，但是因為擺放位置的不同，間隔串聯(lián)也會產(chǎn)生安全隱患。如圖 1(c) 所示，此種間隔串聯(lián)中第 2 臺風(fēng)機擺放在前一段風(fēng)筒的負(fù)壓位置，容易造成第 2 臺風(fēng)機吸入巷道污風(fēng)，形成循環(huán)風(fēng)。正確的擺放位置應(yīng)該如圖 1(d) 所示，第 2 臺風(fēng)機應(yīng)該放置在前一段風(fēng)筒的正壓位置。

圖1 串聯(lián)通風(fēng)示意Fig.1 Sketch of tandem ventilation

(2) 構(gòu)筑風(fēng)庫通風(fēng) 在超過 2 km 的掘進巷道中，在掘進巷道的 2 km 處或者單巷總掘進長度的 2/5處，構(gòu)筑 1 個風(fēng)庫，利用風(fēng)庫作為中轉(zhuǎn)容器進一步為巷道的掘進工作面供風(fēng)，如圖 2 所示。

圖2 風(fēng)庫示意Fig.2 Sketch of air library

(3) 通風(fēng)井 通風(fēng)井是在掘進中前部施工 1 個風(fēng)井，用于加強掘進斷面和巷道的循環(huán)通風(fēng)。風(fēng)井縮短了掘進過程中的風(fēng)流流動距離，污風(fēng)可以及時、有效地從風(fēng)井中快速排出，而不需要經(jīng)掘進工作面回流排出。

(4) 雙巷平行掘進局部通風(fēng) 雙巷平行掘進多用于采區(qū)工作面，掘進工作面的回風(fēng)巷和下一工作面的運輸巷。2 巷道同時掘進，一巷進風(fēng)，一巷回風(fēng)。在巷道延伸的過程中，每隔 50～60 m 就貫通兩巷形成一條聯(lián)絡(luò)巷，如圖 3 所示。

⑦魏金枝：《柔石傳略》，丁景唐，瞿光熙編《左聯(lián)五烈士研究資料編目》，上海文藝出版社1981版，第218頁。

(5) 局部通風(fēng)機并聯(lián)通風(fēng) 利用多臺局部通風(fēng)機同時向掘進工作面供風(fēng)，此種方法適用解決工作面風(fēng)量不足的問題。在實際掘進工作中，如果巷道延伸中遇到要增加工作面設(shè)備或其他情況，需要增大供風(fēng)量，而原來的風(fēng)機不能滿足，就需要通過并聯(lián)風(fēng)機聯(lián)合向掘進工作面供風(fēng)。

圖3 雙行平行掘進示意Fig.3 Sketch of parallel heading with two rows

(6) 單風(fēng)機單風(fēng)筒通風(fēng) 單風(fēng)機單風(fēng)筒通風(fēng)技術(shù)就是用 1 臺風(fēng)機向單一掘進巷道供風(fēng)。隨著掘進巷道的增加，對風(fēng)機的供風(fēng)量和風(fēng)壓要求也必然增加，同時對風(fēng)筒的選擇也至關(guān)重要，風(fēng)筒必須要通風(fēng)阻力小，而且能承受較大風(fēng)壓，所以此種方法的運用多取決于設(shè)備的升級。

2.2 供風(fēng)選擇

結(jié)合掘進工作面實際情況，對工作面通風(fēng)方式的選擇如圖 4 所示。

圖4 工作面供風(fēng)方式選擇Fig.4 Selection of air supply mode on work face

3 長距離掘進巷道風(fēng)筒

柔性風(fēng)筒和剛性風(fēng)筒是井下局部通風(fēng)最常用的導(dǎo)風(fēng)裝置。通過風(fēng)筒向掘進工作面源源不斷的提供新鮮風(fēng)流，既能保證工作人員的正常呼吸，又能沖淡工作面瓦斯。但是 2 種風(fēng)筒的應(yīng)用范圍不同，柔性風(fēng)筒一般適合于壓入式通風(fēng)或通風(fēng)距離較長的巷道；而剛性風(fēng)筒則一般適合于抽出式通風(fēng)巷道，通風(fēng)距離較短[8-10]。

3.1 風(fēng)筒選擇

回風(fēng)巷道的掘進通風(fēng)采用壓入式局部通風(fēng)機供風(fēng)，所以必須選取柔性風(fēng)筒作為風(fēng)流通道。因為風(fēng)筒的材料可以隨意挑選，所以風(fēng)筒性能的主要技術(shù)點就在于風(fēng)筒接頭的不同。目前我國大致有兩固定環(huán)單反邊接頭、大活環(huán)單反邊接頭、雙反邊接頭、活三環(huán)多反邊接頭、螺圈接頭、快速接頭軟帶接頭 6 種形式。而拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒是近年來新出的一種風(fēng)筒。下面將拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒與其他風(fēng)筒作比較，為回風(fēng)巷道掘進面風(fēng)筒選擇做參考。

圖5 各類風(fēng)筒接頭示意Fig.5 Sketch of various joints of air duct

由于井下環(huán)境屬于高溫高濕，空氣中又含有瓦斯，所以在風(fēng)筒安全性方面要求特別嚴(yán)格。首先，風(fēng)筒表面涂層要求不易脫落、風(fēng)筒材料能夠阻燃和抗靜電；其次，風(fēng)筒的性能要符合實際需求，比如風(fēng)筒的風(fēng)阻要小，漏風(fēng)量要少，方便維修和管理；再次，風(fēng)筒材料的強度要高，能耐得住風(fēng)機的風(fēng)壓、耐磨、耐砸、防開縫、防拉斷；最后，要方便使用，質(zhì)量輕、拆裝方便。

新型拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒接頭如圖 6 所示。它采用雙反邊并加長單反邊設(shè)計，以及新型密封材料制作，并采用拉鏈?zhǔn)铱焖龠B接接頭。相比于其他接頭方式，拉鏈?zhǔn)娇焖俳宇^風(fēng)筒具有許多優(yōu)勢：①風(fēng)阻低，比鋼圈連接方式百米風(fēng)阻降低 6% 以上；② 漏風(fēng)率低，比鋼圈連接方式漏風(fēng)率降低 20%～30%；③結(jié)構(gòu)簡單，連接效率高，連接用時短；④ 風(fēng)筒質(zhì)量減輕，鋼圈質(zhì)量減小，降低了工人勞動強度；⑤ 接頭牢固，滿足災(zāi)變應(yīng)急通風(fēng)要求；⑥ 承受風(fēng)壓高，滿足長距離大斷面掘進工作面需求。

圖6 新型拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)筒接頭Fig.6 New-type zipper-typed quick connecting air duct

3.2 數(shù)值模擬

為研究風(fēng)筒中風(fēng)流的流動形態(tài)，采用 ANSYS 軟件對風(fēng)流進行模擬，以便快速測量風(fēng)筒風(fēng)量。風(fēng)流在風(fēng)筒中流動速度和壓力變化相似，利用 ANSYS 軟件，建立一個長 100 m、直徑為 1 000 mm 的直風(fēng)筒，其斷面為圓形、面積為 0.282 6 m2，進口速度設(shè)定為 5 m/s。采用 RNGκ-ε雙方程湍流模型，根據(jù)數(shù)值模擬的需要，將模擬條件進行了一定的簡化并對流動風(fēng)流做一定的假設(shè)：①假設(shè)內(nèi)風(fēng)流為不可壓縮氣體；② 假設(shè)風(fēng)筒風(fēng)流內(nèi)無熱源，且不考慮周圍的熱輻射；③不考慮由于密度差而產(chǎn)生重力和浮升力的影響；④ 空氣流動為穩(wěn)態(tài)紊流，滿足 Boussinesq 假設(shè)。模擬結(jié)果如圖 7 所示。

圖7 風(fēng)筒壁面壓力分布Fig.7 Distribution of pressure on wall of air duct

由圖 7 可以看出，風(fēng)筒的風(fēng)壓隨風(fēng)筒長度的變化按規(guī)律遞減。所以風(fēng)筒在供風(fēng)時，風(fēng)機出口處風(fēng)筒壁面受壓最大，做好此處的防漏風(fēng)、防脫節(jié)工作對供風(fēng)的安全性有極其重要的意義。風(fēng)筒切面風(fēng)速等矢量圖如圖 8 所示。

由圖 8 可以看出，風(fēng)筒中風(fēng)流進入后在一定距離內(nèi)風(fēng)流做完全紊流流動，而后風(fēng)流又進入一段過渡期，此時，風(fēng)筒壁面風(fēng)速最小，風(fēng)筒截面圓心風(fēng)速最大，隨后壁面風(fēng)速和圓中心風(fēng)速差值縮小，最后進入穩(wěn)定流動的層流狀態(tài)，壁面風(fēng)速和圓中心風(fēng)速差值穩(wěn)定在一定值，即形成層流流動。在層流流動中，截面圓心點的最大風(fēng)速可達 6.04 m/s。筆者研究的就是處于穩(wěn)定層流流動時的風(fēng)速分布，從而可以快速測量整個風(fēng)筒內(nèi)的平均風(fēng)速。

圖8 風(fēng)筒切面風(fēng)速矢量圖Fig.8 Vector diagram of air speed on tangential planeof air duct

選取風(fēng)筒 50 m 處的切面作為研究對象，風(fēng)筒切面的風(fēng)速云圖和等值線如圖 9、10 所示。利用 CFDPOST 自帶的 Function 功能，計算風(fēng)筒截面的平均風(fēng)速，得出切面的平均風(fēng)速為 5.246 m/s。繪制出風(fēng)速為 5.246 m/s 的等值線，如圖 11 所示。

圖9 風(fēng)筒切面速度云圖Fig.9 Contours of air speed on tangential planeof air duct

圖10 風(fēng)筒風(fēng)速等值線Fig.10 Contours of air speed of air duct

圖11 風(fēng)速為 5.246 m/s 的等值線Fig.11 Contours of air speed on air speed being 5.246m/s

通過觀察截面的風(fēng)速等值線圖發(fā)現(xiàn)，只需要在風(fēng)速等值線圖上找到風(fēng)速為 5.246 m/s 的位置，就可以代表整個截面的平均風(fēng)速。為了驗證測點位置能夠代表風(fēng)筒的平均風(fēng)速，又多次改變風(fēng)筒進口風(fēng)速大小，多次模擬出風(fēng)筒出口風(fēng)速等值線圖。并進行風(fēng)速為 5、10、15、20 m/s 的模擬試驗，風(fēng)筒內(nèi) 50 m 處斷面的平均風(fēng)速分別為 10.47、15.68、20.88 m/s。計算出平均風(fēng)速測點位置如表 1 所列。通過分析可以得出 1 000 mm 風(fēng)筒內(nèi)平均風(fēng)速快速測量點為距離風(fēng)筒壁面 0.140 m 的位置。

表1 平均風(fēng)速快速測量位置Tab.1 Position of quick testing mean air speed

4 現(xiàn)場測試

在鄂爾多斯轉(zhuǎn)龍灣煤礦 23201 掘進工作面進行了風(fēng)筒內(nèi)通風(fēng)測試。首先對拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒進行性能測試，23201 回風(fēng)巷掘進工作面風(fēng)筒供風(fēng)距離 3 600 m，配備 2×45 kW 局部通風(fēng)機，拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒安裝在 2 472～2 772 m 處，現(xiàn)場測試風(fēng)筒內(nèi)動壓、靜壓、風(fēng)速、溫度等通風(fēng)參數(shù)，計算風(fēng)筒的百米風(fēng)阻和百米漏風(fēng)率，并與普通風(fēng)筒進行比較。該風(fēng)筒性能測試方案參考了 GB/T 15335—2019《風(fēng)筒漏風(fēng)率和風(fēng)阻的測定方法》相關(guān)規(guī)范。

由于風(fēng)筒 1 節(jié)長度為 10 m，每節(jié)風(fēng)筒都有編號，所以風(fēng)筒長度直觀明了。在實際現(xiàn)場測定過程中，在不影響正常生產(chǎn)的情況下，從局部通風(fēng)機處開始測定，每隔 200 m 設(shè) 1 個測點，直至掘進工作面位置?，F(xiàn)場測定如圖 12 所示。在測定過程中使用膠皮管將 JFY-4 礦用通風(fēng)多參數(shù)檢測儀與皮托管相連接，將皮托管垂直于風(fēng)流方向插入被測風(fēng)筒內(nèi)平均風(fēng)速的位置，直至通風(fēng)多參數(shù)檢測儀上面顯示的風(fēng)壓和風(fēng)速穩(wěn)定時，讀取并記錄通風(fēng)多參數(shù)檢測儀檢測的動壓、靜壓、風(fēng)速、溫度等通風(fēng)參數(shù)。依次測定至掘進工作面。

圖12 現(xiàn)場測定Fig.12 Field testing sketch

百米漏風(fēng)率

其中

式中：Δqm為風(fēng)筒漏風(fēng)量，m3/s；q出、q進分別為風(fēng)筒出、入口風(fēng)量，m3/s；k為風(fēng)筒漏風(fēng)率。

百米漏風(fēng)率的測量不少于 3 次，取其算術(shù)平均值，實測得k100=0.011 590。

百米風(fēng)阻值

其中

式中：RAB為風(fēng)筒風(fēng)阻，Ns2/m8；h為風(fēng)筒AB之間通風(fēng)阻力，Pa。

百米漏風(fēng)率的測量不少于 3 次，取其算術(shù)平均值，實測得R100＝1.901 383 614。

通過對 23201 回風(fēng)巷掘進工作面風(fēng)筒的通風(fēng)性能測試可知，風(fēng)筒風(fēng)量隨著風(fēng)筒長度有一定的遞減。風(fēng)筒風(fēng)量隨地點變化曲線如圖 13 所示。風(fēng)筒前 800 m的風(fēng)量減少的斜率比較小，到 800 m 以后，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)量下降比較快，百米漏風(fēng)率R100達到 1.901 383 614?？梢?23201 回風(fēng)巷掘進工作面現(xiàn)在所用的普通風(fēng)筒漏風(fēng)情況嚴(yán)重，特別是風(fēng)筒接口處，漏風(fēng)量大，給風(fēng)筒的日常管理帶來很大的維護工作量。在 2 472～2 772 m 處，安裝了 300 m 拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒。由圖 13 可知，在 2 472～2 772 m 處，風(fēng)筒風(fēng)量減少，斜率明顯比較平緩，漏風(fēng)量比較小。拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒接口處使用拉鏈快速連接，而且不易脫落，安裝維護方便，漏風(fēng)量小。拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒能有效減少風(fēng)筒的漏風(fēng)，若全段使用拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒則能改善23201 回風(fēng)巷掘進工作面風(fēng)量不足的問題。

圖13 風(fēng)筒風(fēng)量隨地點變化曲線Fig.13 Variation curve of air volume of air duct with length

5 結(jié)語

通過對我國現(xiàn)有的 6 種長距離通風(fēng)方法的工作原理和使用條件進行分析，選擇了與之配備的長距離供風(fēng)風(fēng)筒，并安裝了新型拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒，減少了長距離供風(fēng)的漏風(fēng)量。通過對風(fēng)筒內(nèi)的通風(fēng)狀態(tài)進行模擬，得到風(fēng)筒內(nèi)快速測風(fēng)的最佳測量點，并在轉(zhuǎn)龍灣煤礦 23201 工作面進行現(xiàn)場測試。測試結(jié)果顯示，拉鏈?zhǔn)娇焖龠B接風(fēng)筒明顯優(yōu)于普通風(fēng)筒，減少了風(fēng)筒漏風(fēng)，保障了轉(zhuǎn)龍灣煤礦掘進工作面的生產(chǎn)安全。