桑建江

（山西澤州天泰坤達(dá)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(zhǎng)距離掘進(jìn)工作，所以初步設(shè)計(jì)的巷道掘進(jìn)距離達(dá)到4 900 m，掘進(jìn)寬度及高度分別為5.8、6 m，所以需要對(duì)其中的運(yùn)輸巷通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)，尤其是其中的瓦斯和粉塵的濃度必須設(shè)計(jì)科學(xué)合理。這對(duì)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(shì)，南高北低是其特征構(gòu)造，煤量豐富，具有較為簡(jiǎn)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(dá)到500 萬t/a，現(xiàn)生產(chǎn)針對(duì)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(jìn)行。煤層原始瓦斯含量分別為2.8、2.3 m3/t。

在整個(gè)煤區(qū)存在8 個(gè)綜采工作面，其中正常開采的有5 個(gè)，且所有的綜采面都是圍繞2#煤層進(jìn)行的，整個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤層均厚達(dá)到5.6 m，所以設(shè)計(jì)采用大采高的綜采工藝進(jìn)行具體采掘工作。在進(jìn)行大采高進(jìn)行作業(yè)時(shí)，巷道采用MB670 掘錨機(jī)掘進(jìn)，斷面為矩形，配套設(shè)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(yùn)輸巷來承擔(dān)艱巨的運(yùn)輸工作，專用運(yùn)輸巷布置方案，如圖1所示。

圖1 專用運(yùn)輸巷布置示意

2 長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道通風(fēng)分析

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)布置

目前傳統(tǒng)的通風(fēng)方式大致分為以下大類：第一類，局部通風(fēng)機(jī)串聯(lián)或并聯(lián)通風(fēng)，這樣的設(shè)計(jì)減少了風(fēng)筒由于風(fēng)壓作用產(chǎn)生破裂概率，漏風(fēng)率也隨之降低;第二類，風(fēng)機(jī)+長(zhǎng)距離柔性風(fēng)筒方式，設(shè)計(jì)中需要大于2×30 kW 功率的風(fēng)機(jī)，配套使用的風(fēng)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(fēng)庫和全負(fù)壓通風(fēng)向掘進(jìn)迎頭供風(fēng)[3]。

某礦在對(duì)上述三類通風(fēng)方式特點(diǎn)進(jìn)行分析后，充分考慮煤礦工作面特殊地質(zhì)需求，設(shè)計(jì)大功率局部通風(fēng)機(jī)+大直徑柔性風(fēng)筒對(duì)掘進(jìn)供風(fēng)的方式進(jìn)行通風(fēng)，針對(duì)長(zhǎng)距離掘進(jìn)巷道通風(fēng)通常會(huì)遇到的問題進(jìn)行科學(xué)分析設(shè)計(jì)。

通風(fēng)巷道借助專用運(yùn)輸巷，應(yīng)用壓人式通風(fēng)方式，在運(yùn)輸大巷開口位置設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)，具體巷道通風(fēng)系統(tǒng)，如圖2 所示。詳細(xì)的巷道掘進(jìn)迎頭風(fēng)流動(dòng)路線:專用運(yùn)輸巷-3201 輔助回風(fēng)巷-三盤區(qū)回風(fēng)巷-南翼回風(fēng)大巷-回風(fēng)井[4-5]。

圖2 巷道通風(fēng)路線圖

2.2 掘進(jìn)巷道需風(fēng)量確定

前期的運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)，一整個(gè)班組的作業(yè)人員涉及到45 人，工作面作業(yè)期間會(huì)伴隨有濃度為0.17 m3/min的瓦斯涌出，進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，通過2 臺(tái)45 kW 的防爆柴油機(jī)車完成。綜合上述的數(shù)據(jù)，可以完成專用運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間具體的需風(fēng)量模擬分析，得到如表1 具體計(jì)算結(jié)果。遵從國(guó)家相關(guān)的技術(shù)要求，0.25 m/s 是煤巷掘進(jìn)時(shí)工作面最低風(fēng)速紅線,根據(jù)5.8、6.0 m 的專用運(yùn)輸巷寬、巷高數(shù)據(jù)，運(yùn)算得到Qmin=522 m3/min 的最低通風(fēng)風(fēng)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(fēng)量Q出設(shè)計(jì)最低值[6]。

表1 掘進(jìn)巷道風(fēng)量計(jì)算結(jié)果 單位：m3/min

2.3 柔性風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算及局部通風(fēng)機(jī)選型

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

式中：R1、R2為風(fēng)筒摩擦風(fēng)阻及局部風(fēng)阻，N·S2/m8；α為柔性風(fēng)筒摩擦系數(shù)，N·S2/m8；L 為柔性風(fēng)筒長(zhǎng)度，m；U 為風(fēng)筒外徑周長(zhǎng)，m；S 為柔性風(fēng)筒斷面積，m2；n為風(fēng)筒接口數(shù)；ε 為柔性風(fēng)筒接口處局部通風(fēng)阻力系數(shù)；ρ 為通風(fēng)空氣密度，kg/m3。

由以上數(shù)據(jù)和實(shí)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(fēng)使用的柔性風(fēng)筒接頭類型為雙方便對(duì)接，風(fēng)筒百米漏風(fēng)率η100=0.6%，風(fēng)筒鋪設(shè)總長(zhǎng)度L=5 430 m，則通風(fēng)期間風(fēng)筒漏風(fēng)率刀計(jì)算公式（4）為[10]：

計(jì)算得η=32.58%.局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)量Q進(jìn)=Q出/（1-η）=816 m3/min。根據(jù)巷道供風(fēng)需要，選擇局部通風(fēng)機(jī)為FBDYN07.5（2×55 kW），該風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為680～980 m3/min，供風(fēng)風(fēng)壓為1 400～6500 Pa。具體該局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)及運(yùn)行參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)及運(yùn)行參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

進(jìn)行掘進(jìn)工作之初，顯示控制設(shè)備的變頻電流是26.6 Hz，保持局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量和風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量分別是630、622 m3/min，將掘進(jìn)迎頭風(fēng)速控制在0.28 m/s左右，在規(guī)定的掘進(jìn)施工范圍內(nèi)。當(dāng)掘進(jìn)至5 450 處，控制的局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量和風(fēng)筒出風(fēng)量分別為825、555 m3/min 左右，計(jì)算得到風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率剛好為設(shè)計(jì)最理想的0.6%，滿足所處位置的迎頭供風(fēng)量的設(shè)計(jì)范圍。具體巷道通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，如表2 所示。

表2 巷道通風(fēng)參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)目前某煤礦超長(zhǎng)距離通風(fēng)遇上的風(fēng)量不足，瓦斯和粉塵等排出不達(dá)標(biāo)等問題，確定了通風(fēng)方式，對(duì)專用運(yùn)輸通道環(huán)境特殊情況進(jìn)行需風(fēng)量計(jì)算，以需風(fēng)量和通風(fēng)方式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出此巷道結(jié)構(gòu)的設(shè)備和具體的工藝參數(shù)。并對(duì)設(shè)計(jì)的通風(fēng)方案進(jìn)行實(shí)際的工作面驗(yàn)證，最終的結(jié)果數(shù)據(jù)表明：

1）針對(duì)某礦5 430 m 的專用運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作，設(shè)計(jì)的采用大功率局部通風(fēng)機(jī)+配合柔性風(fēng)筒供風(fēng)方案時(shí)科學(xué)可行的。能夠滿足掘金初始和末尾的整個(gè)通風(fēng)需求，且表現(xiàn)很穩(wěn)定，還降低能耗。

2）設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)在漏風(fēng)率、粉塵濃度和電機(jī)工作方面都表現(xiàn)優(yōu)異。能夠?qū)?shí)際漏風(fēng)率控制在0.6%，與理想狀態(tài)極度接近，同時(shí)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(jī)能夠在初期減少轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，降低能耗，為某礦經(jīng)營(yíng)減少很大一部分生產(chǎn)成本。