景瑞鋒

（中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司， 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著國家能源政策的調(diào)整，集約化新型高效、大型礦井建設速度加快，且伴隨著大型巷道掘進設備被普遍應用，礦井的生產(chǎn)工作面輔助巷的走向長度設計不斷延伸，斷面面積不斷擴大，以至于大斷面超長距離的巷道越來越多。這就給井工生產(chǎn)中的獨頭巷道通風帶來較大難題，例如，通風阻力過大，供風量受限，風機選型復雜等問題。針對超長距離巷道的通風問題，國內(nèi)學者和工程技術人員也有所研究。音勇在分析通風參數(shù)基礎上，選擇相應的風機和風筒，并利用風筒快速接頭技術和風機自動倒臺技術，實現(xiàn)了掘進工作面的長距離通風，保證了有效風量[1]。閆廣祥和常曉紅在計算風筒經(jīng)濟直徑和通風阻力的基礎上，對通風機進行了合理選型，實現(xiàn)了掘進巷道的長距離通風[2]。張云峰、夏同強等針對3 000 m 長度巷道通風不足問題，實驗了超大功率4×37 kW 通風技術，結(jié)果表明，采用超大功率通風機通風后，工作面有效風量提高了57.9%[3]。朱學賢、倪錦初等在計算隧洞工作面需風量基礎上，對風機和風筒進行了選型，實現(xiàn)了長距離隧洞的工作面安全供風[4]。高嵩和師澤軒在分析通風參數(shù)和通風管理工作面問題基礎上，合理選擇通風設備和技術，并優(yōu)化通風管理，滿足了工作面長距離通風的要求[5]。邢永強和馮俊超從通風方式、通風管理和通風技術等方面分析了長距離獨頭巷道通風現(xiàn)狀及各種通風技術的優(yōu)缺點，為超長距離巷道通風選擇合適的技術提供了重要參考[6]。

上述研究表明，實現(xiàn)大斷面長距離通風不但要合理選擇風機，而且要降低風阻、強化通風管理，并進行經(jīng)濟效益分析。超長掘進工作面通風是較復雜的綜合性問題，礦井應根據(jù)自身情況進行綜合設計，實施“一礦一策、一面一策”。本文在借鑒上述研究成果的基礎上，結(jié)合試驗礦井的通風基礎條件和超長距離巷道通風需求，試驗了大功率變頻風機、大直徑和柔性降阻通風技術，可為解決超長距離獨頭巷道通風提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

試驗礦井設計生產(chǎn)能力為300 萬t/a，開拓方式為立斜井雙水平上、下山開拓，礦井通風方式為對角式通風，通風方法為機械抽出式。主、副井進風，東風井、31 風井回風。開采方法采用偽傾斜走向長壁放頂煤一次采全厚采煤法，當前開采范圍在31 和21 采區(qū)。主采二1 煤層瓦斯賦存不穩(wěn)定，最大瓦斯含量為9.3 m3/t，屬于煤與瓦斯突出礦井，煤層自燃發(fā)火等級為Ⅳ級，屬于不易自燃，具有煤塵爆炸危險性。

31 采區(qū)位于礦井的西部為單翼采區(qū)，走向長度為1 800 m，布置6 個工作面，煤層賦存平均厚度為5.2 m，采用長臂后退式綜合機械化采煤，一次采全高，垮落法管理頂板。為了提高大型綜采支架的運輸效率，31 采區(qū)設計支架專用運輸巷（以下簡稱“支架專用巷”），設計施工長度為4 074 m，如圖1 所示。

圖1 31 采區(qū)支架專用巷布置

2 長距獨頭巷道通風系統(tǒng)設計

2.1 通風系統(tǒng)布置

31 采區(qū)支架專用巷采用壓入式局部風機供風，將風機布置在31 軌道下山巷道與支架專用巷道交匯處，在支架專用巷設置兩道風門，并在風門里側(cè)布置專用回風巷與31 回風下山巷聯(lián)通。工作面乏風由支架專用巷進入回風專用巷，并入31 回風下山，最后進入回風井。區(qū)支架專用巷通風系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 支架專用巷通風系統(tǒng)

2.2 支架專用巷需風量確定

支架專用巷為單巷獨頭掘進，巷道斷面面積為30 m2，掘進期間工作面配備15 人，采用2 臺功率為90 kW 的礦用防爆機車運輸?shù)V渣，巷道預測瓦斯涌出量為2.0 m3/min。按照煤巷掘進期間工作面最低風速（不小于0.25 m/s）和最低風量（根據(jù)斷面計算為490 m3/min）要求，經(jīng)過計算并進行綜合分析，支架專用巷的需風量應控制在580 m3/min 以上，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 支架專用巷需風量計算結(jié)果 單位：m3/min

2.3 柔性風筒風阻計算及局部通風機選型

獨頭巷道長距離通風中不可避免的就是風筒漏風和風筒對通風產(chǎn)生的阻力，選擇風筒和計算風阻是風機選型的關鍵參考。為了方便安裝、拆卸，降低通風成本，支架專用巷采用柔性風筒通風，為了降低風阻，在風筒拐角處采用鈍角通風。在長距離風筒通風時風阻主要有摩擦阻力和局部風阻兩部分組成，摩擦阻力大小主要受通風距離、風筒的摩擦系數(shù)和風筒的直徑有關。局部阻力大小與風筒接口數(shù)量、接口處通風阻力系數(shù)和通風的空氣密度相關，具體計算公式為：

式中：R1為風筒的摩擦風阻，N·s2/m8；α 為風筒的摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L為通風距離，m；U為風筒周長，m；S為風筒截面積，m2；R2為風筒的局部風阻，N·s2/m8；n為風筒接口的數(shù)量；ε 為風筒接口處局部風阻系數(shù)；ρ 為通風空氣密度，kg/m3。

根據(jù)現(xiàn)場情況，按通風最困難時期取值，參數(shù)取值見表2。計算可得，風阻R為35.89 N·s2/m8。

表2 通風風阻選取參數(shù)

風筒接頭選擇為雙方便對接類型，風筒的百米漏風率為0.6%，按照通風最困難時期，通風期間的風筒漏風率按公式（4）計算，風機供風量按公式（5）計算。

式中：η 為通風期間風筒漏風率；η100為風筒的百米漏風率；Q進為風機進風口的風量（風機供風量）；Q出為風筒出風口的風量（巷道的需風量），580 m3/min。經(jīng)計算，風筒漏風率為24.44%，進風量為768 m3/min。因此，選擇供風量為680～980 m3/min 型號為FBDYN07.5（2×55 kW）的局部風機作為支架專用巷的供風風機。該風機的工況參數(shù)如圖3 所示。

圖3 局部通風機工況參數(shù)

3 現(xiàn)場通風保障措施

3.1 變頻通風措施

由于通風距離隨著巷道掘進的延伸而逐漸增大，造成局部通風的風阻、漏風量等均逐漸增加，為了保證工作面有效風量的穩(wěn)定，風機的工作效率也需要根據(jù)通風距離的增加而增加。在風機電源輸入端設計并安設變頻控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測局部通風機工作參數(shù)，實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，使局部通風機始終處于最佳工況點。采用變頻控制系統(tǒng)，不但降低了通風機的耗能，而且確保了長距離工作面安全、穩(wěn)定通風。

3.2 柔性通風降漏措施

柔性風筒具有造價低廉、安裝和拆卸方便等諸多優(yōu)點，在礦井通風中被廣泛應用。支架專用巷采用雙邊柔性風筒，風筒直徑為1.2 m。風筒布連接處的針孔成為漏風的主要因素，為了降低風筒的漏風量，在風筒內(nèi)部對針孔采用風筒布粘貼覆蓋處理。并每班指派專人對風筒檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時上報并處理，確保風筒始終處于完好狀態(tài)。

3.3 工作面風量監(jiān)測措施

由于長距離局部通風難度大，容易出現(xiàn)意外情況，如通風壓力大、風筒破損和風機負荷高，往往導致工作面風量不足或停風事故。為了確保工作面通風安全，在風筒末端安設風速傳感器，并聯(lián)動報警裝置和礦井調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)上述情況會立刻啟動警報，并通知調(diào)度室。為了確保通風機工作的穩(wěn)定，每班指派專人對風機進行維護，風機實現(xiàn)“三專兩閉鎖”。

3.4 工作面應急救援措施

工作面配備逃生系統(tǒng)和壓風自救系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)均按照工作面最大工作人數(shù)設計。當工作面警報響起，當班班組長啟動逃生系統(tǒng)，所有人員乘坐無軌膠輪車進行撤離，按照行駛最遠距離10 min 內(nèi)撤離至31 軌道下山車場。當無法啟動逃生系統(tǒng)或逃生系統(tǒng)執(zhí)行過程中受阻時，立即啟動壓風自救系統(tǒng)，每組壓風自救系統(tǒng)均能滿足工作面最大人數(shù)使用，組間距為50 m。

4 通風效果

經(jīng)過對支架專用巷道掘進通風期間的長期跟蹤監(jiān)測，并統(tǒng)計了不同通風時期的通風參數(shù)。在采取上述各項技術措施后，確保了超長距離巷道通風的穩(wěn)定，工作面風量穩(wěn)定在580～614 m3/min 之間，工作面風速在0.32～0.34 m/s，充分發(fā)揮了通風機的效率，特別是在通風困難時期，風筒末端出風量保持在584 m3/min，工作面風速為0.32 m/s，可滿足巷道掘進需要。具體巷道通風參數(shù)監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 巷道通風參數(shù)

5 結(jié)論

1）31 采區(qū)支架專用巷掘進長度為4 047 m，通過計算工作面瓦斯涌出量和用風量，綜合確定工作面用風量為580 m3/min。在考慮超長距離巷道風筒漏風情況，選擇型號為FBDYNo7.5 的大功率風機，并采用柔性大直徑風筒通風供風和變頻通風技術，使工作面風量穩(wěn)定在592 m3/min 左右，風速穩(wěn)定在0.33 m/s 左右，充分保障了工作面良好的工作環(huán)境。

2）煤巷掘進巷道超長距離通風中，系統(tǒng)復雜且薄弱，通風機的選型應綜合考慮多種因素，并采取風筒降阻措施以及綜合性的保障措施，才能確保通風系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。安全防護及救援措施是確保通風安全的重要組成部分，做好通風系統(tǒng)維護的同時，也應加強安全防護措施。