反风技术在立井冬季施工中的应用

李斯昊

(中煤平朔集团有限公司)

井工三矿位于平朔矿区西北部，井田面积为18 km2,矿井设计生产能力为600万t/a，后经改造升级核定生产能力1 000万t/a，采用中央并列式通风。井下采掘生产由一采区逐步向二采区东翼过渡。二采区投产后矿井通风系统将由目前的中央并列式改为中央分列式，即在二采区施工回风立井。回风立井深251 m，净直径为7 m。采用C25标号钢筋混凝土支护，厚800 mm。截止10月份，立井完成φ1.4 m反井钻施工及上口113.5 m的刷扩、浇筑，剩余137.5 m。井工三矿所在地为典型大陆性气候，每年9月下旬始至次年4月为霜冻期，据气象资料显示，绝对最低温度为-27.4 ℃。由于温度和气候因素，给施工造成很大影响。

1 冬季施工难点

(1)对材料的影响。水泥的水化作用受到阻碍，游离水开始结冰，严重影响混凝土的强度和耐久性；钢筋的韧性、伸长率大幅度降低，容易发生冷脆现象；树脂锚固剂凝固时间变长，降低抗拉强度，影响施工质量。

(2)对设备的影响。液压油、齿轮油浓稠度增加，液压站输油不畅，齿轮箱启动缓慢，增加电机负荷[1-3]；溜槽工作不正常,溜灰管易冻结堵管，电缆脆弱易老化等。

(3)对人员的影响。施工人员身体热损失增加，身体麻木，不灵活，长时间容易发生冻伤，当皮肤与冷金属接触时，易发生粘皮伤害。

(4)对安全的影响。冬季天气寒冷，气候干燥，且人员注意力不集中，情绪不稳定，是各类事故的多发季节。

2 方案提出

根据《煤矿安全规程》第一百三十七条规定[1]，进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在 2 ℃以上。如果立井要在冬季施工，必须采取防冻措施。目前常用的井筒防冻技术主要有空气加热器预热与空气地温预热等空气预热方法[4-5]。空气加热器预热法需要在立井上口安装空气加热装置；空气地温预热方法需要井下有空气加热的巷道。

根据井下观测数据，冬季井下平均温度为13 ℃，如果能充分利用井下空气热能，提升井筒内温度，将达到降低投资，减少能源消耗，施工快，缩短工期的目的。

通过安装局部通风机、构筑通风设施，在回风井底建立增压气室，将井底热空气压入回风立井中，改变回风立井风流方向，从而达到增加回风立井温度的目的。

3 参数确定

3.1 需风量

根据排除炮烟、工作面人数、瓦斯涌出量、最低风速等诸多因素分别计算需风量，取其中最大值。

(1)按井筒工作面同时工作的最多人数计算：

Qr=4N,

(1)

式中，N为井筒工作面最多人数，取10人。

计算得出Qr=40 m3/min。

(2)按压入式通风方式计算：

(2)

式中，A为同时爆破的炸药量，根据扩刷作业规程，取180.4 kg;S为掘进巷道的净断面积，38.5 m2；L为从工作面井口最大距离，取250 m；t为掘进巷道的通风时间，取60 min。

计算得出Qy=332 m3/min。

(3)按瓦斯绝对涌出量计算：

Qhf=125qK,

(3)

式中,q为掘进工作面的瓦斯绝对涌出量，取0.04 m3/min；k为掘进工作面瓦斯涌出不均衡系数，炮掘取2.0。

计算得出Qhf=10 m3/min。

(4)按最低风速验计算：

Q≥60×0.15S，

(4)

式中，S为掘进巷道的净断面积，38.5 m2。

计算得出Q=346.5 m3/min。

根据以上计算结果，取其中最大值，即核定井筒施工所需风量为350 m3/min。

3.2 风 压

由于井筒断面较大，产生的摩擦阻力很小，忽略不计，仅考虑自然风压产生压力，按照最冷气温下进行计算：

Hz=(ρk-ρd)g(hk-hd) ,

(5)

式中,ρk为井口空气平均密度，kg/m3；ρd为井底空气平均密度，kg/m3；hk为井口标高，m；hd为井底标高，m；g为重力加速度，m/s2。

计算得出风压Hz= 857 Pa。

3.3 风机选型

根据风量、风压计算结果，选择FBD-№7.0/2×37 kW的轴流式局部通风机，该局部通风机的额定风量为300～780 m3/min，压力为600～6 400 Pa，满足井底反风需要。

4 实施方案

4.1 井下增压气室建立

增压气室是实现立井反风、增加立井温度的关键，具体实施步骤如下：

(1)9煤回风通道二内建立一道500 mm厚的防爆密闭墙。

(2)9煤回风通道一内2道3 m×4.2 m调节风门改为2道3 m×2.3 m的单扇风门，风门旁边留设泄压门及穿墙风筒孔。

(3)9煤东翼回风大巷内构筑2道3 m×2.3 m单扇风门，以降低通风压力。

(4)9煤回风通道一风门外口处安设2台局部通风机，用于向回风立井供风。

(5)立井封口盘与地面的接缝处用砂浆抹严，用保温材料及棉被包裹封口盘及吊罐门，加强分口盘的保温。

4.2 系统调整顺序

当地面环境最低温度降至2 ℃时，开启反风系统，按冬季施工进行管理。关闭9煤回风通道一内风门→关闭东翼回风大巷内风门→打开东翼主辅六联巷风门→封堵9煤回风通道二内防爆墙处卸压孔→关闭强排硐室联巷调节窗→开启9煤回风通道一风门处局部通风机。

调整后的通风路线为副斜井、主斜井→西翼辅运、主运大巷、管子道→南翼辅运、主运大巷→东翼辅运、主运大巷→东翼辅运大巷→9煤东翼主辅六联巷→东翼回风大巷→局部通风机→9煤回风通道一→回风立井→地面。回风立井通风系统调整见图1。

图1 回风立井通风系统调整示意

4.3 注意事项

(1)局部通风机功率要满足要求，井下增压气室的通风设施漏风量尽量小，保证气室压力，克服自然风压。

(2)必须在二采区回风大巷构筑通风设施，保证局部通风机前有足够风量。

(3)开启局部通风机后，全面测定并调控东翼末端、回风立井风量温度等参数。

(4)爆破完待炮烟吹散1 h后，检查立井内通风、有害气体等情况，确定无危险后，方可进入。

5 应用效果

在0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃时，分别开启局部通风机的一级、两级测定立井风量及出口温度，结果见表1。

表1 不同温度下立井风量及出口温度测定结果

由表1分析，开启一级风机时，在地面温度-5 ℃以上的情况下，风量、温度均满足要求；开启两级风机时，能满足室外最低温度时立井施工需要。

6 结 论

(1)通过井下建立增压气室，改变立井风流方向，使得井筒在冬季施工不结冰。

(2)根据外界温度变化情况，开启局部通风机的一级或两级，在保证出口温度、风量的前提下，达到了节能的目的。

(3)对于冬季井筒施工存在结冰情况的矿山，尽可能避免采用耗能高、操作复杂的方法，可尽量利用矿山自身条件，将井下热能转换利用。