煤矿掘进工作面长距离通风应用研究

高 嵩，师泽轩

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 晋城 048000）

0 引言

随着煤矿开采技术发展，对提高井下掘进巷道通风效率提出更高的要求，尤其是长距离工作面，对于工作面推进长度及速度都有了更高的标准[1-2]，然而，独头掘进长距离通风方式易形成涡流现象，造成粉尘和瓦斯的积聚，增大风流阻力，降低通风效率，与新型通风工艺革新理念不符。针对上述问题，国内外众多学者通过大量实验研究[3-4]，为提升通风效率设计出多种解决方案，如并联风筒、串联风机、变换风筒安装位置等，虽然取得一定效果，不过对于新型通风工艺要求标准仍有不少差距。因此，以伯方煤矿3303掘进工作面长距离通风通风问题为例，在工作面通风参数分析基础上，选择合理风筒、风机及其接头和转换器等技术，并结合日常制度管理及完善措施，保证长距离工作面通风的有效风量，保证供风安全牢靠。

1 工程概况

伯方煤矿3303工作面设计走向长5 142 m，倾斜长256 m，主采3号煤层，煤层平均倾角约5°，平均厚度约2.4 m，平均埋深约326 m，储量298万t。依据初期设计工序，3303运输巷和切眼施工后，实施回风反掘施工，施工段断面为15 m2，掘进通风距离最长可达6 150 m。2台FDB-NO6.3/2×30型对旋式局部通风机（1备1用），供风量400～630 m3/min，功率30 kW（双级），风筒直径为1 000 mm的胶质阻燃抗静电风筒。在3303工作面运输巷掘进过程中，随掘进长度的增加，出现风筒维护困难、迎头风量较小，甚至有回风流风速低于0.25 m/s的微风情况出现，回风流瓦斯浓度长期处于0.5 %左右，有瓦斯超限风险。此外，因风量较小带来的巷道内温度偏高、O2浓度偏低等问题也造成了作业环境较差。因此，急需对该巷通风系统设备进行改造，以解决该巷现有通风设施不满足长距离供风的问题。

2 工作面通风参数

2.1 长距离工作面通风中主要问题

1）工作面风量不足。造成工作面风量不足的原因主要有：①长距离供风存在风阻较大；②日常维护工程量大，加上风筒质量较差，存在维护不到位情况，风筒吊挂不平直等原因，局部风筒存在破口未及时粘补导致的漏风，使得有效风量大大减少；③风筒规格选择不符合现场技术要求，风筒直径偏小，也是导致风阻过大的另一主要原因；④风机选型无法满足风量、风压、风速等参数要求。

2）产生循环风流。局部通风机通风效果差，无法满足工作面污风清洗工艺要求，造成工作面瓦斯积聚、粉尘飞扬，超过安全界限范围值，造成作业场所环境恶劣，不仅影响作业人员身体健康，还将严重影响生产效率。

因此，为满足3303掘进工作面通风技术要求，对风筒及风机参数进行调整，选择符合工艺要求的设备，完善日常管理制度，在合理经济保障的前提下，保证通风质量，提高通风效率。

2.2 独头通风需风量

独头通风工作面需风量计算方式如下：

1）按工作面工作人数最多时刻计算。

式中：Qhf为独头通风工作面需风量，m3/min；Nhf为工作面最多人数，一般取16。因此按人数最多时，需风量应不小于64 m3/min。

2）按独头通风工作面瓦斯涌出量计算。

式中：Qhf为独头通风工作面需风量，m3/min；qhg为瓦斯最大涌出量，依据现场调查结果，取1.26 m3/min；khg为瓦斯涌出不均衡风量修正系数，取1.5。依据上式可得，需风量应为189 m3/min。

3）按CO2涌出量计算。

式中：Qhf为独头通风工作面需风量，m3/min；qhc为独头通风工作面回风巷CO2平均绝对涌出量，取0.42 m3/min；khc为CO2涌出量备用系数，取1.5。依据上式可得，需风量应为42 m3/min。

4）按照《煤矿安全规程》规定煤巷风速应在0.25～4 m/s范围内，风速核算如下。

式中：Qhf为掘进工作面需风量，m3/min；S为独头掘进工作面断面积，取15 m2。依据上式可得，需风量应为225～3 600 m3/min。

5）按照矿用机械设备中柴油机车产生尾气应稀释至安全程度范围，风量计算如下。

式中：Qc为掘进巷道矿用机械设备中柴油机车产生尾气应稀释安全程度范围需风量，m3/min；N为掘进工作面最大柴油机车使用数，一般取1台；P为掘进工作面柴油机车运行功率，取26 kW；K为配风系数，取1.0。依据上式可得，需风量应为104 m3/min。

通过上述分析，对比各工序对于风量的需求，确定独头通风工作面需风量为189 m3/min，当柴油机车运行时，应增配104 m3/min风量，最终3303切眼及回风反掘工作面需风量应满足293 m3/min，即该风量为满足3303掘进工作面长距离供风的最低风量，但最高风量不得超过3 600 m3/min。

2.3 风筒选型

根据3303工作面切眼及回风巷反掘段掘进工作面对于有效风量需求，选用φ1 200 mm抗静电、阻燃胶质风筒供风。该风筒有效风量率：

式中：P1为风筒有效风量率，%；L为风筒供风长度，最大取6 600 m；P100为风筒百米漏风率，依据表1可知，取0.9%。因此有效风量率为41%。

表1 风筒百米漏风率表

2.4 局部通风机选型

依据上述对工作面需风量计算分析可确定局部通风机工作风量及风压，其计算如下[5-6]：

1）局部通风机吸风量计算：

式中：Qf为独头通风工作面局部通风机吸风量，m3/min；Qhf为独头通风掘进工作面需风量，取293 m3/min；P1为风筒有效风量率，取41%。因此有效风量为714.63 m3/min。

2）安装局部通风机处为全负压供风量计算：

式中：Qf1为安装局部通风机处为全负压供风量，m3/min；∑Qf2为实际局部通风机吸风量，m3/min；Vf为安装局部通风机处最小风速，取0.25 m/s；Sf为安装局部通风机处最小断面面积，m2。因此装局部通风机处为全负压供风量为1 078 m3/min。

3）风筒风阻计算。风筒阻力主要包括以下2种：

①摩擦阻力：

式中：Rf为风筒摩擦阻力，N·s2/m8；α为风筒摩擦阻力系数，从表2可知，取0.002 6 kg，s2/m4；L为实际局部通风最长距离，取6 145 m；D为风筒直径，取1.2 m。由上式可知摩擦阻力为41.74 N·s2/m8。

②局部阻力。接头局部阻力：

式中：RJ为风筒局部接头阻力，N·s2/m8；n为风筒间接头个数，取615；ξ为风筒局部接头阻力系数，从表2可知，取0.09 kg·s2/m4；γ为风筒内气体比重，取1.2 kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；S为风筒断面积，取1.13 m2。由上式可知风筒接头局部阻力为3 N·s2/m8。

表2 胶质风筒选用范围参考表

拐弯局部阻力：

式中：RW为风筒局部拐弯阻力，N·s2/m8；n为弯头个数，取2；ξ为胶质风筒局部拐弯阻力系数，从表3可知，取1.25 kg·s2/m4；γ为风筒内气体比重，取1.2 kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；S为风筒断面积，取1.13 m2。由上式可知风筒拐弯局部阻力为0.135 N·s2/m8。

表3 胶质风筒拐弯局部阻力系数参考表

出口局部阻力：

式中：RC为风筒局部出口阻力，N·s2/m8；γ为风筒内气体比重，取1.2 kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；D为风筒直径，取1.2 m。由上式可知风筒局部出口阻力为0.048 3 N·s2/m8。

风筒总阻力：

式中：RZ为风筒总阻力，N·s2/m8；Rf为风筒摩擦阻力，N·s2/m8；RJ为风筒局部接头阻力，N·s2/m8；RW为风筒局部拐弯阻力，N·s2/m8；RC为风筒局部出口阻力，N·s2/m8。由上式可知风筒总阻力为44.92N·s2/m8。

4）局部通风机工作风压计算：

式中：HJQ为局部通风机工作风压，Pa；RZ为局部通风机总风阻，N·s2/m8；Qf为局部通风机吸风量，m3/min。因此局部通风机工作风压为6 379 Pa。

通过以上对通风技术参数的核算，对比各局部通风机参数，最终确定选用FDB NO8.0/2*55kW对旋轴流局部通风机。该风机供风量为500～950 m3/min，功率为55 kW，该风机供风量能满足3303运输巷、切巷及回风巷反掘的长距离供风要求。

3 工程实践应用

3.1 风筒漏风应用

在风筒连接处布置材质为PVG风筒快速接头软带，如图1所示，该软带具有使风筒间连接更为紧密、方便拆卸、强度较高、质量轻等优点，可以有效预防风筒连接处漏风，保证有效风量满足通风技术要求。另外，风机在切换时易导致风筒被巷道顶板锚索、铁丝、钢筋网等尖锐异物扎破，为保障风筒安全，必须及时清理与风筒接触的尖锐物，不能清理的如锚索露头、钢筋网等与风筒相接处可布置塑料水瓶、皮带等使其间隔开，而对于已有破口处，应及时将其吊至缝合处采取粘补风筒或更换处理。

图1 风筒快速接头软带图

3.2 风筒减阻措施

为减少风筒的摩擦风阻，将φ1 000 mm风筒替换为φ1 200 mm风筒，风筒间使用异径转换器相连，不仅可以降低风筒内风流速度，还使风筒具有更优抗静电、阻燃作用。另外，采用φ9.3 mm钢丝绳逢环吊挂，滑兰螺丝辅以固定在巷道顶板，保证风筒实现“两靠一直”，进一步提高风筒安装质量。此外，必须保证风筒吊挂平直，随巷道起伏，合理弯曲风筒与巷道弯曲相同，风筒无破口，转弯巷道要使用硬质风筒，不准拐死弯，以减少风筒不平直增加风阻现象。

4 长距离通风管理措施

1）优化工作班制安排，最大限度对风筒各接头及风机处进行轮流巡回检查，使漏风问题在第一时间被发现并及时上报处理，保证风筒通风质量，确保瓦斯和煤尘在限定范围内。

2）风筒必须吊挂平直，逢环必吊，迎头风筒不落地，随巷道起伏，合理弯曲风筒与巷道弯曲相同。风筒接头必须双反压边，接头平缓，不花接，严密不漏风，风筒无破口，转弯巷道要使用硬质风筒，不准拐死弯，以减少风筒不平直增加风阻现象。

3）局部通风机供电必须实行“双风机、双电源”和“专用变压器、专用开关、专用电缆”，必须与其供风巷道内的电气设备实行风电闭锁，由通风队负责每天派人对风机自动倒台进行专项检查，保证风机持续可靠运行，杜绝无计划停风。

4）局部通风机设备必须齐全完好，吸风口有风罩和整流器，高压部位有衬垫，不漏风。局部通风机及开关必须安设在顶板完好、无淋水的进风巷道；局部通风机进风口5 m内不得有杂物或影响局部通风机通风的其它物品，严禁发生循环风。

5）风筒末端距掘进工作面迎头不得大于5 m，保证迎头供风量满足生产需要。

6）对长距离供风的风筒吊挂环境进行全巷检查，对接触风筒的铁丝、锚索头、锚杆、钢筋网等尖锐物及时清理，防止刮破风筒引起漏风。

5 效果分析

通过3303运输巷掘进工作面通风系统根据巷道通风需求进行技术改造后，现场实测证明，巷道内供风量得到大幅提升，回风流风速由原0.25 m/s提高到了1.2 m/s，巷道内O2浓度也得到了明显升高，回风流瓦斯浓度由0.5 %降至0.1 %以下，消除瓦斯积聚超限造成的危害，同时，掘进工作面及回风流温度因风速增高而降低，作业环境得到明显改善，满足了该巷长距离通风要求，实现了安全、高效生产。

6 结论

1）针对3303运输巷、切巷以及反掘回风巷需解决的长距离通风问题，根据掘进工作面技术要求，分析工作面通风参数，对掘进工作面需风量进行核算，依据核算结果选择最优风筒及风机型号，解决长距离通风的硬件需求。

2）通过在长距离掘进工作面实施选择大直径风筒、安装软带材质风筒接头、异径风筒转换器等通风设施，有助于满足长距离供风掘进工作面的通风需求。

3）加强通风管理，在保证风机正常运转的基础上，加强对风筒的日常维护管理，确保风筒吊挂平直，及时处理锚索露头、铁丝等导致风筒相接处漏风的异物，以及完善日常检查管理制度，以大幅度降低风筒风阻，减少风筒漏风，保证通风质量，杜绝瓦斯超限，改善作业环境，保证工作面安全、高效生产。