同忻煤矿主斜井通风设计

杨建生

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 工程概况

同忻矿井建设项目位于大同市，大同煤田北东部，行政隶属大同市南郊区。主斜井井筒长度4 563.9 m，倾角5°08′00″，其中前280 m表土段采用爆法开挖，后4 284 m的岩洞段采用TBM开挖，开挖直径4.82 m，永久支护采用锚喷支护，成型洞径4.58 m。

2 通风标准选择

通风、散烟及除尘的目的是为了创造满足卫生标准的洞内工作环境，特别是在长洞的施工中更为重要。根据水利水电工程施工手册要求，洞内空气卫生标准见表1。

表1 洞内空气卫生标准表

另外，要求洞内的气温不能超过28℃，并且洞内的风速也需满足表2的规定。

表2 洞内温度与风速的关系表

3 通风量计算

通风量的计算可根据下列几种情况分别计算，并应根据通风方式和长度考虑漏风增加值，漏风系数一般取1.2～1.5。

3.1 通风量计算标准

（1）施工人员所需的通风量

式中：Q—通风量，m3/min；

m—同时在洞内工作的最多人数，人；

q—每人所需的通风量，取3 m3/min。

（2）冲淡有害气体的通风量

式中：A—工作面上同时爆破的最大炸药量，kg；

B—每千克炸药产生的一氧化碳气体量，按40L计算；

0.02 %—爆破后连续通风使一氧化碳浓度降至0.02%时，即可进入工作面工作；

t—通风时间，可采用20min。

此外，在开挖过程中若有其他有害气体时，应保证将其冲淡至表1的规定值。

（3）洞内使用柴油机械施工时，按每千瓦耗风量4 m3/min计算，并与同时工作人员所需风量相加计算。

（4）洞内降温所需的风量。

洞内降温主要为电器设备冷却用风量，根据隧道施工的经验数据，每1000 kVA用风量150 m3/min。

3.2 主斜井需风量计算：

（1）按平均每人供3 m3/min的空气量，隧洞掘进机TBM掘进施工时，进洞最多人数40人，则施工人员所需风量为：

式中：Q1—TBM掘进施工时洞内工作人员需风量，m3/s。

（2）洞内最小风速所需风量为：

式中：Q2—满足洞内最低风速要求时的需风量，m3/s；

V2—最低风速，取0.15 m/s；

S—隧洞断面面积（按锚喷后成型断面考虑）。

（3）洞内排尘时，所需风量为：

式中：V3—洞内排尘风速，取0.4 m/s；

Q3—满足洞内排尘要求时的需风量，m3/s。

（4）洞内降温（主要是电器设备冷却）所需的风量：

本工程TBM施工洞内设备用电总功率约为2000kW

引入公式：S=P/cosΦ

式中：S—视在功率，kVA；

P—有功功率，kW；

cosΦ—功率因数，取为0.8。

则电器设备冷却用风量为

式中：Q4—洞内降温所需风量，m3/s。

（5）洞内使用柴油机械施工用风量：

洞内使用的柴油机械包括1台206kW的柴油发电机和2台17kW的防爆柴油牵引车，柴油发电机与防爆柴油牵引车不同时使用，且使用柴油发电机时TBM停止掘进施工，洞内作业的最多人数按10人考虑。

则TBM掘进时柴油机械的需风量

式中：Q5—TBM掘进时柴油机的需风量，m3/s。

使用柴油发电机时的需风量

式中：Q6—TBM断电停止掘进时使用柴油发电机时的需风量，m3/s。

此时洞内作业人员的需风量

式中：Q7—TBM断电停止掘进时洞内作业人员的需风量，m3/s。

因TBM掘进时柴油机的需风量Q5小于电器设备冷却用风量Q4，且满足洞内最低风速和排尘风速要求，故仅考虑TBM掘进时电器设备冷却用风量Q4与工作人员需风量Q1和TBM断电时使用柴油发电机的用风量Q6与使用柴油发电机时工作人员的需风量Q7两种组合情况。

情况一：Q1+Q4=2+6.25=8.25 m3/s

情况二：Q6+Q7=13.73+0.5=14.23 m3/s

依上计算，主斜井施工洞内所需风量为14.23 m3/s

主斜井施工总长度4 564 m，TBM掘进机含后配套总长178 m，TBM掘进机上自带局部通风系统，考虑洞外风机安装位置距洞口20 m，则洞外风机的通风长度4564-178+20=4406 m。

（6）实测数据表明，对于直径1 m以上的优质风筒，其百米漏风率不会大于1%（有风筒厂家为0.44%），我们按1%计算，当TBM掘进至4 564 m时，要求风筒的出口风量Q大于14.23 m3/s时，风筒进口应该供给的风量为

式中：Q进—风筒进口需风量，m3/s；

Q出—风筒出口需风量，m3/s；

L—通风长度，m。

因此，主斜井施工过程中通风机应供给的通风量为0～22.16 m3/s

4 风筒阻力计算

引入计算公式摩擦阻力定律，

式中H—摩擦阻力，Pa；

R—摩擦风阻，Ns2/m8；

Q—管道内的风流量，取进出口的流量的几何平均值，m3/s。

摩擦风阻定律：

式中：α—摩擦阻力系数，Ns2/m4，对于圆形柔性塑胶风管，管内压力大于2 000 Pa时，可取值0.003～0.0035 Ns2/m4；

L—风筒长度，m；

U—风筒周长，m；

S—风筒截面积，m2。

具体计算结果见表3

表3 主斜井风筒阻力计算表（主电源断电）

以上计算结果为TBM主电源断电时的计算结果，实际上一般不会发生此种情况，且柴油发电机的工作时间比较短，如按此种情况配置通风设施，会造成通风设施浪费巨大，故按TBM掘进时出口风量8.25 m3/s进行考虑，此时对应进口风量为12.85 m3，计算结果见表4。

表4 主斜井风筒阻力计算表（TBM掘进）

5 通风方式和设备选型

5.1 通风方式

根据以往施工经验，通风方式采用压入式通风。

5.2 风机选型

施工现场现有1台2×75kW对旋轴流式局部通风机（风量 20.8～11.3 m3/s，风压 2 200～7 100 Pa）和 1 台 2×55 kW 对旋轴流式局部通风机，根据以上计算结果，开启1台2×75 kW对旋轴流式局部通风机，匹配风筒采用Φ1.2 m高强度塑胶风筒时，可满足通风风量和风压要求。

具体运行方式为初期开2×55 kW风机的一级，另一台风机作为备用。随着掘进长度的增加，风量和风压损失均不断加大，当该级风机不能满足通风要求时开启2×75 kW风机的一级，此时第一台风机作为备用，依次类推，最后开启2×75 kW风机的两级。如此配合使用，既可满足根据煤矿双风机的要求，又使通风设备消耗的总能量最小，工程成本得以降低。

6 风机安装地点和要求

6.1 安装地点：

主斜井风机安装于距洞口20 m外的洞轴线右侧3 m处，下部采用预制混凝土管片基础，并设钢结构风机支架。

6.2 安装要求：

（1）风机必须放在风机托架上，距地板不小于300 mm。

（2）风机开关必须上架。

（3）通风机必须挂牌管理，专人负责，实现“三专”“两闭锁”。

（4）风筒要求吊挂整齐，每3 m一个吊挂眼，逢环必挂。

（5）风筒要严实不漏风。

（6）必须保证风机连续运转，不准无故停电停风。

7 通风系统布置

主斜井通风系统由以下四部分组成：首先由洞外风机将新鲜风通过风筒送至后配套尾部，再由后配套增压风机将新鲜风送至TBM机头部位，然后由排风风机将污风从TBM机头排至后配套尾部，再由后配套尾经主斜井井筒排出洞外，为减少由后配套尾部排出污风的粉尘含量，在后配套排风风机前增设除尘器。

8 结语

同忻煤矿主斜井TBM掘进通风设计，既需满足煤矿主巷道通风的专业要求，还需结合TBM掘进通风的自身特点。TBM掘进施工以往在煤矿主巷道开挖中应用较少，通过该工程的施工，可为今后煤矿巷道快速施工提供参考。