刘家梁煤矿长距离局部通风技术应用研究

张晋兵

(大同煤矿集团 轩岗煤电有限公司刘家梁煤矿， 山西 大同 034114)

随着煤矿机械化程度的提高，煤矿开采深度及工作面长度不断增加，巷道掘进速度也随之加快，掘进速度的加快使煤壁暴露的速度加快，导致煤层中瓦斯涌出量增加，而掘进巷道的加长使得掘进面通风变得困难，最终导致掘进巷道瓦斯事故增多。目前，长距离通风主要采用风筒导风，但由于空间的局限性，有些设备安装困难，一旦设备发生故障将增大事故发生的风险[1-4].

对长距离局部通风，国内外专家学者进行了不同角度的研究，陈旭忠[5]在大同煤矿集团马脊梁矿为解决长距离的运输顺槽3 000 m掘进通风问题，改用单巷道掘进技术，配备了大功率风机和柔性风筒，通风距离达到2 700 m，该通风方式根据当地实际地质情况进行选择，并对通风管理提出改进措施，但在技术上没有突破。李浩荡等[6]通过对掘进工作面大断面长距离通风技术的研究发现，采用长距离单巷掘进时，设计通风长度约为3 000 m，虽然解决了长距离通风问题，但是通风方式上没有得到改进。李景全[7]对风筒装置在局部通风的应用研究发现：在井下风压较大的地方风筒容易出现脱节、断裂，增大风筒直径会受到巷道断面的影响不易实施管理，在成庄煤矿的实施应用发现功率为2×30 kW的风机，局部长度在1 000 m以下时可采用600 mm的风筒，无需安装风筒卸压装置，通风效果良好。

刘家梁矿开采5#煤层，平均厚度为9.7 m，可采性指数为1，煤厚变异系数24.1%，工作面走向长度2 360 m，巷道断面11.5 m2，未优化前局部通风方式采用单巷压入式通风。

1 理论研究

长距离局部通风重点解决的是在掘进巷道中产生的有毒有害气体以及粉尘，对污风在不同风速作用下的流动分布及运移规律进行数值模拟，提出相应措施，以改善工作环境。

局部通风通过风筒给掘进工作面供风，当风流从风筒射出后，随着出口处横截面积的扩大，风速减小，新风与工作面产生的粉尘及有毒有害气体混合后受到工作面较大新鲜风流的挤压，流向回风巷，排出污风。

根据压入式风筒排出特点，将局部通风风流划分为自由射流区、贴附射流区、冲击射流区以及回流区，风流流动及分布示意图见图1[8].

图1 风流分布示意图

当新鲜风流从风筒排出后，风流首先在自然风压作用下进入自由射流区，随着新鲜风流的不断挤压，风流被挤压到巷道侧壁处，即形成贴壁射流区，然后与巷道壁发生挤压碰撞，回风风流发生改变，即形成回流区，当回流区与新风挤压交汇，在风压作用下形成涡流。

1.1 掘进巷道需风量计算

1) 按CH4涌出量计算：

Qh=100qλ

式中：

Qh—掘进工作面所需风量，m3/min；

q—掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；

λ—瓦斯涌出不均衡系数，一般取1.3～1.5.

参照采区瓦斯基础参数测定报告，掘进工作面绝对瓦斯涌出量q=2.47 m3/min，λ=1.4,计算可得出Qh=347 m3/min.

2) 按CO2涌出量计算：

Qh=100QCO2KCO2

式中：

Qh—掘进工作面所需风量，m3/min；

QCO2—掘进工作面回风流中最大CO2绝对涌出量，m3/min；

KCO2—掘进巷道CO2涌出量不均衡系数。

经测得，掘进工作面中最大CO2绝对涌出量为0.72 m3/min，对CO2涌出量连续记录30天，取其最大值与平均值做比，约为1.5，可得Qh=108 m3/min.

3) 按人数计算：

根据《煤矿安全规程》第103条，矿井内人员人均供风量大于4 m3/min.

Qh=4N

式中：

Qh—掘进工作面所需风量，m3/min；

N—巷道允许容纳最多人数。

选取N=30，计算可得Qh=120 m3/min.

4) 按炸药使用量计算：

式中：

Qh—掘进工作面所需风量，m3/min；

t—通风时间，s；

A—一次爆破需要消耗的炸药量，kg；

S—巷道断面积，m2；

L—最长通风距离，m.

按实际工作情况，通风时间取1 200～1 800 s，该巷道爆破实际需要炸药量为6 kg，巷道长度最长2 200 m，代入公式可得Qh=114 m3/min.

1.2 掘进工作面风速验算

1) 按最低风速验算，掘进巷道最小风量应满足：

Qh≥60vminS

式中：

Qh—所需风量，m3/min；

vmin—最小风速，m/s；

S—巷道断面，m2.

按照规程规定，vmin=0.25 m/s得出Qh≥264.50 m3/min.

2) 按最高风速验算，掘进巷道最大风量应满足：

Qh≤60vmaxS

式中：

Qh—所需风量，m3/min；

vmax—最大风速，m/s；

S—巷道断面，m2.

按照规程规定，vmax=4 m/s，可得出Qh≤4 248 m3/min.

比较发现：按掘进工作面瓦斯涌出量计算需风量最多，通过风速验算也满足工作要求，故确定Qh取最大值为347 m3/min.

2 数值模拟

根据刘家梁矿5316工作面实际地质条件、通风方式对5316工作面局部通风进行FLUENT模拟，使用gambit建模，巷道长度1 100 m，面积11.5 m2，对巷道模型进行网格划分，网格间距设为点间距，宽度为1 m，考虑到局部通风区域内既有瓦斯也有新鲜空气，材料设置为瓦斯和空气混合气体，模型建立见图2. 调节入口风速，观察瓦斯分布情况。瓦斯分布云图见图3，图4.

图2 模型建立图

图3 入口风速为7.5 m/s的瓦斯浓度云图

图4 入口风速为15 m/s的瓦斯浓度云图

图4风速是图3风速的2倍，由于在双巷掘进过程中，两个掘进工作面的回风流都汇合到同一条巷道内，所以在模拟时风量加倍，因此图4可看做双巷掘进的瓦斯分布云图，模拟结果显示，瓦斯浓度随着距离出风口长度出现梯度变化，在风筒出口处，风速最大，随着距离的向前推进，风流断面不断扩大，导致风速逐渐减小，当风流向工作面时，发生逆流回转，形成涡流区域，无论风速是7.5 m/s还是15 m/s，瓦斯浓度分布一样；掘进巷道瓦斯分布不均匀，在出风口处受到大巷中风压影响，出现浓度增大现象，工作面和涡流处瓦斯浓度达到最大值，当污风随着风流进入回风大巷时，瓦斯浓度随之减小。从图4中可以看出，风速的增加，导致风量的增加，风压也随着增大，在局部通风处，回风流受大巷的风压影响较小，因此瓦斯浓度增加的不明显。

3 现场试验

刘家梁矿5136进风巷沿5#煤层底板掘进布置，采用钢性支架支护，断面为梯形，净断面为10.2 m2，掘进断面为11.5 m2，棚距0.6 m，采用11#工字钢梯形棚支护，梁长3.2 m，腿长为2.8 m. 考虑到单巷单风筒局部通风后期风阻以及风压较大，故采用平行双巷对旋式压入式通风，在投入使用前期均使用独立通风，在掘进过程中每隔一段距离开掘一条联络巷，随着巷道的推进新的联络巷贯通，旧的联络巷封闭，最终形成全长通风。平行双巷同时施工效率高，不受通风距离限制。当采用双巷同时掘进时，风量加大，风速加大，更有利于巷道内散热以及有毒有害气体及粉尘的排除，提高掘进效率。

采用风机有效风量率和风机装置效率作为技术指标衡量优化效果。

有效风量率：

式中：

Qh—风筒出风口风量，m3/min；

Qa—风机出风口风量，m3/min；

Q1—风筒漏风率。

风机装置效率：

式中：

Q扇—风机风量，m3/min；

H扇—风机风压，Pa；

N—风机输出功率，kW；

P电—电机效率；

P传—传动效率。

与单风机单风筒局部通风比较，该通风方式风机的有效风量率、风机装机效率均有所提高。通风设备效果比较见表1.

表1 通风设备效果比较表

4 结 论

1) 通过理论分析和数学计算，对局部通风的需风量进行计算比较，最终选定根据瓦斯涌出量得出的需风量最多，为347 m3/min，所以Qh=347 m3/min.

2) 通过数值模拟结果可以得出：瓦斯浓度随距离出风口长度出现阶梯变化，瓦斯浓度在工作面和涡流处出现峰值，当污风随着风流进入回风大巷时，瓦斯浓度随之减小。在局部通风处，回风流受大巷的风压影响较小，因此瓦斯浓度增加的不明显。

3) 现场试验表明：采用平行双巷技术可使风量加大，风速增大，提高了施工效率，风机有效风量率由67.8%提高到82.5%，风机装机效率由66.4%提高到93.1%.