煤矿可控循环风的主要技术措施研究

郑远新

摘要：本文介绍了可控循环风的实际应用，并通过计算模拟和实际测定对区域大一些的工作面可控循环风的通风效果。系统稳定性及经济效益进行了分析研究。

关键词：可控循环风;矿井通风;采煤工作面

矿井通风是保障矿井安全的重要手段之一。在矿山生产过程中，矿井通风是连续不断的，其动力来源尽量利用自然风压和通风机械，主要还是靠通风机械。维持通风机械的能源目前还只有电能。生产矿井每年花在通风方面的费用相当可观，是生产成本的主要指标之一。同时从节能减排、低碳环保方面，具有时代意义。

一、煤矿可控循环风技术

推广应用的可控循环风技术就是在采掘工作面独立实行的局域可控循环风技术。

掘进工作面的可控循环风是通过有目的增加该工作面回风道的风阻（用于主要通风机是离心式的），或者通过有目的减少其它工作面回风道的风阻（用于主要通风机是轴流式的），使该工作面回风流减小造成该工作面局部通风机循环实现可控循环风的。还有的掘进工作面供风距离较远，将“接力局部通风机”的吸入端与上一个局部通风机的風筒断开，并使上一机的风筒出口超前“接力局部通风机”至少10米以上（该距离是根据循环率确定的），这时候“接力局部通风机”就变成了循环通风机兼接力局部通风机了，从而实现了掘进工作面的可控循环风。

采煤工作面的可控循环风是通过在超前该采煤工作面的入风巷和回风巷之间连通一条风道做循环风道，在循环风道或采煤工作面的回风巷内安设循环通风机将回风流的一部分风流再次输送到该采煤工作面的入风巷，实现采煤工作面的可控循环风。循环风道的连通口必须在该工作面的全风压回风口与该工作面的回风口之间。循环风机的工作方法可以是抽出式的，可以是压入式的，也可以是混合式的。

采用可控循环风技术的矿井的全风压风量分配、通风设备选型，按照各个可控循环风工作面设定的循环率，核定出该工作面的全风压风量。也就是工作面风量与循环风量之差就是工作面的应配的全风压风量。除此之外，其他通风技术的定理、规则都适用。“一通三防”的相关规定都必须遵循，《煤矿安全规程》的对煤矿通风工作的相关规定也必须遵循。

二、采用可控循环风技术可解决无煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的矿井通风困难风量不足的问题。

随着矿井开采规模的加大，通风的困难程度也在不断地增加。增加风量有两个途径：一是重新调整通风系统，增加通风机械的能力，即使如此，通风特别困难的矿井，很难找到通风机的特性与矿井的风阻特性十分吻合的，所以也很难达到预期的效果;二是采用可控循环通风技术。前者即使能解决问题，投资也大;后者比较经济，但对其可靠性和应用技术需要进行试验研究和精心调控。

采用可控循环风技术降低无煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的矿井通风成本的问题。如果矿井无煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险，瓦斯涌出均衡，采用可控循环风技术降低主要通风机提供的全风压，从而降低主要通风机的电能消耗，达到降低通风成本的目的。

总加热量Q，

Q=αMCp（th-t1），kw

在北方，冬季温度平均-20℃，那么，每1km3/min风量从-20℃升到2℃时所需热量：

Q=αMCp（th-t1）=1.1×21.55×1.01（2-（-20））=526.7kw

相当于526.7×1000÷1.163÷3600=126（千卡）（按1kcal/h=1.163W换算）

那么，每日所需的热量就是126×24×3600=10886400（千卡）。取加热器热效率80%。1日所需供热煤炭折合成标准煤就是10886400÷80%÷7000÷1000=1.944（t）（我国规定1kg的标准煤的热值为7000千卡）。北方按四个月供暖计算，120×1.944=233.3（t），井下供暖所需煤炭折合成标准煤233.3吨。按市场价800×233.3=18.664万元人民币，再加上供暖电耗必定超过20万元人民币。这是按照矿井通风风量1000m3/min计算的。如果循环率能维持30%，那么，矿井所需1000m3/min的风量就能节省70吨标准煤的煤炭。

式中：Q——矿井空气总加热量，kw

α——热量损失系数，井口房不密闭时α=1.05～1.10，井口房，密闭时α=1.10～1.15;

M——井筒进风量，kg/s（每1km3/min风量的M=Q风ρ=1000m3/min×1.293kg/m3=1293kg/min=21.55kg/s）

Cp——空气定压比热，Cp=1.01kJ/（kg·K）。

th——冷热混合空气温度，可取2℃;

t1——室外冷风计算温度，℃。

如果矿井无煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险，瓦斯涌出均衡，采用可控循环风技术降低主要通风机提供的全风压，从而使入井需要加热风量降低，用在生产工程中的加热向井下供热的取暖煤的节约百分比就是可控循环风的循环率。也可以用类似方法降低矿井井下用于制冷的空调费用。

三、国外可控循环通风技术

1971年英国在锡汉矿超前回采作业面的入、回风巷中进行了循环通风技术的首次试验，该系统属于开路式循环通风系统。试验取得了成功，为这项技术的开展打下了基础，并在理论上得到了认同。1974年英国皇家矿山监察局又批准了5个煤矿做循环通风试验。试验结果表明，无论是入风侧还是回风侧，超前巷道中测出的粉尘都比以前显著降低。在赛顿矿，超前作业面入风巷中粉尘浓度由原来的8 mg/m3 下降到2mg/m3。林毕矿超前作业面的回风巷中粉尘的浓度由原来的6.5mg/m3下降到3mg/m3。没有出现沼气聚集的现象。威尔茅斯（Wearmouth）煤矿应用可控循环通风技术，解决了远距离采区的通风问题，在保证采区需风量100 m3/s不变的情况下，使用30m3/s的循环风，可以节省电965 kW，每年节省电费30万英镑。英国的研究表明，当煤岩层原始温度在30 ℃以内时，采用可控循环通风就能改善采区内的气候条件;而当煤岩层原始温度超过40 ℃时在循环横巷中布置一个功率适当的内喷水冷却器，并采取循环通风，就可大大改善采区气候条件，同时在降尘、降温方面也有很好的效果。（2）南非金矿深井通风与降温中循环通风技术的应用。南非1982年在劳瑞因金矿进行了可控循环通风方法的大规模现场试验。试验主要利用可控循环技术对金矿作业面进行通风和降温，并对可控循环通风的系统安全性以及可控循环通风理论模型的正确性加以验证，取得了成功。

四、可控风量率的确定及技术措施

国内可控循环通风技术已经开始在许多地方开始实验并进入应用阶段。矿井循环风不可怕，可怕的失控。前面介绍了控制手段和方法。

1、控循环率的确定：

确定原则就是保证将井下有毒有害气体稀释到《煤矿安全规程》规定浓度以下，保证温度不超过26℃不低于过2℃。然而，单独通过井上下的风流交换实现大范围的温度调节是很难达到通风目的的，所以，一般的矿井重点就控制住瓦斯浓度，其他的井下有毒有害气体的浓度也就控制在《煤矿安全规程》规定浓度以下，当然也有例外，那么就转向控制例外的那种气体了。

按照《煤矿安全规程》的采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1.0%必须停止作业的规定计算采掘工作面所需风量：

Q采掘=100q采掘KCH4，（m3/min）。

式中：Q采掘——采掘工作面所需风量，m3/min;

q采掘——采掘工作面回风巷中瓦斯的平均绝对涌出量，m3/min;

KCH4——采掘工作面瓦斯涌出不均衡系数，一般取1.2～2。

这个公式是建立在整个的q采掘都是来源于采掘工作面和回风巷道中。按照《煤矿安全规程》的采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20%，瓦斯浓度不超过0.5%的规定计算采掘工作面所需风量应该为：

Q采掘≥100（q采掘KCH4+0.5%  Q采掘）

那么，Q采掘≥200q采掘KCH4

所以，按照控制控制住瓦斯浓度的要求，循环率必须不大于50%。

2、主要技术措施：

（1）主要通風机选型，必须按照非采取可控循环风的情况同时考虑采取可控循环风的情况的通风机的工作区域和工况点。

（2）安设循环系统转变到非循环系统的设施和停止循环系统转的设施。

（3）安设反风时的必须通风设施。

（4）定期检查、鉴定瓦斯等的涌出情况和粉尘变化情况。

3、主要安全措施：

（1）建立专门责任制，明确分工.责任落实到人，专人管理循环风系统。建立CH4、CO、风量、压力、粉尘、循环风系统参数记录台帐。

（2）每班二次记录各参数值。出现停机事故应立即查明原因，进行处理，并记录出现事故的时间、问题及处理方法。循环风机开始运转30天内必须每隔两小时记录观察运行情况，记录各参数变化。并对各用风地点进行风量、瓦斯测定，观察循环风系统风景分配、瓦斯煤尘情况。

（3）定期调校和更换传感器，保证传感器灵敏可靠。传感器更换周期一般为8—12个月，或根据厂家要求定期更换。

（4）发现系统压力变小，说明循环风系统破坏，要及时检查整个系统，采取措施处理。指定专人定期维护检查安全监控系统。在调度室内设置循环风系统图，标明监控设备的位置、数量及地点。在调度室安设循环风机通讯监视，随时掌握监视循环风机的运、停状态。

（5）当可控循环风机自动停机时，井下值班人员应立即向调度室汇报。调度人员从通讯监视发现循环风机停止运转时要立即组织有关人员进行处理，首先检查是否恢复了原通风系统的状态，并检查循环风系统出现的问题。在排除故障确保安全无误后，要由矿主管领导下达指令才能复电开启循环风机。

（6）若循环风机其中一台出现故障停止运转，应立即启动备用风机，然后再排除故障。出现电器设备及其他事故，应立即向调度室汇报，恢复正常通风系统，及时派人处理。在循环区域内由于生产需要增减循环风量时，应做好预测工作，采取相应的安全技术措施后，方可实施。

（7）可控循环风供电必须实行“三专二闭锁”。即循环风机的供电必须有专用变压器，专用开关、专用电缆，沼气和一氧化碳闭锁。为防止采区回风系统内或皮带机发生各种火灾。在采区皮带巷安设烟雾报警装置。

（8）发生重大灾害时如：火灾、水灾、瓦斯等事故时，应恢复正常通风系统，按灾害预防与处理计划的安全技术措施处理。

由于可控循环风是在推广应用阶段。因此，安全技术措施要在试验过程中不断健全完善、修改、补充。

（9）有条件的，利用现代智能技术，设计一套“无可控循环风系统”的通风系统与“有可控循环风系统”的通风系统，使两套“系统”在地面就可以实现人工或者有条件地自动转换。当然，主要通风机必须是“变频”调速型的，以及与可控循环风系统相关的通风设备通风设施（如电动调节风窗）的电控设备都得是“智能”型的，能与地面的“智能”系统联网。

参考文献：

[1]《通风安全学》，张国枢，中国矿业大学出版社

[2]《矿井通风》，秦跃平，中国矿业大学出版社

[3]《矿井通风与安全——安全技术》，屈新安等，煤炭工业出版社

[4]《矿井通风与安全》刘富等，煤炭工业出版社