超长距离掘进巷道通风安全保障技术研究

乔建德

(山西汾西中兴煤业有限责任公司, 山西 交城 030500)

近些年来，随着大型采掘设备应用推广，采掘工作面设计走向长度不断增加且巷道掘进断面积也随之增大。山西某矿3200支架专用运输巷沿着开采2号煤层底板掘进，巷道设计掘进长度为4 890 m，掘进宽度及高度分别为6.0 m、5.8 m，如何实现3506运输巷高效通风是巷道掘进期间需要重点解决问题。现阶段长距离巷道常用的通风技术方法包括[1-6]：

1) 风机+长距离柔性风筒方式，采用的风机功率超过2×30 kW，配套使用的风筒直径超过1 000 mm；

2) 采用局部通风机串联通风，解决通风机选择困难问题；

3) 局部通风机并联通风，可避免风筒在风压作用下出现破裂问题，同时降低风筒漏风率；

4) 通过构筑风库向掘进迎头供风，风库采用局部通风机供风，在风库内布置局部通风机向掘进迎头供风；

5) 从地面向井下施工钻孔作为通风通道，为掘进迎头供风；

6) 两平行巷道掘进时，在两巷道间布置联络巷并形成全负压通风，在进风巷内布置局部通风机为掘进迎头供风。

该矿在分析上述通风方式优缺点基础上，结合3200支架专用运输巷通风需要，提出采用大功率局部通风机+大直径柔性风筒对掘进供风，解决了长距离掘进巷道通风困难问题。

1 工程概况

山西某矿产能达到600万t/a，采用斜井+平硐开拓方式。现生产集中在2号、3号煤层，2号、3号煤层原始瓦斯含量分别为2.3 m3/t、2.8 m3/t，煤层自燃发火倾向性均为Ⅱ类。

3盘区内布置9个综采工作面开采，采面均回采2号煤层，回采范围内煤层厚度均5.8 m，采用大采高综采工艺。由于盘区内综采面液压支架尺寸较大，为提高运输效率，液压支架均采用3200支架专用运输巷运行运输，具体3200支架专用运输巷布置见图1。巷道采用MB670掘锚机掘进，断面为矩形。

图1 3200支架专用运输巷布置示意

2 长距离掘进巷道通风分析

2.1 通风系统布置

3200支架专用运输巷采用压入式通风，将局部通风机布置在3200支架专用运输巷靠近在运输大巷开口位置，具体巷道通风系统见图2。巷道掘进迎头污风流动路线为：3200支架专用运输巷—3201辅助回风巷—3盘区回风巷—南翼回风大巷—回风井。

图2 巷道通风路线图

2.2 掘进巷道需风量确定

3200支架专用运输巷掘进期间当班作业人员人数最多为45人，掘进期间巷道瓦斯涌出量为0.17 m3/min，同时运输采用2台防爆柴油机车，单台机车功率为45 kW。按照相关要求对3200支架专用运输巷掘进时需风量进行计算，具体计算结果见表1。根据相关规范要求，煤巷掘进时工作面内最低风速应不小于0.25 m/s，3200支架专用运输巷宽、巷高分别为6.0 m、5.8 m，则最低通风风量Qmin=522 m3/min。综合上述计算结果并结合表1数据得出，3200支架专用运输巷掘进时供风量Q出应控制在540 m3/min以上。

表1 掘进巷道风量计算结果 m3/min

2.3 柔性风筒风阻计算及局部通风机选型

3200支架专用运输巷用柔性风筒供风，在通风时风阻由局部风阻和摩擦风阻两部分构成，其中局部风阻包括风筒拐弯以及接头处局部风阻。3200支架专用运输巷为直巷，局部通风时拐弯引起的局部风阻可忽略不计，因此巷道通风时风筒风阻由摩擦风阻(R1)和风筒接口处局部风阻(R2)构成，具体可通过公式(1)、(2)、(3)计算[7-9]：

R=R1+R2

(1)

(2)

(3)

其中：R1、R2分别为风筒摩擦风阻及局部风阻，N·s2/m8；α为柔性风筒摩擦系数，N·s2/m8；L为柔性风筒长度，m;U为风筒外径周长，m；S为柔性风筒断面积，m2;n为风筒接口数；ε为柔性风筒接口处局部通风阻力系数；ρ为通风空气密度，kg/m3。

根据现场条件，取L=5 430 m、S=1.13 m2、U=3.77 m、n=534、ε=0.035、α=28×10-4N·s2/m8、ρ=1.2 kg/m3，将上述参数带入公式(1)～(3)即可求得R=47.84 N·s2/m8。巷道通风使用的柔性风筒接头类型为双方便对接，风筒百米漏风率η100=0.6%，风筒铺设总长度L=5 430 m，则通风期间风筒漏风率η计算公式为：

η=η100L/100

(4)

计算得η=32.58%.局部通风机进风口处风量Q进=Q出/(1-η)=795 m3/min。根据巷道供风需要，选择局部通风机为FBDYN07.5(2×55 kW)，该风机供风量为680～980 m3/min，供风风压为1 400～6 500 Pa。具体该局部通风机工况点及运行参数见图3。

图3 局部通风机工况点及运行参数

3 现场应用分析

3.1 安全保障措施

1) 通过变频调速调整输入到电机电流频率，使得局部通风机处于最佳工况点。通过变频系统可实时监控局部通风机工作参数，以便根据需要进行调节，若在掘进前期通风距离小，可适当降低电机转速，在满足通风基础上降低电机能耗；在掘进后期通风路线长、柔性风筒漏风量大，局部通风机需要提供更大风量，因此可通过变频系统适当增加钻机转速，增大供风量。

2) 通风采用双边柔性风筒，筒径1 200 mm。在风筒内部粘贴一层风筒布覆盖针眼，以便减少通风期间漏风量。每天安排专人对柔性风筒进行检查，当发现问题时及时上报并处理，确保风筒始终处于完好状态。

3) 安排专人对局部通风机进行维护并实现“三专两闭锁”，提升局部通风机运行保障能力；在靠近迎头的第二节风筒侧布置风速传感器，当发现掘进迎头风量不足或者出现停风时会立即发出报警信号。

4) 在巷道内配备有应急压风自救器、无轨胶轮车，当巷道内出现微风或者无风等情况时，巷道内作业人员通过乘车可在10 min内全部撤离，提高应急安全保障能力。

5) 在掘进巷道内，布置各类喷雾降尘系统，有效降低巷道内粉尘浓度，改善巷道内环境质量。

3.2 通风效果

在巷道掘进初期，变频送输出电流频率为26.4 Hz，此时局部通风机吸风量为620 m3/min、风筒出风口风量为612 m3/min，掘进迎头风速0.29 m/s，可满足巷道掘进需要。巷道掘进到位后，局部通风机吸风量、风筒出风量分别为836 m3/min、540 m3/min，使用的大直径柔性风筒百米漏风率为0.66%，迎头供风量可满足需要。具体巷道通风参数监测结果见表2。

表2 巷道通风参数监测结果

4 结 语

1) 3200支架专用运输巷掘进长度为5 430 m，在巷道掘进过程中采用大功率局部通风机(型号FBDYNo7.5、电机功率2×55 kW)、配合柔性风筒(筒径1 200 mm)为巷道迎头供风。在生产过程中，此种供风方式可满足巷道掘进需要，目前该巷道已顺利完成掘进。巷道掘进时，通过采用变频控制系统，可依据掘进进尺以及现场通风需要，调节局部通风机转速，不仅可满足掘进通风需求而且可降低能耗。

2) 在巷道长距离供风时，确保柔性风筒可靠运行是实现高效通风的基础保障。在通风过程中风筒高压位置垫衬垫，避免出现漏风；风筒按照要求悬挂，降低通风风阻；安排专人对风筒进行巡检，确保风筒始终处于完好工作状态。