劉家梁煤礦長距離局部通風技術應用研究

張晉兵

(大同煤礦集團 軒崗煤電有限公司劉家梁煤礦， 山西 大同 034114)

隨著煤礦機械化程度的提高，煤礦開采深度及工作面長度不斷增加，巷道掘進速度也隨之加快，掘進速度的加快使煤壁暴露的速度加快，導致煤層中瓦斯涌出量增加，而掘進巷道的加長使得掘進面通風變得困難，最終導致掘進巷道瓦斯事故增多。目前，長距離通風主要采用風筒導風，但由于空間的局限性，有些設備安裝困難，一旦設備發(fā)生故障將增大事故發(fā)生的風險[1-4].

對長距離局部通風，國內(nèi)外專家學者進行了不同角度的研究，陳旭忠[5]在大同煤礦集團馬脊梁礦為解決長距離的運輸順槽3 000 m掘進通風問題，改用單巷道掘進技術，配備了大功率風機和柔性風筒，通風距離達到2 700 m，該通風方式根據(jù)當?shù)貙嶋H地質(zhì)情況進行選擇，并對通風管理提出改進措施，但在技術上沒有突破。李浩蕩等[6]通過對掘進工作面大斷面長距離通風技術的研究發(fā)現(xiàn)，采用長距離單巷掘進時，設計通風長度約為3 000 m，雖然解決了長距離通風問題，但是通風方式上沒有得到改進。李景全[7]對風筒裝置在局部通風的應用研究發(fā)現(xiàn)：在井下風壓較大的地方風筒容易出現(xiàn)脫節(jié)、斷裂，增大風筒直徑會受到巷道斷面的影響不易實施管理，在成莊煤礦的實施應用發(fā)現(xiàn)功率為2×30 kW的風機，局部長度在1 000 m以下時可采用600 mm的風筒，無需安裝風筒卸壓裝置，通風效果良好。

劉家梁礦開采5#煤層，平均厚度為9.7 m，可采性指數(shù)為1，煤厚變異系數(shù)24.1%，工作面走向長度2 360 m，巷道斷面11.5 m2，未優(yōu)化前局部通風方式采用單巷壓入式通風。

1 理論研究

長距離局部通風重點解決的是在掘進巷道中產(chǎn)生的有毒有害氣體以及粉塵，對污風在不同風速作用下的流動分布及運移規(guī)律進行數(shù)值模擬，提出相應措施，以改善工作環(huán)境。

局部通風通過風筒給掘進工作面供風，當風流從風筒射出后，隨著出口處橫截面積的擴大，風速減小，新風與工作面產(chǎn)生的粉塵及有毒有害氣體混合后受到工作面較大新鮮風流的擠壓，流向回風巷，排出污風。

根據(jù)壓入式風筒排出特點，將局部通風風流劃分為自由射流區(qū)、貼附射流區(qū)、沖擊射流區(qū)以及回流區(qū)，風流流動及分布示意圖見圖1[8].

圖1 風流分布示意圖

當新鮮風流從風筒排出后，風流首先在自然風壓作用下進入自由射流區(qū)，隨著新鮮風流的不斷擠壓，風流被擠壓到巷道側壁處，即形成貼壁射流區(qū)，然后與巷道壁發(fā)生擠壓碰撞，回風風流發(fā)生改變，即形成回流區(qū)，當回流區(qū)與新風擠壓交匯，在風壓作用下形成渦流。

1.1 掘進巷道需風量計算

1) 按CH4涌出量計算：

Qh=100qλ

式中：

Qh—掘進工作面所需風量，m3/min；

q—掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；

λ—瓦斯涌出不均衡系數(shù)，一般取1.3～1.5.

參照采區(qū)瓦斯基礎參數(shù)測定報告，掘進工作面絕對瓦斯涌出量q=2.47 m3/min，λ=1.4,計算可得出Qh=347 m3/min.

2) 按CO2涌出量計算：

Qh=100QCO2KCO2

式中：

Qh—掘進工作面所需風量，m3/min；

QCO2—掘進工作面回風流中最大CO2絕對涌出量，m3/min；

KCO2—掘進巷道CO2涌出量不均衡系數(shù)。

經(jīng)測得，掘進工作面中最大CO2絕對涌出量為0.72 m3/min，對CO2涌出量連續(xù)記錄30天，取其最大值與平均值做比，約為1.5，可得Qh=108 m3/min.

3) 按人數(shù)計算：

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第103條，礦井內(nèi)人員人均供風量大于4 m3/min.

Qh=4N

式中：

Qh—掘進工作面所需風量，m3/min；

N—巷道允許容納最多人數(shù)。

選取N=30，計算可得Qh=120 m3/min.

4) 按炸藥使用量計算：

式中：

Qh—掘進工作面所需風量，m3/min；

t—通風時間，s；

A—一次爆破需要消耗的炸藥量，kg；

S—巷道斷面積，m2；

L—最長通風距離，m.

按實際工作情況，通風時間取1 200～1 800 s，該巷道爆破實際需要炸藥量為6 kg，巷道長度最長2 200 m，代入公式可得Qh=114 m3/min.

1.2 掘進工作面風速驗算

1) 按最低風速驗算，掘進巷道最小風量應滿足：

Qh≥60vminS

式中：

Qh—所需風量，m3/min；

vmin—最小風速，m/s；

S—巷道斷面，m2.

按照規(guī)程規(guī)定，vmin=0.25 m/s得出Qh≥264.50 m3/min.

2) 按最高風速驗算，掘進巷道最大風量應滿足：

Qh≤60vmaxS

式中：

Qh—所需風量，m3/min；

vmax—最大風速，m/s；

S—巷道斷面，m2.

按照規(guī)程規(guī)定，vmax=4 m/s，可得出Qh≤4 248 m3/min.

比較發(fā)現(xiàn)：按掘進工作面瓦斯涌出量計算需風量最多，通過風速驗算也滿足工作要求，故確定Qh取最大值為347 m3/min.

2 數(shù)值模擬

根據(jù)劉家梁礦5316工作面實際地質(zhì)條件、通風方式對5316工作面局部通風進行FLUENT模擬，使用gambit建模，巷道長度1 100 m，面積11.5 m2，對巷道模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格間距設為點間距，寬度為1 m，考慮到局部通風區(qū)域內(nèi)既有瓦斯也有新鮮空氣，材料設置為瓦斯和空氣混合氣體，模型建立見圖2. 調(diào)節(jié)入口風速，觀察瓦斯分布情況。瓦斯分布云圖見圖3，圖4.

圖2 模型建立圖

圖3 入口風速為7.5 m/s的瓦斯?jié)舛仍茍D

圖4 入口風速為15 m/s的瓦斯?jié)舛仍茍D

圖4風速是圖3風速的2倍，由于在雙巷掘進過程中，兩個掘進工作面的回風流都匯合到同一條巷道內(nèi)，所以在模擬時風量加倍，因此圖4可看做雙巷掘進的瓦斯分布云圖，模擬結果顯示，瓦斯?jié)舛入S著距離出風口長度出現(xiàn)梯度變化，在風筒出口處，風速最大，隨著距離的向前推進，風流斷面不斷擴大，導致風速逐漸減小，當風流向工作面時，發(fā)生逆流回轉，形成渦流區(qū)域，無論風速是7.5 m/s還是15 m/s，瓦斯?jié)舛确植家粯樱痪蜻M巷道瓦斯分布不均勻，在出風口處受到大巷中風壓影響，出現(xiàn)濃度增大現(xiàn)象，工作面和渦流處瓦斯?jié)舛冗_到最大值，當污風隨著風流進入回風大巷時，瓦斯?jié)舛入S之減小。從圖4中可以看出，風速的增加，導致風量的增加，風壓也隨著增大，在局部通風處，回風流受大巷的風壓影響較小，因此瓦斯?jié)舛仍黾拥牟幻黠@。

3 現(xiàn)場試驗

劉家梁礦5136進風巷沿5#煤層底板掘進布置，采用鋼性支架支護，斷面為梯形，凈斷面為10.2 m2，掘進斷面為11.5 m2，棚距0.6 m，采用11#工字鋼梯形棚支護，梁長3.2 m，腿長為2.8 m. 考慮到單巷單風筒局部通風后期風阻以及風壓較大，故采用平行雙巷對旋式壓入式通風，在投入使用前期均使用獨立通風，在掘進過程中每隔一段距離開掘一條聯(lián)絡巷，隨著巷道的推進新的聯(lián)絡巷貫通，舊的聯(lián)絡巷封閉，最終形成全長通風。平行雙巷同時施工效率高，不受通風距離限制。當采用雙巷同時掘進時，風量加大，風速加大，更有利于巷道內(nèi)散熱以及有毒有害氣體及粉塵的排除，提高掘進效率。

采用風機有效風量率和風機裝置效率作為技術指標衡量優(yōu)化效果。

有效風量率：

式中：

Qh—風筒出風口風量，m3/min；

Qa—風機出風口風量，m3/min；

Q1—風筒漏風率。

風機裝置效率：

式中：

Q扇—風機風量，m3/min；

H扇—風機風壓，Pa；

N—風機輸出功率，kW；

P電—電機效率；

P傳—傳動效率。

與單風機單風筒局部通風比較，該通風方式風機的有效風量率、風機裝機效率均有所提高。通風設備效果比較見表1.

表1 通風設備效果比較表

4 結 論

1) 通過理論分析和數(shù)學計算，對局部通風的需風量進行計算比較，最終選定根據(jù)瓦斯涌出量得出的需風量最多，為347 m3/min，所以Qh=347 m3/min.

2) 通過數(shù)值模擬結果可以得出：瓦斯?jié)舛入S距離出風口長度出現(xiàn)階梯變化，瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅婧蜏u流處出現(xiàn)峰值，當污風隨著風流進入回風大巷時，瓦斯?jié)舛入S之減小。在局部通風處，回風流受大巷的風壓影響較小，因此瓦斯?jié)舛仍黾拥牟幻黠@。

3) 現(xiàn)場試驗表明：采用平行雙巷技術可使風量加大，風速增大，提高了施工效率，風機有效風量率由67.8%提高到82.5%，風機裝機效率由66.4%提高到93.1%.