拉鏈式快速連接風筒在長距離掘進通風中的應用

周 霖，劉心廣，吳建賓，劉 濤，蔡木喜，王 凱

1兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017101

2中國礦業大學安全工程學院 江蘇徐州 221116

隨著煤礦機械化的不斷發展，掘進工作面的長度不斷增加，從而出現一系列問題，制約著煤礦向著集約化、智能化方向發展。由于掘進工作面是獨頭巷道，很難依靠正常的主通風機進行供風，必須依靠大功率局部通風機和高質量的風筒向掘進工作面提供新鮮風流。但在實際生產過程中，既要保障整個礦井的產能，又要解決掘進工作面的瓦斯、粉塵問題，掘進通風成為煤礦安全問題的重點和難點[1-4]。因此，筆者對超長距離掘進工作面通風問題進行探討。

1 存在的問題

長距離掘進工作面區別于一般的巷道在于其不能形成完整的進、回風巷道。因此，掘進工作面必須通過局部通風機和高質量的風筒來把新鮮風流和污風風流隔離開來。近年來，掘進工作面的長度和斷面越來越大，加劇了局部的瓦斯涌出量和粉塵，因此，對局部通風技術提出了更高的要求[5-7]。長距離掘進通風的問題主要如下：

(1) 在長距離掘進通風中，隨著通風距離越來越長，風筒連接處漏風也越來越大，在后期掘進過程中，掘進工作面出現風量不足的情況。

(3) 近年來大多采用單機單巷的通風方式，隨著掘進巷道的變長，煤礦往往選用大功率局部通風機，風筒前段風壓較高，經常會導致風筒吹裂甚至脫節，進而導致掘進工作面無風的事故。

(4) 長距離掘進面粉塵量比較大，掘進工作面不能形成貫穿風流，并且掘進面較狹窄，很難通過通風方式排出工作面產生的大量粉塵，作業環境差。

(5) 礦井的生產和安全是相互矛盾的，在長距離通風過程中，供風和排風都很困難，要做到安全生產就必須采取一系列的措施來防護，從而就會增加生產成本，這往往與礦井的節能原則相沖突。

2 供風

2.1 局部通風

(1) 局部通風機串聯通風 利用 2 臺風機串聯向掘進工作面供風，如圖 1 所示。風機串聯分為 2類：一是集中串聯，如圖 1(a) 所示，2 臺風機擺放距離很近，通過風機的風壓向工作面供風，此種方法風筒前半段的風壓極大，容易發生漏風，風筒維護工作量大；二是間隔串聯，如圖 1(b) 所示，間隔串聯就是第 2 臺風機擺放在離第 1 臺風機較遠的位置，但是因為擺放位置的不同，間隔串聯也會產生安全隱患。如圖 1(c) 所示，此種間隔串聯中第 2 臺風機擺放在前一段風筒的負壓位置，容易造成第 2 臺風機吸入巷道污風，形成循環風。正確的擺放位置應該如圖 1(d) 所示，第 2 臺風機應該放置在前一段風筒的正壓位置。

圖1 串聯通風示意Fig.1 Sketch of tandem ventilation

(2) 構筑風庫通風 在超過 2 km 的掘進巷道中，在掘進巷道的 2 km 處或者單巷總掘進長度的 2/5處，構筑 1 個風庫，利用風庫作為中轉容器進一步為巷道的掘進工作面供風，如圖 2 所示。

圖2 風庫示意Fig.2 Sketch of air library

(3) 通風井 通風井是在掘進中前部施工 1 個風井，用于加強掘進斷面和巷道的循環通風。風井縮短了掘進過程中的風流流動距離，污風可以及時、有效地從風井中快速排出，而不需要經掘進工作面回流排出。

(4) 雙巷平行掘進局部通風 雙巷平行掘進多用于采區工作面，掘進工作面的回風巷和下一工作面的運輸巷。2 巷道同時掘進，一巷進風，一巷回風。在巷道延伸的過程中，每隔 50～60 m 就貫通兩巷形成一條聯絡巷，如圖 3 所示。

⑦魏金枝：《柔石傳略》，丁景唐，瞿光熙編《左聯五烈士研究資料編目》，上海文藝出版社1981版，第218頁。

(5) 局部通風機并聯通風 利用多臺局部通風機同時向掘進工作面供風，此種方法適用解決工作面風量不足的問題。在實際掘進工作中，如果巷道延伸中遇到要增加工作面設備或其他情況，需要增大供風量，而原來的風機不能滿足，就需要通過并聯風機聯合向掘進工作面供風。

圖3 雙行平行掘進示意Fig.3 Sketch of parallel heading with two rows

(6) 單風機單風筒通風 單風機單風筒通風技術就是用 1 臺風機向單一掘進巷道供風。隨著掘進巷道的增加，對風機的供風量和風壓要求也必然增加，同時對風筒的選擇也至關重要，風筒必須要通風阻力小，而且能承受較大風壓，所以此種方法的運用多取決于設備的升級。

2.2 供風選擇

結合掘進工作面實際情況，對工作面通風方式的選擇如圖 4 所示。

圖4 工作面供風方式選擇Fig.4 Selection of air supply mode on work face

3 長距離掘進巷道風筒

柔性風筒和剛性風筒是井下局部通風最常用的導風裝置。通過風筒向掘進工作面源源不斷的提供新鮮風流，既能保證工作人員的正常呼吸，又能沖淡工作面瓦斯。但是 2 種風筒的應用范圍不同，柔性風筒一般適合于壓入式通風或通風距離較長的巷道；而剛性風筒則一般適合于抽出式通風巷道，通風距離較短[8-10]。

3.1 風筒選擇

回風巷道的掘進通風采用壓入式局部通風機供風，所以必須選取柔性風筒作為風流通道。因為風筒的材料可以隨意挑選，所以風筒性能的主要技術點就在于風筒接頭的不同。目前我國大致有兩固定環單反邊接頭、大活環單反邊接頭、雙反邊接頭、活三環多反邊接頭、螺圈接頭、快速接頭軟帶接頭 6 種形式。而拉鏈式快速連接風筒是近年來新出的一種風筒。下面將拉鏈式風筒與其他風筒作比較，為回風巷道掘進面風筒選擇做參考。

圖5 各類風筒接頭示意Fig.5 Sketch of various joints of air duct

由于井下環境屬于高溫高濕，空氣中又含有瓦斯，所以在風筒安全性方面要求特別嚴格。首先，風筒表面涂層要求不易脫落、風筒材料能夠阻燃和抗靜電；其次，風筒的性能要符合實際需求，比如風筒的風阻要小，漏風量要少，方便維修和管理；再次，風筒材料的強度要高，能耐得住風機的風壓、耐磨、耐砸、防開縫、防拉斷；最后，要方便使用，質量輕、拆裝方便。

新型拉鏈式風筒接頭如圖 6 所示。它采用雙反邊并加長單反邊設計，以及新型密封材料制作，并采用拉鏈室快速連接接頭。相比于其他接頭方式，拉鏈式快速接頭風筒具有許多優勢：①風阻低，比鋼圈連接方式百米風阻降低 6% 以上；② 漏風率低，比鋼圈連接方式漏風率降低 20%～30%；③結構簡單，連接效率高，連接用時短；④ 風筒質量減輕，鋼圈質量減小，降低了工人勞動強度；⑤ 接頭牢固，滿足災變應急通風要求；⑥ 承受風壓高，滿足長距離大斷面掘進工作面需求。

圖6 新型拉鏈式風筒接頭Fig.6 New-type zipper-typed quick connecting air duct

3.2 數值模擬

為研究風筒中風流的流動形態，采用 ANSYS 軟件對風流進行模擬，以便快速測量風筒風量。風流在風筒中流動速度和壓力變化相似，利用 ANSYS 軟件，建立一個長 100 m、直徑為 1 000 mm 的直風筒，其斷面為圓形、面積為 0.282 6 m2，進口速度設定為 5 m/s。采用 RNGκ-ε雙方程湍流模型，根據數值模擬的需要，將模擬條件進行了一定的簡化并對流動風流做一定的假設：①假設內風流為不可壓縮氣體；② 假設風筒風流內無熱源，且不考慮周圍的熱輻射；③不考慮由于密度差而產生重力和浮升力的影響；④ 空氣流動為穩態紊流，滿足 Boussinesq 假設。模擬結果如圖 7 所示。

圖7 風筒壁面壓力分布Fig.7 Distribution of pressure on wall of air duct

由圖 7 可以看出，風筒的風壓隨風筒長度的變化按規律遞減。所以風筒在供風時，風機出口處風筒壁面受壓最大，做好此處的防漏風、防脫節工作對供風的安全性有極其重要的意義。風筒切面風速等矢量圖如圖 8 所示。

由圖 8 可以看出，風筒中風流進入后在一定距離內風流做完全紊流流動，而后風流又進入一段過渡期，此時，風筒壁面風速最小，風筒截面圓心風速最大，隨后壁面風速和圓中心風速差值縮小，最后進入穩定流動的層流狀態，壁面風速和圓中心風速差值穩定在一定值，即形成層流流動。在層流流動中，截面圓心點的最大風速可達 6.04 m/s。筆者研究的就是處于穩定層流流動時的風速分布，從而可以快速測量整個風筒內的平均風速。

圖8 風筒切面風速矢量圖Fig.8 Vector diagram of air speed on tangential planeof air duct

選取風筒 50 m 處的切面作為研究對象，風筒切面的風速云圖和等值線如圖 9、10 所示。利用 CFDPOST 自帶的 Function 功能，計算風筒截面的平均風速，得出切面的平均風速為 5.246 m/s。繪制出風速為 5.246 m/s 的等值線，如圖 11 所示。

圖9 風筒切面速度云圖Fig.9 Contours of air speed on tangential planeof air duct

圖10 風筒風速等值線Fig.10 Contours of air speed of air duct

圖11 風速為 5.246 m/s 的等值線Fig.11 Contours of air speed on air speed being 5.246m/s

通過觀察截面的風速等值線圖發現，只需要在風速等值線圖上找到風速為 5.246 m/s 的位置，就可以代表整個截面的平均風速。為了驗證測點位置能夠代表風筒的平均風速，又多次改變風筒進口風速大小，多次模擬出風筒出口風速等值線圖。并進行風速為 5、10、15、20 m/s 的模擬試驗，風筒內 50 m 處斷面的平均風速分別為 10.47、15.68、20.88 m/s。計算出平均風速測點位置如表 1 所列。通過分析可以得出 1 000 mm 風筒內平均風速快速測量點為距離風筒壁面 0.140 m 的位置。

表1 平均風速快速測量位置Tab.1 Position of quick testing mean air speed

4 現場測試

在鄂爾多斯轉龍灣煤礦 23201 掘進工作面進行了風筒內通風測試。首先對拉鏈式快速連接風筒進行性能測試，23201 回風巷掘進工作面風筒供風距離 3 600 m，配備 2×45 kW 局部通風機，拉鏈式快速連接風筒安裝在 2 472～2 772 m 處，現場測試風筒內動壓、靜壓、風速、溫度等通風參數，計算風筒的百米風阻和百米漏風率，并與普通風筒進行比較。該風筒性能測試方案參考了 GB/T 15335—2019《風筒漏風率和風阻的測定方法》相關規范。

由于風筒 1 節長度為 10 m，每節風筒都有編號，所以風筒長度直觀明了。在實際現場測定過程中，在不影響正常生產的情況下，從局部通風機處開始測定，每隔 200 m 設 1 個測點，直至掘進工作面位置。現場測定如圖 12 所示。在測定過程中使用膠皮管將 JFY-4 礦用通風多參數檢測儀與皮托管相連接，將皮托管垂直于風流方向插入被測風筒內平均風速的位置，直至通風多參數檢測儀上面顯示的風壓和風速穩定時，讀取并記錄通風多參數檢測儀檢測的動壓、靜壓、風速、溫度等通風參數。依次測定至掘進工作面。

圖12 現場測定Fig.12 Field testing sketch

百米漏風率

其中

式中：Δqm為風筒漏風量，m3/s；q出、q進分別為風筒出、入口風量，m3/s；k為風筒漏風率。

百米漏風率的測量不少于 3 次，取其算術平均值，實測得k100=0.011 590。

百米風阻值

其中

式中：RAB為風筒風阻，Ns2/m8；h為風筒AB之間通風阻力，Pa。

百米漏風率的測量不少于 3 次，取其算術平均值，實測得R100＝1.901 383 614。

通過對 23201 回風巷掘進工作面風筒的通風性能測試可知，風筒風量隨著風筒長度有一定的遞減。風筒風量隨地點變化曲線如圖 13 所示。風筒前 800 m的風量減少的斜率比較小，到 800 m 以后，風筒內風量下降比較快，百米漏風率R100達到 1.901 383 614。可見 23201 回風巷掘進工作面現在所用的普通風筒漏風情況嚴重，特別是風筒接口處，漏風量大，給風筒的日常管理帶來很大的維護工作量。在 2 472～2 772 m 處，安裝了 300 m 拉鏈式快速連接風筒。由圖 13 可知，在 2 472～2 772 m 處，風筒風量減少，斜率明顯比較平緩，漏風量比較小。拉鏈式快速連接風筒接口處使用拉鏈快速連接，而且不易脫落，安裝維護方便，漏風量小。拉鏈式快速連接風筒能有效減少風筒的漏風，若全段使用拉鏈式快速連接風筒則能改善23201 回風巷掘進工作面風量不足的問題。

圖13 風筒風量隨地點變化曲線Fig.13 Variation curve of air volume of air duct with length

5 結語

通過對我國現有的 6 種長距離通風方法的工作原理和使用條件進行分析，選擇了與之配備的長距離供風風筒，并安裝了新型拉鏈式快速連接風筒，減少了長距離供風的漏風量。通過對風筒內的通風狀態進行模擬，得到風筒內快速測風的最佳測量點，并在轉龍灣煤礦 23201 工作面進行現場測試。測試結果顯示，拉鏈式快速連接風筒明顯優于普通風筒，減少了風筒漏風，保障了轉龍灣煤礦掘進工作面的生產安全。