超长距离掘进巷道通风安全保障技术研究

景瑞锋

（中煤新登郑州煤业有限公司， 河南 郑州 450000）

0 引言

随着国家能源政策的调整，集约化新型高效、大型矿井建设速度加快，且伴随着大型巷道掘进设备被普遍应用，矿井的生产工作面辅助巷的走向长度设计不断延伸，断面面积不断扩大，以至于大断面超长距离的巷道越来越多。这就给井工生产中的独头巷道通风带来较大难题，例如，通风阻力过大，供风量受限，风机选型复杂等问题。针对超长距离巷道的通风问题，国内学者和工程技术人员也有所研究。音勇在分析通风参数基础上，选择相应的风机和风筒，并利用风筒快速接头技术和风机自动倒台技术，实现了掘进工作面的长距离通风，保证了有效风量[1]。闫广祥和常晓红在计算风筒经济直径和通风阻力的基础上，对通风机进行了合理选型，实现了掘进巷道的长距离通风[2]。张云峰、夏同强等针对3 000 m 长度巷道通风不足问题，实验了超大功率4×37 kW 通风技术，结果表明，采用超大功率通风机通风后，工作面有效风量提高了57.9%[3]。朱学贤、倪锦初等在计算隧洞工作面需风量基础上，对风机和风筒进行了选型，实现了长距离隧洞的工作面安全供风[4]。高嵩和师泽轩在分析通风参数和通风管理工作面问题基础上，合理选择通风设备和技术，并优化通风管理，满足了工作面长距离通风的要求[5]。邢永强和冯俊超从通风方式、通风管理和通风技术等方面分析了长距离独头巷道通风现状及各种通风技术的优缺点，为超长距离巷道通风选择合适的技术提供了重要参考[6]。

上述研究表明，实现大断面长距离通风不但要合理选择风机，而且要降低风阻、强化通风管理，并进行经济效益分析。超长掘进工作面通风是较复杂的综合性问题，矿井应根据自身情况进行综合设计，实施“一矿一策、一面一策”。本文在借鉴上述研究成果的基础上，结合试验矿井的通风基础条件和超长距离巷道通风需求，试验了大功率变频风机、大直径和柔性降阻通风技术，可为解决超长距离独头巷道通风提供经验参考。

1 工程概况

试验矿井设计生产能力为300 万t/a，开拓方式为立斜井双水平上、下山开拓，矿井通风方式为对角式通风，通风方法为机械抽出式。主、副井进风，东风井、31 风井回风。开采方法采用伪倾斜走向长壁放顶煤一次采全厚采煤法，当前开采范围在31 和21 采区。主采二1 煤层瓦斯赋存不稳定，最大瓦斯含量为9.3 m3/t，属于煤与瓦斯突出矿井，煤层自燃发火等级为Ⅳ级，属于不易自燃，具有煤尘爆炸危险性。

31 采区位于矿井的西部为单翼采区，走向长度为1 800 m，布置6 个工作面，煤层赋存平均厚度为5.2 m，采用长臂后退式综合机械化采煤，一次采全高，垮落法管理顶板。为了提高大型综采支架的运输效率，31 采区设计支架专用运输巷（以下简称“支架专用巷”），设计施工长度为4 074 m，如图1 所示。

图1 31 采区支架专用巷布置

2 长距独头巷道通风系统设计

2.1 通风系统布置

31 采区支架专用巷采用压入式局部风机供风，将风机布置在31 轨道下山巷道与支架专用巷道交汇处，在支架专用巷设置两道风门，并在风门里侧布置专用回风巷与31 回风下山巷联通。工作面乏风由支架专用巷进入回风专用巷，并入31 回风下山，最后进入回风井。区支架专用巷通风系统如图2 所示。

图2 支架专用巷通风系统

2.2 支架专用巷需风量确定

支架专用巷为单巷独头掘进，巷道断面面积为30 m2，掘进期间工作面配备15 人，采用2 台功率为90 kW 的矿用防爆机车运输矿渣，巷道预测瓦斯涌出量为2.0 m3/min。按照煤巷掘进期间工作面最低风速（不小于0.25 m/s）和最低风量（根据断面计算为490 m3/min）要求，经过计算并进行综合分析，支架专用巷的需风量应控制在580 m3/min 以上，计算结果如表1 所示。

表1 支架专用巷需风量计算结果 单位：m3/min

2.3 柔性风筒风阻计算及局部通风机选型

独头巷道长距离通风中不可避免的就是风筒漏风和风筒对通风产生的阻力，选择风筒和计算风阻是风机选型的关键参考。为了方便安装、拆卸，降低通风成本，支架专用巷采用柔性风筒通风，为了降低风阻，在风筒拐角处采用钝角通风。在长距离风筒通风时风阻主要有摩擦阻力和局部风阻两部分组成，摩擦阻力大小主要受通风距离、风筒的摩擦系数和风筒的直径有关。局部阻力大小与风筒接口数量、接口处通风阻力系数和通风的空气密度相关，具体计算公式为：

式中：R1为风筒的摩擦风阻，N·s2/m8；α 为风筒的摩擦阻力系数，N·s2/m4；L为通风距离，m；U为风筒周长，m；S为风筒截面积，m2；R2为风筒的局部风阻，N·s2/m8；n为风筒接口的数量；ε 为风筒接口处局部风阻系数；ρ 为通风空气密度，kg/m3。

根据现场情况，按通风最困难时期取值，参数取值见表2。计算可得，风阻R为35.89 N·s2/m8。

表2 通风风阻选取参数

风筒接头选择为双方便对接类型，风筒的百米漏风率为0.6%，按照通风最困难时期，通风期间的风筒漏风率按公式（4）计算，风机供风量按公式（5）计算。

式中：η 为通风期间风筒漏风率；η100为风筒的百米漏风率；Q进为风机进风口的风量（风机供风量）；Q出为风筒出风口的风量（巷道的需风量），580 m3/min。经计算，风筒漏风率为24.44%，进风量为768 m3/min。因此，选择供风量为680～980 m3/min 型号为FBDYN07.5（2×55 kW）的局部风机作为支架专用巷的供风风机。该风机的工况参数如图3 所示。

图3 局部通风机工况参数

3 现场通风保障措施

3.1 变频通风措施

由于通风距离随着巷道掘进的延伸而逐渐增大，造成局部通风的风阻、漏风量等均逐渐增加，为了保证工作面有效风量的稳定，风机的工作效率也需要根据通风距离的增加而增加。在风机电源输入端设计并安设变频控制系统，通过监测局部通风机工作参数，实时调节风机转速，使局部通风机始终处于最佳工况点。采用变频控制系统，不但降低了通风机的耗能，而且确保了长距离工作面安全、稳定通风。

3.2 柔性通风降漏措施

柔性风筒具有造价低廉、安装和拆卸方便等诸多优点，在矿井通风中被广泛应用。支架专用巷采用双边柔性风筒，风筒直径为1.2 m。风筒布连接处的针孔成为漏风的主要因素，为了降低风筒的漏风量，在风筒内部对针孔采用风筒布粘贴覆盖处理。并每班指派专人对风筒检查，发现问题及时上报并处理，确保风筒始终处于完好状态。

3.3 工作面风量监测措施

由于长距离局部通风难度大，容易出现意外情况，如通风压力大、风筒破损和风机负荷高，往往导致工作面风量不足或停风事故。为了确保工作面通风安全，在风筒末端安设风速传感器，并联动报警装置和矿井调度监控系统，一旦出现上述情况会立刻启动警报，并通知调度室。为了确保通风机工作的稳定，每班指派专人对风机进行维护，风机实现“三专两闭锁”。

3.4 工作面应急救援措施

工作面配备逃生系统和压风自救系统，两种系统均按照工作面最大工作人数设计。当工作面警报响起，当班班组长启动逃生系统，所有人员乘坐无轨胶轮车进行撤离，按照行驶最远距离10 min 内撤离至31 轨道下山车场。当无法启动逃生系统或逃生系统执行过程中受阻时，立即启动压风自救系统，每组压风自救系统均能满足工作面最大人数使用，组间距为50 m。

4 通风效果

经过对支架专用巷道掘进通风期间的长期跟踪监测，并统计了不同通风时期的通风参数。在采取上述各项技术措施后，确保了超长距离巷道通风的稳定，工作面风量稳定在580～614 m3/min 之间，工作面风速在0.32～0.34 m/s，充分发挥了通风机的效率，特别是在通风困难时期，风筒末端出风量保持在584 m3/min，工作面风速为0.32 m/s，可满足巷道掘进需要。具体巷道通风参数监测结果见表3。

表3 巷道通风参数

5 结论

1）31 采区支架专用巷掘进长度为4 047 m，通过计算工作面瓦斯涌出量和用风量，综合确定工作面用风量为580 m3/min。在考虑超长距离巷道风筒漏风情况，选择型号为FBDYNo7.5 的大功率风机，并采用柔性大直径风筒通风供风和变频通风技术，使工作面风量稳定在592 m3/min 左右，风速稳定在0.33 m/s 左右，充分保障了工作面良好的工作环境。

2）煤巷掘进巷道超长距离通风中，系统复杂且薄弱，通风机的选型应综合考虑多种因素，并采取风筒降阻措施以及综合性的保障措施，才能确保通风系统稳定、可靠运行。安全防护及救援措施是确保通风安全的重要组成部分，做好通风系统维护的同时，也应加强安全防护措施。