楊本生 劉 杰 趙利濤 邵文通

（河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北省邯鄲市，056038）

千米深井建井期間風(fēng)庫接力通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用＊

楊本生 劉 杰 趙利濤 邵文通

（河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北省邯鄲市，056038）

介紹了在千米深井及長距離巷道掘進(jìn)中，當(dāng)通風(fēng)設(shè)備不能將所需新鮮風(fēng)流有效地輸送至用風(fēng)地點(diǎn)時(shí)，在中部適當(dāng)位置構(gòu)筑一風(fēng)庫，通過接力通風(fēng)的方式，解決用風(fēng)需求。通過驗(yàn)算，安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理地選取風(fēng)機(jī)。保證了工程進(jìn)度又提高了礦井建設(shè)的安全程度。

千米深井 獨(dú)頭掘進(jìn) 風(fēng)庫 接力通風(fēng)

隨著煤炭資源的開采，淺部資源逐漸枯竭，礦井開采向深部延伸。近幾年來，千米深井開掘及深部巷道的掘進(jìn)數(shù)量也越來越多。深井巷道的掘進(jìn)不僅對施工質(zhì)量上有了更高的要求，同時(shí)在獨(dú)頭掘進(jìn)時(shí)的通風(fēng)、排水方面也存在著一系列有待解決的問題。現(xiàn)有局部通風(fēng)機(jī)難以通過?1000mm風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流經(jīng)千米井筒遠(yuǎn)距離的輸送到施工地點(diǎn)，并且遠(yuǎn)距離輸送風(fēng)流既不經(jīng)濟(jì)，效率又低，難以保證施工點(diǎn)對新鮮風(fēng)流的需求。

改善深井巷道獨(dú)頭掘進(jìn)施工地點(diǎn)通風(fēng)環(huán)境，減少施工影響，研究高性能通風(fēng)設(shè)備及其配套技術(shù)和通風(fēng)管理技術(shù)自然成為至關(guān)重要的課題。以磁西一號礦井建井為例，通過對千米深井長距離獨(dú)頭掘進(jìn)巷道的通風(fēng)技術(shù)研究，決定在主井井底北繞道側(cè)構(gòu)筑長度為25m的井底風(fēng)庫作為通風(fēng)接力措施，以此解決千米深井長距離獨(dú)頭掘進(jìn)巷道通風(fēng)的問題。

1 工程概況

磁西一號礦井位于峰峰礦區(qū)東部，煤層埋藏深度1000～1500m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.8Mt／a，礦井設(shè)主、副井工業(yè)場地。風(fēng)井與副井場地聯(lián)合布置，設(shè)在九龍礦東北，場地標(biāo)高＋155m，風(fēng)井井筒深度1305.0m，副井井筒深度1340.0m，當(dāng)前為亞洲地區(qū)第一深井。主井工業(yè)場地與九龍礦工業(yè)場地聯(lián)合布置，主井工業(yè)場地標(biāo)高＋117m，主井井筒深度972.0m。磁西礦井屬我國華北煤礦區(qū)，受瓦斯影響嚴(yán)重，根據(jù)《聯(lián)建可行性研究報(bào)告說明書匯總》對綜掘工作面的瓦斯涌出量預(yù)測，巖巷綜掘工作面最大瓦斯涌出量為1.3m3／min。磁西礦設(shè)－850m和－1150m兩個(gè)水平，已勘探區(qū)域服務(wù)年限40.3a，工業(yè)場地采用平坡式布置形式，表土及風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法鑿井，基巖段采用普通法配合地面預(yù)注漿法鑿井。立井轉(zhuǎn)平巷時(shí)期增加4個(gè)掘進(jìn)工作面，最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離3417m。

2 主井施工區(qū)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

2.1 主井井筒通風(fēng)方案

磁西一號礦主井井筒深度972m，凈直徑7.0m，凈斷面38.49m2，采用機(jī)掘施工方式。為適應(yīng)井筒施工需要，采用壓入式通風(fēng)，即在距井口附近至少10m處安設(shè)2臺型號為FBD№7.5／2×45局部對旋風(fēng)機(jī)（其中一臺備用），布置一路?1000mm PVC阻燃風(fēng)筒，向井下工作地點(diǎn)輸送新鮮空氣，井筒回風(fēng)。

2.2 立井轉(zhuǎn)平巷時(shí)期通風(fēng)方案

依據(jù)《冀中能源峰峰集團(tuán)磁西一號礦（超千米深井）施工組織設(shè)計(jì)井巷工程施工網(wǎng)絡(luò)圖》，主井井底南、北繞道同時(shí)掘進(jìn)，采用地面通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。南、北繞道施工結(jié)束后，在北繞道一側(cè)掘進(jìn)風(fēng)庫，實(shí)現(xiàn)長距離供風(fēng)，風(fēng)庫長度為25m。通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)圖

直至－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷與北繞道貫通后，掘進(jìn)施工工作面有4個(gè)，現(xiàn)按－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷選擇局部通風(fēng)機(jī)（該巷道斷面最大），受井筒斷面及深度限制，不可能實(shí)現(xiàn)每個(gè)掘進(jìn)工作面均實(shí)行地面壓入式獨(dú)立供風(fēng)，擬采用混合式通風(fēng)，即一路新鮮風(fēng)流沿主井內(nèi)風(fēng)筒到達(dá)井底風(fēng)庫（主井地面局部通風(fēng)機(jī)不變，型號為FBD№7.5／2×45），另一路新鮮風(fēng)流沿九龍副井井筒到達(dá)主井井底風(fēng)庫（在九龍副井－600m井底車場安設(shè)4臺局部通風(fēng)機(jī)，其中兩臺備用，型號為FBD№8.0／2×75），兩路風(fēng)流流入在北繞道設(shè)置的風(fēng)庫內(nèi)，供局部通風(fēng)機(jī)群吸入，局部通風(fēng)機(jī)群分別向各掘進(jìn)工作面供風(fēng)，乏風(fēng)由主井井筒排至地面。

3 通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)風(fēng)量計(jì)算及通風(fēng)機(jī)選型

3.1 掘進(jìn)工作面需風(fēng)量計(jì)算及通風(fēng)機(jī)選型

3.1.1 掘進(jìn)工作面需風(fēng)量計(jì)算

磁西一號礦井采用綜掘機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面的斷面面積見表1。

表1 掘進(jìn)工作面的斷面面積

（1）按工作面最多作業(yè)人數(shù)計(jì)算。

式中：Q人——按工作面最多人數(shù)計(jì)算需風(fēng)量，m3／min；

N——掘進(jìn)工作面最多人數(shù)，取30人；

4——每人用風(fēng)量不少于4m3／min。

經(jīng)計(jì)算Q人＝120m3／min。

（2）按掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算。

根據(jù)《聯(lián)建可行性研究報(bào)告說明書匯總》對綜掘工作面的瓦斯涌出量預(yù)測。

式中：Q掘——按掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算需風(fēng)量，m3／min；

Q瓦——掘進(jìn)工作面瓦斯絕對涌出量，取1.3m3／min；

K——掘進(jìn)工作面瓦斯涌出不均勻系數(shù)，取2.0。

經(jīng)計(jì)算Q掘＝260m3／min。

（3）按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。

－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷需風(fēng)量：

式中：Q1min——按最小風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷風(fēng)流量，m3／min；

Q1max——按最大風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷風(fēng)流量，m3／min；

S1——－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷凈斷面面積。

－850m帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷需風(fēng)量：

式中：Q2min——按最小風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m帶式輸送機(jī)大巷風(fēng)流量，m3／min；

Q2max——按最大風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m帶式輸送機(jī)大巷風(fēng)流量，m3／min；

S2——－850m帶式輸送機(jī)運(yùn)輸大巷凈斷面面積。

－850m水平泵房管子道通道需風(fēng)量：

式中：Q3min——按最小風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m水平泵房管子道通道風(fēng)流量，m3／min；

Q3max——按最大風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m水平泵房管子道通道風(fēng)流量，m3／min；

S3——－850m水平泵房管子道通道凈斷面面積。

－850m井底水倉需風(fēng)量：

Q4min＝60×0.15×S4＝115.2m3／min Q4max＝60×4×S4＝3072m3／min

式中：Q4min——按最小風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m井底風(fēng)倉風(fēng)流量，m3／min；

Q4max——按最大風(fēng)速計(jì)算時(shí)的－850m井底風(fēng)倉風(fēng)流量，m3／min；

S4——－850m井底水倉道凈斷面面積。

根據(jù)以上驗(yàn)算，考慮到其他因素，富裕系數(shù)取1.2，因而掘進(jìn)工作面需風(fēng)量Q為312m3／min，滿足《規(guī)程》規(guī)定的風(fēng)速要求。

3.1.2 風(fēng)筒風(fēng)阻計(jì)算

按該工期內(nèi)通風(fēng)最長距離計(jì)算，風(fēng)筒全長為2329m，采用直徑?800mm PVC阻燃風(fēng)筒，每節(jié)風(fēng)筒長為10m。

（1）風(fēng)筒摩擦風(fēng)阻。

式中：R摩——風(fēng)筒摩擦風(fēng)阻，N·S2／m8；

α——膠質(zhì)風(fēng)筒的摩擦阻力系數(shù)，取0.0025 N·S2／m4；

D——風(fēng)筒直徑，取0.8m；

L——風(fēng)筒總長，取2329m。

經(jīng)計(jì)算R摩＝115.5N·S2／m8。

（2）風(fēng)筒的風(fēng)量比。

式中：P——風(fēng)筒風(fēng)量比；

K——風(fēng)筒單位接頭漏風(fēng)系數(shù)，取0.001。經(jīng)計(jì)算P＝1.29。

（3）局部通風(fēng)機(jī)的吸入風(fēng)量。

掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量：

式中：Q通——通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，m3／min。

（4）局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓。

經(jīng)計(jì)算得H全＝4024Pa。

（5）局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)阻。

3.1.3 局部通風(fēng)機(jī)選型

圖2 FBD№6.3／2×30型局部通風(fēng)機(jī)特性曲線

通過以上計(jì)算，在FBD系列局部通風(fēng)機(jī)性能曲線上進(jìn)行通風(fēng)機(jī)選型，選用FBD№6.3／2×30型礦井用防爆壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生的風(fēng)量能滿足通風(fēng)要求。－850m水平進(jìn)風(fēng)行人大巷局部通風(fēng)機(jī)選型主要技術(shù)參數(shù)：通風(fēng)距離2329m，巷道斷面16.1m2，風(fēng)筒直徑800mm，工作面需風(fēng)量312m3／min，風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量402m3／min，全壓4024Pa，風(fēng)機(jī)型號FBD№6.3／2×30；預(yù)測風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)工作風(fēng)阻89.64N·S2／m8，工作風(fēng)量510m3／min，全壓6500Pa。

FBD№6.3／2×30型局部通風(fēng)機(jī)特性曲線見圖2。根據(jù)其特性曲線，在掘進(jìn)工作面施工期間，風(fēng)機(jī)效率η在70%～90%。由于長距離通風(fēng)，通風(fēng)阻力很大，在4000Pa以上，增加風(fēng)筒直徑可降低通風(fēng)阻力。

3.2 風(fēng)庫進(jìn)風(fēng)量計(jì)算及通風(fēng)機(jī)選型

3.2.1 風(fēng)庫供風(fēng)量演算

式中：Q庫——風(fēng)庫供風(fēng)量，m3／min；

P——供風(fēng)系數(shù)，漏風(fēng)和防止局部通風(fēng)機(jī)群的循環(huán)風(fēng)，取1.2；

n——掘進(jìn)頭個(gè)數(shù)，共4個(gè)；

Q局大——取最大局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，510 m3／min。

經(jīng)計(jì)算Q庫＝2448m3／min。

主井井底北繞道風(fēng)庫內(nèi)進(jìn)風(fēng)量必須滿足局部通風(fēng)機(jī)群的吸風(fēng)量，因此九龍－600m井底車場安設(shè)的局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量最低不能小于1689m3／min，即選用型號為FBD№8.0／2×75（4臺，其中2臺備用）和主井局部通風(fēng)機(jī)FBD№7.5／2×45（2臺，其中1臺備用）礦井用防爆壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)并附設(shè)?1000mm風(fēng)筒能滿足風(fēng)量要求。

3.2.2 風(fēng)庫供風(fēng)風(fēng)筒通風(fēng)阻力

（1）風(fēng)筒風(fēng)阻R的計(jì)算。

由于分九龍－600m井底車場和主井地面兩個(gè)通風(fēng)機(jī)地點(diǎn)供風(fēng)，則R九龍＝6.5×α×L／D5；其中：α＝0.0025，D＝1.0m，L＝883m，經(jīng)計(jì)算R九龍＝14.34N·S2／m8。同理得R主井＝17.68N·S2／m8。

（2）總通風(fēng)阻力。

式中：λ——風(fēng)筒風(fēng)阻富裕系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算得R九龍總＝17.2N·S2／m8。

同理得R主井總＝21.22N·S2／m8。

（3）局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量。

（4）局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)壓。

經(jīng)計(jì)算得H主井＝1450Pa。

同理和H九龍＝1175.5Pa。

3.2.3 局部通風(fēng)機(jī)選型

通過以上計(jì)算，在FBD系列局部通風(fēng)機(jī)性能曲線上進(jìn)行通風(fēng)機(jī)選型，主井地面選用FBD№7.5／2×45，九龍－600m井底車場選用FBD№8.0／2×75型礦井用防爆壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生的風(fēng)量能滿足通風(fēng)要求。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 局部通風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

計(jì)算可知，風(fēng)庫進(jìn)風(fēng)量：Q主井＝1072÷1.3＝824m3／min；Q九龍＝1277÷1.3＝982m3／min，均大于風(fēng)庫需風(fēng)量612m3／min，滿足風(fēng)量要求。

4 結(jié)論

建井期間長距離獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)不足直接影響了建井進(jìn)度、有害氣體的排放，而現(xiàn)階段通風(fēng)設(shè)備又很難將大量新鮮風(fēng)流長距離地輸送到用風(fēng)地點(diǎn)，接力風(fēng)庫的構(gòu)筑可有效解決這一問題，同時(shí)又是高效經(jīng)濟(jì)且具有創(chuàng)新理念的通風(fēng)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景，可為相似條件下的礦井建設(shè)提供例證。

［1］ 賴滌泉.隧道施工通風(fēng)與防塵［M］.北京：中國鐵道出版社，1994

［2］ 王海峰.烏鞘嶺特長隧道斜井施工通風(fēng)技術(shù)［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（15）

［3］ 張國樞.通風(fēng)安全學(xué)［M］.江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007

［4］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局，煤礦安全規(guī)程.［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011

［5］ 張明月.優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)降低通風(fēng)阻力［J］.中國煤炭，2007（6）

Application of ventilation relay technology in building of kilometer deep shaft

Yang Bensheng，Liu Jie，Zhao Litao，Shao Wentong
（School of Resources，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China）

In long distance tunneling of kilometer deep shaft，the ventilation equipment can not efficiently convey the fresh airflow to the wind－needed position，so，it needs to build a ventilated storage in appropriate position in the middle part to meet the airflow demand through the ventilation relay method.After testing and calculating，the fan is selected safely，economically and reasonably which has ensured the project progress and improved the safety degree in mine construction.

kilometer deep shaft，blind heading，ventilated storage，ventilation relay

TD722

A

＊河北省自然科學(xué)基金（E2011402046）

楊本生（1956－），男，河北省武安市人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事礦山壓力及控制研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）