按炸藥量計算壓入式通風(fēng)掘進工作面需風(fēng)量的方法探討

張春山 孟志斌 呂 斌

（大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西省大同市，037016）

我國現(xiàn)行的依據(jù)炸藥量計算煤礦掘進工作面風(fēng)量的方法是根據(jù)B.H.沃洛寧公式推導(dǎo)得出的，其中放炮產(chǎn)生的有害氣體的允許濃度Cp已隨煤礦現(xiàn)代化程度的提高和礦井安全要求的進一步加強而大幅度降低。然而，現(xiàn)行的計算公式仍沿襲原有的標(biāo)準(zhǔn)，未根據(jù)我國有關(guān)煤炭行業(yè)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的變化而進行修正。

本文從源頭入手，推導(dǎo)出滿足現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的理論計算公式，分析相關(guān)公式的實際可行性，提出能促使該公式可實現(xiàn)的理想前提。

1 理論上按炸藥量計算掘進工作面需風(fēng)量公式的推導(dǎo)

根據(jù)B.H.沃洛寧公式，當(dāng)掘進巷道采用局部通風(fēng)機壓入式通風(fēng)、且風(fēng)筒出口到工作面的距離小于或等于 4～5時（即射流有效射程內(nèi)），工作面所需風(fēng)量或風(fēng)筒出口的風(fēng)量應(yīng)為：

式中：t——通風(fēng)時間，一般取20～30min；

A——同時爆破炸藥量，kg；

b——每千克炸藥產(chǎn)生的一氧化碳當(dāng)量；

S——巷道斷面積，m2；

L——巷道通風(fēng)長度，m；

pq——風(fēng)筒始、末端風(fēng)量之比，即漏風(fēng)系數(shù)；

Cp——放炮產(chǎn)生的有害氣體濃度 （即一氧化碳）的允許值，%；

k——紊流擴散系數(shù)，通常取1。

將式 （2）代入式 （1）得：

在風(fēng)筒無漏風(fēng)的理想狀態(tài)時 （即漏風(fēng)系數(shù)pq為1），將已知數(shù)代入式 （3）得：

以式 （4）為基礎(chǔ)，在最短通風(fēng)時間為20min的前提下，得：

式（5）為按炸藥量計算掘進工作面需風(fēng)量的理論簡化公式。從式中可見，在通風(fēng)時間一定的情況下，掘進工作面需風(fēng)量與一次爆破炸藥最大使用量、每千克炸藥產(chǎn)生的一氧化碳當(dāng)量和一氧化碳濃度的允許值有關(guān)。

從《通風(fēng)安全學(xué)》可知，高瓦斯礦井實行的風(fēng)量計算公式的得出是以一氧化碳濃度的允許值為0.02%為參考基礎(chǔ)的。將其代入式 （5）得：

b=40L／kg，即以每千克炸藥產(chǎn)生40L 一氧化碳等有害氣體為計算依據(jù)。

2 現(xiàn)行計算標(biāo)準(zhǔn)的推導(dǎo)

我國煤礦安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ1056-2008《煤礦通風(fēng)能力核定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：二、三級煤礦許用炸藥 （《煤礦安全規(guī)程》第320條規(guī)定：高瓦斯礦井必須使用安全等級不低于三級的煤礦許用炸藥）風(fēng)量計算公式為：

式中：Ahf——掘進工作面一次爆破所用的最大炸藥量，kg。

將式 （6）與式（7）代入等量的炸藥量分別進行計算，將計算結(jié)果進行對比得出兩者是一致的。

3 符合規(guī)定的理論公式的推導(dǎo)

由前述可看出，0.02%的一氧化碳允許值已悖于《煤礦安全規(guī)程》第100條的0.0024%的最高允許濃度，因此，在相同的b=40L／kg的前提下，根據(jù) 《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，按炸藥量計算掘進工作面需風(fēng)量的公式應(yīng)修改為：

由此得出，在要求一氧化碳最高允許濃度不超過0.0024%的前提下，每千克炸藥所需的配風(fēng)量至少應(yīng)為83.3m3／min。

4 可行性分析

《煤礦安全規(guī)程》第321條規(guī)定，在掘進工作面應(yīng)全斷面一次起爆，不能全斷面一次起爆的必須采取安全措施。

而在實際的巷道掘進過程中，全斷面一次起爆炸藥量至少需20kg。以20kg計算，由式 （7）得200m3／min，式（9）得1666 m3／min。后者是前者的8.33倍。

這就意味著，若按掘進工作面一氧化碳濃度不超過0.0024%計算，工作面風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量至少需為1666m3／min。這樣會帶來諸多弊端。

（1）若要求風(fēng)筒末端出風(fēng)量在1666 m3／min甚至以上，以長度為1000m 的巷道為例，假設(shè)風(fēng)筒百米漏風(fēng)率為2%，則通風(fēng)機的實際吸風(fēng)量至少應(yīng)為2082.5m3／min，如此大的風(fēng)量供應(yīng)已不是局部通風(fēng)機所能做到的；即使有如此大的風(fēng)量通過，直徑為1.2 m 的高強度風(fēng)筒也無法承受，只能通過掘進風(fēng)道供風(fēng)；同樣，掘進風(fēng)道或其他任何巷道也會遇到上述困擾。

（2）即使使用了滿足要求的通風(fēng)機，并配套了相應(yīng)的供風(fēng)通道，以合理采掘比1∶2開拓部署時，掘進工作面至少需4臺大功率通風(fēng)機，如此將極大提高礦井通風(fēng)和生產(chǎn)成本，與企業(yè)降低成本、提高效益的目標(biāo)是背道而馳的。

從上述分析來看，式 （9）雖符合 《煤礦安全規(guī)程》，但卻嚴(yán)重脫離實際生產(chǎn)。

5 建議

（1）從式 （4）可看出，按炸藥量計算掘進工作面的風(fēng)量時，計算結(jié)果與一次最大炸藥使用量A、一千克炸藥產(chǎn)生的一氧化碳當(dāng)量b、通風(fēng)時間t及一氧化碳允許濃度C4個參數(shù)有關(guān)。

若要使所計算的結(jié)果能較好地與實際相符，就需在上述4個參數(shù)中找出一個平衡點。但從目前來看，參數(shù)b和t已無下降和增大的可能。首先，現(xiàn)行計算標(biāo)準(zhǔn)中b是取40L／kg，而據(jù)國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的數(shù)據(jù)，目前我國煤礦許用炸藥經(jīng)檢驗爆炸后實際產(chǎn)生的有毒氣體最大不超過40L／kg，因此，參數(shù)b不能比現(xiàn)有的計算標(biāo)準(zhǔn)更低；其次，前述計算中的通風(fēng)時間為20 min，而實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)小于最短通風(fēng)時間甚至是放炮完畢后就立即進入工作面施工的情況，因此，理論上的延長最短通風(fēng)時間也是脫離實際的。

在一次最大炸藥使用量和一氧化碳最高允許濃度之間，只能是降低炸藥用量或提高一氧化碳允許濃度，或者是同時改變二者。

（1）若降低一次最大炸藥用量，就意味著 《煤礦安全規(guī)程》第321條“掘進工作面應(yīng)全斷面一次起爆；不能全斷面一次起爆的，必須采取安全措施”的表述應(yīng)修改。即使如此，在掘進工作面的風(fēng)筒出風(fēng)量在320 m3／min 和式 （9）所得的83.3 m3／min的每千克炸藥所需的最低風(fēng)量的前提下，一次最大僅能爆破4kg炸藥。相比較20kg，一次僅能爆破4kg炸藥大大降低了勞動效率，甚至因此造成礦井采掘接替的緊張，不利于安全高效生產(chǎn)。

（2）在提高一氧化碳最高允許濃度的問題上，需說明如下幾點：礦井空氣中一氧化碳濃度達到0.048%時，1h 內(nèi)才可出現(xiàn)輕微的中毒癥狀；一氧化碳濃度達到0.02%時，2～3h內(nèi)可能引起輕微頭痛；一般來說，一次放炮所產(chǎn)生的炮煙會在40min內(nèi)完全稀釋，因此，提高掘進工作面的一氧化碳最高允許濃度是完全可行的，所允許的最高濃度為0.02%即可。

綜上所述，AQ1056-2008行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的掘進工作面風(fēng)量計算方法可實行，但其中需注明一氧化碳的最高允許濃度以0.02%計算。

由此，就必須對 《煤礦安全規(guī)程》第100條中的表1進行修改，須將采煤工作面和掘進工作面分開說明，即掘進工作面的一氧化碳最高允許濃度為0.02%；而采煤工作面一方面其配風(fēng)量遠(yuǎn)比掘進工作面的大，另一方面其可分組裝藥爆破 （《規(guī)程》第321條），同時又受到采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的影響，因此，最高允許濃度為0.0024%。

6 結(jié)果分析

（1）從源頭入手，經(jīng)過計算推導(dǎo)得出了符合2011年版 《煤礦安全規(guī)程》的按一次最大炸藥使用量計算掘進工作面需風(fēng)量的公式，證明了現(xiàn)行計算標(biāo)準(zhǔn)的錯誤。

（2）論述了理論推導(dǎo)式的實際不可操作性，在此基礎(chǔ)上，論證得出了現(xiàn)行計算標(biāo)準(zhǔn)可行的前提條件，即掘進工作面的最高一氧化碳濃度為0.02%。

（3）重新分析了 《煤礦安全規(guī)程》第100條表1中的一氧化碳最高允許濃度的意義，使 《規(guī)程》的相關(guān)技術(shù)規(guī)定能更好地指導(dǎo)并服務(wù)于生產(chǎn)。

正如在結(jié)果分析中所說，如果現(xiàn)行計算標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)與現(xiàn)場實際情況不相符的情況，則應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場實際情況對標(biāo)準(zhǔn)進行認(rèn)真分析，以能夠更好解決實際問題。

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