0 引言

矿井开拓时期, 通常要掘进长距离的独头巷道。由于独头掘进巷道本身不能形成贯穿风流, 空间有限, 因此独头巷道掘进过程中产生的各种有毒有害气体、粉尘等污染物聚集在独头掘进工作面附近, 使独头掘进在作业过程中存在以下问题:①工作面作业环境差, 对工人的身体健康造成极大危害。②机械设备磨损速度快, 腐蚀严重, 柴油机设备的运转效率低, 特别是在机械化作业程度高的矿山, 这种情况尤为突出。通风除尘技术是解以上问题的基本方式。但由于长距离独头掘进施工存在作业面空间小、作业线路长、工作面不断变化、运输频繁等特殊性, 使得长距离掘进巷道的通风除尘与生产施工和电能的合理利用等方面存在着很大的矛盾。因此国内外研究者对长距离独头掘进通风进行了广泛的研究。

1 长距离独头通风除尘工艺的发展

长距离独头巷道的传统通风方法是采用多台串联或抽压混合的通风方式。以上通风方式不但排风距离长、维护难、风阻大、漏风大, 而且还存在有效风量率低、风质差、耗能大、通风成本高等一系列问题。因此, 众多学者和工程技术人员针对长距离独头掘进巷道的通风特点, 进行了通风系统工艺方面的改进, 提出了钻孔通风、净化循环通风和分阶段通风等通风方法。

当长距离掘进巷道离地表较近或离已贯通的中段较近时, 可采用钻孔通风的方式来解决长距离独头的通风问题。钻孔通风就是利用钻孔将上下两个中段连通或与地表连通, 新鲜空气经钻孔流入作业面, 或者作业面的污风经钻孔排出, 使作业面经常保持足够的、合乎卫生标准的新鲜空气^[1]。

20世纪90年代初, 江西荡坪钨矿和东北工学院采用净化循环通风的方法成功地解决了长距离独头通风中存在的风阻大、漏风量大等问题。具体的做法是将生产过程中的含尘气流抽出来, 在净化硐室内净化后又往复送入工作面, 达到了风流净化和节能的效果。但由于净化循环通风中只具有过滤粉尘的功能, 因此对有毒气体的非煤矿井和有沼气瓦斯等气体溢出的煤矿井, 净化循环通风并不适用^[2-3]。

在传统的长距离独头掘进通风中, 有时会在独头掘进的整个时期都利用同一台局扇通风。局扇所需风压是按照巷道掘进到的最终长度所克服的阻力来选定的, 但是巷道的长度是随着巷道掘进工作的延续而由短至长逐渐延伸的, 因此按掘进结束时期选择的通风局扇, 在巷道长度较短时, 输出负荷大于实际所需负荷, 造成了能量浪费。为了节约长距离通风过程中所消耗的电能, 中国地质大学陆愈实等人提出了分阶段通风的方法。所谓分阶段通风是将总巷道长度划分为若干段, 每个阶段根据长度不同分别采用不同功率的风机进行通风的一种通风方法。他们还根据使通风电费和风机的购置费用的和为最低的原则确定了最优分段数的计算方法, 并根据风筒的购置费用和在不同风筒直径时所花费的电费得出风筒最优直径的计算公式。在对巷道断面积为10.2 m², 巷道长度为3 100 m的长距离独头分别采用分阶段通风和传统通风方法时的通风费用做了比较后, 得出采用分阶段通风的方法独头掘进巷道的通风费用节约了17 673.85元^[4-6]。

2 长距离独头掘进通风用风机和风筒的改进 2.1 风机性能的改进

为了减少串联风机之间由于性能的不匹配而造成通风效率的降低, 通常需要减少风机的串联台数, 因此常用高压局扇来对长距离独头掘进巷道进行通风。苏联从20世纪70年代开始在独头巷道使用涡轮鼓风机, 并在极长距离独头巷道中使用TB系列风机, 使用结果表明, 与一般的通风装置相比, 在掘进长度为1 000~2 000 m的独头巷道时, 一台TB系列涡轮鼓风机每年可节约通风费用2万卢布。1983年, 北高加索矿冶学院研究开发出涡轮鼓风机的可逆式装置, 在爆破后, 使用该通风装置对工作面的炮烟进行5~7 min的抽吸, 然后调节可逆式通风装置, 将新鲜风流压入工作面。与其他的通风方式相比, 安装了这种可逆式通风装置的风筒离作业面的距离可以增加, 而且可以有效地排除工作面高浓度的爆炸气体, 同时不污染巷道内的空气, 并且减少了爆破后巷道通风的时间^[7-8]。

20世纪80年代末, 苏联顿涅茨克煤矿机械设计院对вмц-8型高压风机进行了技术改造, 他们根据高压空气动力学研制出вмц-8м型涡轮鼓风机。后者与前者相比在工作轮叶片前面的出风区具有反向曲度, 从而提高了空气动力参数和效率。вмц-8м型风机可分成安装涡流导流器和不安装涡流导流器两种形式。涡流导流器的作用是在开动后风压不大的情况下, 使风流逐渐充满风筒并供风, 然后再逐渐转入高压状态, 从而更有利于保护电机和风筒。装有涡流导流器的风机的供风量具有可调节的特性, 因此也可用于短距离巷道通风^[9-10]。

1994年9月原中国煤炭部下文重点推广使用4种通风安全装备, 这4种通风安全装备中就包括对旋式高效局部通风机。这种局部通风机与以往的局扇相比具有高效、低噪、高风压和安装维修便利、适应性强的特点, 而且对旋轴流式局部通风机特性曲线比普通轴流式局部通风机特性曲线陡, 即压力增加较高, 而风量变化较小, 因此非常适合掘进工作面对风量的控制。研究表明, 当两级叶轮对旋运行时, 在掘进长度为800~1 500 m范围内, 可完全不随掘进距离的延长而搬移通风机, 能满足长距离局部通风对风量的需求, 且能克服长距离独头巷道的通风阻力^[11]。

2.2 风筒的改进

长距离独头掘进巷道的通风问题长期得不到解决, 风筒的通风效果不好也是主要原因之一。具体又有以下几点。

(1) 通风阻力大。独头掘进通风中大多配以小直径风筒, 使之选用的风筒与局扇不匹配, 因此在局扇风压不够的时候随意串联风机, 这样虽然由于风筒直径小而节省了风筒的购置费用, 但实际上增加了局扇的购置费用, 且通风阻力有所增大, 因而增加了通风费用。

(2) 漏风量大。在使用缝纫加工的胶质布或塑布软风筒时, 一方面由于布料的选材不当造成风筒本身透气性大, 另一方面由于针眼多, 针眼处漏风量也大; 而软风筒在接头处的连接不当, 也是造成软风筒漏风量大的一个主要原因。一般认为, 使用硬质风筒通风比软风筒通风可靠, 但由于硬质风筒管节短, 接头多, 接头处漏风量大, 通风效果也没有明显好转。

(3) 管理混乱。在风筒的安装中没有严格遵循平、直、顺的原则, 增加了风筒的通风阻力和风筒的破损^[12]。

中铁隧道局针对独头通风中关于风筒的漏风问题, 选用接头漏风少、无针孔、阻力小的由新型材料制成的Ø600通风软风筒, 按管路压力由高到低的规律安装不同节长的软风筒, 风筒的漏风率由原来的11.3 %下降到1.47 %^[13]。

2001年中南大学吴超教授在考察瑞典、芬兰和美国的一些矿山后, 建议在我国的一些机械化掘进的大断面独头巷道的掘进通风中使用大直径风筒。他在详细分析了能耗相同时不同风筒直径与风量的关系、阻力相同时不同风筒直径与风量的关系以及增大风筒直径时增大风筒购置成本和减少通风费用的关系后指出, 增大局部通风风筒直径可以大大降低通风阻力, 减少漏风量, 因此可以大幅度增大送风量和送风距离并减少通风成本^[14]。

3 自动控制技术的应用

长距离独头掘进巷道的通风效果除了与通风系统的设计、风机类型和风筒的选择是否合理和通风管理是否到位等因素有关外, 还和风机与风筒的配合、风筒口到工作面的距离等因素有关^[15]。

在长距离独头通风中, 在没有高压局扇的情况下, 经常会用多台局扇串联工作的方式。按局扇布置方式不同, 分为集中串联通风和间隔串联通风。集中串联就是几台风机首尾相接串联通风, 而间隔串联就是几台风机通过风筒串联在一起。一般来说在风机风筒等各种条件相同的情况下, 集中串联比间隔串联漏风量大, 而间隔串联虽然漏风量小, 但在采用柔性风筒时, 第二台风机进风端的负压往往会将第一台风机末端的柔性风筒吸瘪, 严重时可将部分柔性风筒吸入风机, 导致电机被烧毁。如果将第二台风机向第一台风机靠拢, 使其进风端处于第一台风机正压较高的范围内, 则又缩短了风机悬挂风筒的有效长度, 从而需增加风机台数, 这样又增加了风机的购置费用。因此, 必须采取措施来消除间隔串联通风的以上矛盾。云南锡业集团苏祖晔等研究设计制作了压差补偿器串联, 将此压差补偿器串联在第二台风机的进风端与第一台风机的柔性风筒末端, 当风筒在串联风机作用下处于负压状态时, 安设在压差补偿器上的阀门片自动向内开启, 让风筒外的空气补充进入, 使风筒内外的空气压力基本相等。当风筒内的压力大于风筒外的压力时, 压差补偿器上的阀门片在正压的作用下又自动关闭, 防止污风向外泄漏, 从而有效地解决了串联通风中柔性风筒被吸瘪这一技术难题。经多年来在云锡矿山井下长独头掘进中应用的结果表明, 在串联风机上安装压差补偿器后, 不仅大幅度提高了长独头掘进效率和节省了通风电耗, 而且通风效果良好^[15]。

在独头掘进巷道的局部通风中, 无论采用哪种通风方式, 从理论上讲, 风筒到工作面的距离不能超过其有效射程或吸程, 在其有效射程或吸程之外会形成涡流区, 污风不能被有效稀释和排走。为了保证良好的通风效果, 风筒口距工作面的最佳距离应满足以下关系:

压入式通风时:;

抽出式通风时:。

式中:S为巷道的断面积; L_y为风流有效射程; L_x为风流有效吸程。

对于10 m²以下的中小型断面, 风筒的有效射程为16 m, 有效吸程为5 m, 均小于16 m, 如果风筒口与工作面的距离大于16 m, 独头的通风效果明显下降。但在实际施工中, 爆破作业产生的飞石的抛掷距离一般都大于20 m, 同时井下有限空间爆破时还产生强大的冲击波。当风筒安放在距作业面20 m之内的地方, 必然会对风筒产生破坏。因此, 为了防止在爆破作业时风筒遭到破坏, 一般风筒被安装在距独头作业面20 m以外的地方, 爆破结束后再把风筒拉到作业面通风。而工人为了抢工期, 通常在爆破作业后不久, 就强行把风筒拉到工作面附近, 这严重违反了操作规程, 存在着极大的安全隐患。为了解决这个矛盾, 武警部队黄金技术学校研制出一种DT-1型高效通风系统。这个系统总体上主要由四大部分组成:固定装置、轨道与风筒运行装置、伸缩式风筒、自动控制与动力装置。系统可在距工作面40 m以外的地方安装, 能使压入式通风风筒出风口在工作面爆破后自动推进至工作面风流有效射程范围之内(10 m)的位置, 从而保证工作面能得到有效风流的作用, 稀释排走污风, 不致出现涡流区, 使通风时间控制在1h以内, 空气质量达到国家标准, 保障了独头掘进作业的高效、安全进行^[16-18]。

4 结束语

随着我国矿山强化开采技术和集约化生产的发展, 独头巷道的掘进长度也越来越长, 因此长距离独头掘进工作面的通风难题在国内各矿山广泛存在。只有解决长距离独头掘进巷道在通风系统设计、风机和风筒的选型以及通风自动化技术等方面与生产施工和电能的合理利用等方面存在的矛盾后, 才能有效解决长距离独头掘进巷道的通风问题, 从而进一步保证生产工人的身体健康和机械设备的有效运行, 使企业的经济效益进一步提高。