掘进工作面通风设计有关问题的浅见

掘进工作面通风设计有关问题的浅见

作者 周久和

摘要：掘进工作面是瓦斯与煤尘爆炸事故的多发点，必须加强掘进通风的技术和安全管理，编制《掘进工作面作业规程》时，除了根据《煤矿安全规程》以及《矿井通风能力核定办法》的相关规定进行通风设计计算外，还必须根据矿井的实际情况，综合考虑矿井井下作业点的通风现状、进风流中的瓦斯含量、空气温度、距回风口长度、一次使用炸药量、矿井现有（或必须具有）的局部通风机和风筒，以安全、高效、节能为目标。现就掘进工作面应配风量的计算与选择设备的方法，通风设计计算中的常见问题谈一点肤浅认识。

关键词：掘进、通风、设计、设备选型计算

一．掘进工作面配风量计算依据

1．按工作面同时工作的最多人数计算，每人每分钟供给新鲜风量不得少于4米；

2．工作面空气中CH 4的浓度低于1%、CO 2的浓度低于1.5%，空气温度低于26C ；并同时考虑工作面在放炮时瓦斯、二氧化碳涌出不均衡系数取1.5～2.0；

3．掘进中的煤巷和半煤岩巷道的风速最低为0.25m/s、岩石巷道的风速最低为0.15m/s，最高为4m/s；其它通风行人巷道的风速最低为0.15m/s；

4．放炮后，主要以稀释炸药爆炸后产生的炮烟中的巨毒气体CO 浓度低于0.024%，NO 2浓度低于0.0025%。

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二．工作面通风设计的相关公式及计算原则 （一）. 确定有关的安全距离

掘进工作面采用压入式通风除了要计算需风量以外, 还必须按规定计算工作面在放炮后工人不被炮烟熏倒的安全长度和避免工作面出现循环涡流区。

1．回风流炮烟稀释的安全长度（尤其是确定起爆点到符合有关规定的被串联工作面进风口位置）。

L 稀 =400

A

, m ; （1） S

式中：L 稀—从掘进工作面至稀释炮烟到安全浓度（CO 浓度低于0.024%， NO2浓度低于0.0025%）的

距离，m ；

A —掘进工作面一次爆破的炸药量，Kg ； S —掘进巷道成巷后的净断面，m ；;

当计算出的距离L 稀大于100米而又小于工作面到回风口的距离时，起爆点位置为L 稀长度处设点；当

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计算出的距离L 稀小于100米时，起爆点位置应在大于100米长度处设点；当计算出的距离L 稀大于100米而且又大于工作面到回风口的距离时，起爆在回风口外的位置设点。

2. 风筒出口到工作面的有效射程

风流从风筒出口形成的射流属末端封闭的有限贴壁射流（井巷紊流扩散），气流贴着巷道壁射出风筒后，由于吸卷作用，射流断面逐渐扩大，直至射流的断面达到最大值，然后，射流断面逐渐缩小，直至为零。风筒出口至射流反向的最远距离称为射流的有效射程，用L 射表示。一般有：

L ≤L 射=（4～5）S ，m （2）

式中：L 射—风流的有效射程，m ；

在有效射程以外的独头巷道会出现循环涡流区，为了有效地排出炮烟，风筒出口与工作面的距离应小于有效射程L 射。

（二）、配风量计算时容易出现的问题

工作面需要压入风量

在煤巷、半煤岩巷和岩巷独头通风掘进工作面的风量应按瓦斯（或二氧化碳）涌出量、局部通风机吸风量、炸药用量、同时工作的最多人数分别计算，取其中最大值，并用风速验算。

1．按一次起爆炸药量计算

根据《矿井通风能力核定办法》，掘进工作面应配风量为：

Q 压 25A C （3）

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式中：Q 压—稀释、排除掘进巷道中炮烟所需的风量，m /min;

A C --- 掘进工作面一次起爆最大炸药量,Kg 。

若用此公式，当在岩石巷道中掘进矿井水平运输巷，现一般矿井的水平运输大巷净断面高、宽均在2.6m 以上，炮眼深度在1.5～1.8m 左右时，装药量均在20kg 以上，工作面采用毫秒爆破全断面一次起爆时，需风量达500 m/min，下面是煤矿常用的三种局扇的性能参数：

FBD 系列矿用局部通风机性能参数表

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YBT 系列矿用局部通风机性能参数表

BKJ66－11型局部通风机性能参数表

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对于年生产能力小于15万吨的矿井来说，选择能压入工作面风量500m /min的局扇，现在还是很少的。

其时上面的计算公式（3）是由下面的公式简化而来：

Q 压=

A C ⋅b t ⋅c

（4）

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式中： Q压—稀释、排除掘进巷道中炮烟所需的风量，m /min;

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A--- 掘进工作面一次起爆最大炸药量,Kg ；

b----每公斤炸药爆破后生成的当量CO 的量，根据炸药爆破后的有毒气体国家标准 ，b=0.1m/kg； t----通风时间，一般取30min ；

C----爆破经通风后, 允许工人进入工作面工作时的CO 浓度, 一般取C=0.02%。 将以上各参数取值代入公式（4）后, 简化为公式（3）“Q 压≥25A C ”。

以上公式（4）又是根据前苏联B ·H. 沃洛宁公式（5），当风筒出口到工作面的距离L ≤L 射=（4～5）

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S 时，一系列的计算简化而来；

3Q 压, m /min; （5） 式中： Q压—稀释、排除掘进巷道中炮烟所需的风量，m /min;

A --- 掘进工作面一次起爆最大炸药量,Kg ；

t —--稀释炮烟所需时间，《煤矿安全规程》规定取30min ；

b----每公斤炸药爆破后生成的当量CO 的量，根据炸药爆破后的有毒气体国家标准 ，煤巷取

b=0.1m/kg，岩石巷道b=0.04m/kg；

C----爆破经通风后, 允许工人进入工作面工作的CO 浓度, 一般取C=0.02%。

L —-掘进巷道稀释炮烟到安全浓度的长度（或工作面到回风口的距离），m ；当L ＜L 稀时，取L 值；

当L 稀＜L 时，取L 稀值。

P---风筒漏风系数；

柔性风筒的p 漏值可用下式计算： p 漏=

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3

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1

（6）

1-n η接

式中：n ——风筒接头数，个；

η接——每个接头的漏风率，柔性风筒除接头漏风外，而且风筒全长的壁面和针眼都要漏风，故

风筒的漏风是连续均匀的漏风（破口漏风除外），由于风筒生产厂家和生产工艺不同，其漏风也不能采用同比法，各矿井只能根据井下使用的相同或类似的风筒进行测定；

η接=

Q 进-Q 出

（7） ⨯100%；

Q 进

式中：Q 进---局扇工作风量；

Q 出---风筒出口风量；

风筒的接头漏风率也可以用经验值，即插接时η接=0.01～0.02；双反边接头时η接=0.005。

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公式（5）的系列计算虽然麻烦，但在煤矿中，我们可以从中找到解决满足工作面供风量的办法，通过合理安排采掘布局，减少掘进工作面回风巷长度，适当延长通风时间，购买优质无针眼风筒来减少漏风等。

2. 按瓦斯 (或CO 2) 涌出量计算所需风量: Q 掘=100q瓦K 掘 (8)

式中:q瓦—工作面绝对瓦斯涌出量；

K 瓦—瓦斯涌出不均衡的备用风量系数；炮掘工作面取取1.5～2.0；

《矿井通风能力核定办法》中的公式（8），对计算稀释瓦斯所需风量的计算要求是用矿井瓦斯鉴定结果的相应数据，主要存在以下二个问题：

①没有按施工区域埋藏深度、地质构造、断层、裂隙等，预测掘进巷道区域内瓦斯最高涌出量、瓦斯突出倾向性。再按预测的瓦斯最高涌出量作为工作面配风量的计算依据，绝大多数矿井都是以上年度瓦斯鉴定结果作为掘进工作面应配风量的依据。

②没有对安装局扇处风流中的瓦斯浓度提出要求，《煤矿安全规程》虽然规定局扇应安装在新鲜风流中，但大部分矿井的采区内，尤其是采区的回风区内， 即使是新鲜风流中仍然有瓦斯存在。

矿井在编制“作业规程”时，应综合考虑以上因素，在有瓦斯(或CO 2) 涌出的掘进区内，其所需风量应保证巷道内任何地点瓦斯浓度不超限， 建议采用下面的公式（9）：

Q 瓦=

100K CH 4Q CH 43

，m /min (9)

C CH 4-C 进CH 4

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式中 Q 瓦──排出瓦斯所需风量，m /min；

Q CH4──掘进巷道预测的绝对瓦斯涌出总量，m 3/min； C CH4──工作面最高允许瓦斯浓度， %； C 进CH4──进风流中的瓦斯浓度，%； K CH4──瓦斯涌出不均匀系数，取1.5～2.0。

3．按工作面同时工作的最多人数计算

Q 压=4n (10)

式中 Q压—稀释、排除掘进巷道中炮烟所需的风量，m /min; 4----每人每分钟需要4m 的新鲜空气； n----工作面同时工作的最多人数。 4．按风速验算：

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（1）根据《煤矿安全规程》规定, 掘进煤巷、半煤岩巷道工作面最低风速为0.25m/s，最高风速为4m/s的要求进行验算。即工作面风量应满足:

15×S C ≤Q ≤240×S C 。 (11) S C ---工作面巷道净断面积， m；

（2）根据《煤矿安全规程》规定, 掘进岩石巷道工作面最低风速为0.15m/s，最高风速为4m/s的要求进行验算。即工作面风量应满足:

9×S C ≤Q ≤240×S C 。 (12) S C ---工作面巷道净断面积， m；

在按风速验算时，若矿井掘进巷道较长，设计在中途需掘进错车场的，要考虑错车场段防止出现微风状态的措施。工作面最低风速还应考虑工作面的温度，不同的气温应选择不同的最低风速。

5、按局部通风机实际需风量计算：

Q掘 = Q局×I+V×S C m /min； (13) 式中：Q 局—掘进面局部通风机额定风量，m3/min； I—掘进面同时运转的局部通风机台数，台； V—局部通风机安装位置的最低风速；

S C-----局部通风机安装位置的巷道净断面积。

工作面所需风量确定后，再根据巷道的长度和需风量来选择局扇风机、风筒的型号，然后再确定局扇风机安设位置及配风量。

在此必须注意：

1．根据《爆破安全规程》，采用毫秒雷管引爆，不管分成几段，其炸药都是在很短的时间内（130ms ）一齐爆炸，其按炸药爆炸后产生的CO 和NO 2计算风量时不能以一段的起爆炸药量来计算风量；若风量不能满足要求，应选择其它的起爆方式或减少一次起爆的炸药量；

2．爆破后炮烟所经过的巷道（或其它通道）内若无新风渗入，按公式（1）计算出的巷道长度内，30分钟内若有人员进入，都有造成CO 或NO 2中毒的危险。因此，要尽可能地缩短回风通道，让有毒风流进入回风巷道；

3．若掘进工作面出现符合有关规定的串联通风，在掘进工作面放炮时，处于掘进工作面所需安全回风长度范围内的被串联工作面不能有人作业，否则应参入新鲜空气并在被串工作面的进风流中除了安设低浓度瓦斯传感器外，还应安设CO 传感器、空气净化装置等（如用净化水幕吸收NO 2，），预防被串工作面风流中有害气体超标；

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4. 在受条件限制，风量、回风安全长度、各种传感器的安设都不能满足要求时，为了矿井的安全生产, 首先应暂停施工, 待条件具备时再开工。

三．通风设备的选择

根据工作面所需风量进行验证后，对工作面所需通风设备进行选择， 1．风筒的选择：

根据工作面所需风量进行验证后，对工作面所需通风设备进行选择。 风筒预选按下面的方法进行。

公式 H = h摩+ h局=( aLP/S )Q+ h局； (14) 式中：H---风筒的通风总阻力，Pa ； a----风筒摩擦阻力系数，N ·S /m； 2

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橡胶风筒摩擦阻力系数及百米风阻（标准）值

L---风程长度，m ； P---风筒净断面周长，m ； S---风筒净断面面积，m ； Q---风筒内通过风量，m /s；

h局---局部阻力，Pa ；若风筒按标准吊挂取摩擦阻力的10%；

先根据经验预选适用范围内的一种规格的风筒，按上式计算出风筒（全长）的总阻力，再查局扇风机性能参数表（JBT 、YBT 、BKJ 、BKY 或FBD 等系列局部扇风机, 长时工作状态下的风量、全风压, 若都低于工作面计算的需风量和风筒的总阻力, 就不能用，若风量满足需要，就只能另选风筒，若全风压满足，就只能另选作为全程通风的局扇。

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2．前半段局部扇风机的选择：

通过以上的计算，在满足工作面全程供风量尤其是后半段的供风量时，其在前半段相同风量时，其需要风压（风筒总阻力）要小得多, 为了节约用电，往往都是开始前半段选用小一规格的局扇，然后再用满足全程供风量的局扇。

通过以上局部通风设施的选择计算，可以看出存在以下问题： （1）小型矿井由于巷道断面较小，风筒直径大了占居巷道断面空间； （2）风量大，引起风筒通风阻力大，浪费电能；

（3）掘进工作面供风最大量是按公式（3）计算的结果，这样大的风量只是放炮过程中需要，其它 时间需风量要小得多，若矿井条件较好按公式（5）进行计算。

局部通风设备的选择时，要通过公式h 摩=( aLP/S )Q可以找到解决问题的办法, 风筒的摩擦阻力与风筒断面积的三次方成反比, 与通过的风量的平方成正比, 在风筒可选范围很小的时候, 为了解决以上问题，只有减少一次起爆的炸药量或延长爆破后的通风时间，但减少风量不是随意性的，在保证大于按瓦斯涌出量计算所需风量就行。

注1. 减少一次起爆的炸药量有以下优点和缺点：

（1）可缩短回风流的安全回风距离，这对于串联通风工作面尤其重要；

（2）能使工作面的风量在爆破与其它作业工序时基本相等，合理利用局部扇风机，节约用电； （3）能使用小一号的风筒；

（4）按一次装药一次爆破的规定，工作面装药、爆破的时间较长； （5）工人多次进入空顶区内，危险性大。

注2．全断面一次装药，用毫秒雷管一次引爆并延长爆破后的通风时间，有以下优点和缺点： （1）实现全断面一次装药，一次引爆。装约、爆破一次完成，安全性高，工人劳动强度低，这对于无串联通风工作面的情况下十分有利；

（2）由于回风路线长，需要大容量的起爆器和电阻小的放炮母线；

经过以上计算与设备选择后，根据计算结果，若所选设备符合矿井的实际（有这种设备、巷道又安得下不影响运输、行人、进风量有保证），下一步再确定局扇的安放位置。

3．局扇安装位置的确定： （1）距回风口位置大于10米；

（2）有大于局扇吸入风量的风流量经过该位置； 4．局扇安装位置风量的确定：

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局扇吸入风量加上该处巷道内最低风速所需的风量。

（1）局扇吸入风量查表（YBT 、FBD 、BKJ 等局部通风机性能特征表）： （2）巷道内最低风速所需风量:

巷道内最低风速必须符合《煤矿安全规程》101条的规定。工作面风速与工作面温度有直接关系， 选择风速时要综合考虑工作面的温度。

倘若不能满足要求，侧必须对作业规程的相关技术数据进行全面修改（一次起爆药量，爆破作业图表，循环作业图表等）。

作者简介 周久和，采矿高级工程师，生于1957年9月，1980年参加工作，毕业于西安矿业学院采矿系，一直在成都市出江煤矿（原成都矿务局）工作，先后担任出江煤矿栗子坪矿生产技术科副科长、副矿长、技术负责人，出江煤矿花牌坊矿矿长，1994年起任出江煤矿副矿长、总工程师，2009年12月出江煤矿被依法关闭后，现在雅安市荥经煤矿安全培训中心任教，地址：雅安市荥经县柳河镇青华路86号，邮编：622500，电话：[1**********]、电子邮箱：[email protected]）

二0一0年六月十五日

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