可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)與研究

1、第十章 可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)與研究10.1 可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展隨著煤礦生產(chǎn)向現(xiàn)代化方向發(fā)展，礦井的機(jī)械化程度越來(lái)越高，開采深度也逐漸加深，這使得工作面“熱害”問(wèn)題日趨嚴(yán)重，礦塵問(wèn)題也越來(lái)越突出。為了給工作面地點(diǎn)創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，比較行之有效的辦法仍然是加大工作面的風(fēng)量。然而，礦井規(guī)模的擴(kuò)大使得通風(fēng)線路越來(lái)越長(zhǎng)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也日趨復(fù)雜，給工作面特別是礦井邊遠(yuǎn)地區(qū)的工作面家大風(fēng)量往往是很困難的。解決這個(gè)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法，例如：擴(kuò)大風(fēng)道斷面、增開風(fēng)井、加大主要通風(fēng)機(jī)能力等，由于技術(shù)上，特別是經(jīng)濟(jì)上的原因，往往并不是最佳方法。這就使得有必要去探索新的通風(fēng)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，“可控制的循環(huán)通風(fēng)”就是在

2、這種情況下提出來(lái)的?？煽刂频难h(huán)通風(fēng)，以下簡(jiǎn)稱循環(huán)通風(fēng)，就是人為地控制部分風(fēng)流，使其多次流經(jīng)用風(fēng)地點(diǎn)，反復(fù)循環(huán)地被使用。對(duì)于工作面，就是把一部分乏風(fēng)引入進(jìn)風(fēng)道，與新風(fēng)混合后再次流入工作面，以此來(lái)增加工作面的實(shí)際風(fēng)量。循環(huán)風(fēng)流的產(chǎn)生由安裝在循環(huán)區(qū)內(nèi)的一部局扇來(lái)完成。對(duì)于掘進(jìn)頭，靠恰當(dāng)?shù)匕才啪稚任恢煤凸ぷ鞣绞绞沟靡徊糠址︼L(fēng)再次被吸入局扇。但是，這種風(fēng)流的循環(huán)使用在目前為世界各國(guó)的安全規(guī)程所禁止。循環(huán)通風(fēng)遭禁止的主要原因是人們擔(dān)心這種風(fēng)流的循環(huán)會(huì)引起用風(fēng)地點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊纳?，甚至積聚。然而，理論分析和實(shí)踐都能證實(shí)，只要正確地使用這種方法，有控制地使風(fēng)流進(jìn)行循環(huán)，這種由直覺(jué)產(chǎn)生的擔(dān)心是不必要的。對(duì)于一個(gè)

3、系統(tǒng)，無(wú)論是回采工作面還是掘進(jìn)頭，只要進(jìn)入該循環(huán)系統(tǒng)的新鮮風(fēng)量足以沖淡該系統(tǒng)內(nèi)涌出的瓦斯量，則無(wú)論風(fēng)流是否循環(huán)，起瓦斯?jié)舛榷疾粫?huì)無(wú)限止地升高或積聚。可控循環(huán)通風(fēng)最初的應(yīng)用大概應(yīng)追溯到三十年代的英國(guó)煤礦。Lanton(1939)為了解決Lancashire煤田開采過(guò)程中出現(xiàn)的熱害和濕度問(wèn)題，進(jìn)行了一系列循環(huán)通風(fēng)試驗(yàn)，并首先使用了這一技術(shù)術(shù)語(yǔ)。由于試驗(yàn)條件的限制，研究未達(dá)到預(yù)期的目的，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用局部循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)是有益的?？煽匮h(huán)通風(fēng)技術(shù)正式的研究應(yīng)用開始于60年代，其研究發(fā)展可以劃分為三個(gè)階段2：第一階段從1964到1978 ，在此期間局部循環(huán)通風(fēng)技術(shù)從理論研究開始逐步發(fā)展完善，達(dá)到了實(shí)

4、際應(yīng)用的水平（Bakke,Leach和Slack,1964;Robinson,1972;Pickering等，1977），主要用于解決英國(guó)煤礦前進(jìn)式開采工作面超前掘進(jìn)頭的降塵問(wèn)題。第二階段從1978到1984面，主要進(jìn)行區(qū)域循環(huán)通風(fēng)可行性研究，從理論上基本認(rèn)識(shí)了穩(wěn)態(tài)條件下區(qū)域循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)流諸參數(shù)，如風(fēng)量、瓦斯、礦塵濃度、氣候條件等變化規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證（Pickering等，1984；Robinson等，1988）。第三階段從1985年至今，在進(jìn)一步深化理論研究和擴(kuò)大應(yīng)用范圍的同時(shí)，主要研究循環(huán)通風(fēng)非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象（Trutwin,1972;Lowndes,1984,1987,19

5、88）。我國(guó)可控循環(huán)通風(fēng)研究雖然起步較晚，但也開展了一些卓有成效的研究工作。八十年代初，胡衛(wèi)民在諾丁漢大學(xué)參加了歐洲煤鋼公司和英國(guó)國(guó)家煤炭局聯(lián)合資助的可控循環(huán)通風(fēng)研究項(xiàng)目，并率先在國(guó)內(nèi)介紹了可控循環(huán)的基本概念、原理及最新研究成果（胡衛(wèi)民，1984，1988）。此后，黃盛初（1989）、王建新和王延祚（1991）陸續(xù)介紹了可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展情況。其他一些研究者，如王建樹和李孚（1990）、馮杰（1991）、李懷玉（1993）、張建軍（1992）、張盼褊（1996）和杜太亮（1997）等也從理論上探討了可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)中的一些問(wèn)題。余躍進(jìn)和馬逸吟（1992）實(shí)驗(yàn)研究了掘進(jìn)循環(huán)通風(fēng)中瓦斯分

6、布規(guī)律，胡衛(wèi)民、魏建平等對(duì)可控循環(huán)非正常狀況（即非穩(wěn)態(tài)）問(wèn)題進(jìn)行了較深的理論研究（1998）。這些研究對(duì)推動(dòng)可控循環(huán)通風(fēng)技術(shù)在我國(guó)的普及和實(shí)際應(yīng)用起到了重要作用。10.2 掘進(jìn)可控循環(huán)通風(fēng)一般來(lái)說(shuō)，對(duì)掘進(jìn)通風(fēng)的基本要求是：安全可靠地提供足夠的風(fēng)量以保證掘進(jìn)頭有良好的勞動(dòng)環(huán)境。影響勞動(dòng)環(huán)境的主要因素有瓦斯、礦塵和氣候條件等。對(duì)于瓦斯和氣候條件，除了特別惡劣的情況外，一般皆可靠提供足夠風(fēng)量的辦法來(lái)解決。對(duì)于礦塵。這需采用合理的通風(fēng)方式（如抽出式）并配備高效率的降塵裝置，才能把掘進(jìn)巷道內(nèi)的礦塵濃度控制在安全規(guī)程的限度以下。然而在某些情況下，用常規(guī)通風(fēng)方法要取得令人滿意的效果就有困難，例如前進(jìn)式回采工

7、作面的超前掘進(jìn)頭（如圖1所示）。對(duì)于進(jìn)風(fēng)道超前掘進(jìn)頭，可采用的常規(guī)通風(fēng)方法有：壓入式，這能夠有效地解決瓦斯和氣候條件問(wèn)題，但無(wú)法控制整個(gè)掘進(jìn)巷道內(nèi)的礦塵濃度，并且對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)流的礦塵濃度也會(huì)產(chǎn)生影響。抽出式，由于工作面無(wú)法安裝局扇，這只能把局扇安裝在工作面外部。如果順槽距離很長(zhǎng)的話，這樣做是很困難的。在回風(fēng)道一側(cè)，情況與進(jìn)風(fēng)道一側(cè)相反，采用抽出式不能控制工作面產(chǎn)生的礦塵，采用壓入式則需將局扇置于系統(tǒng)外部。另一種方法是混合式，但因超前掘進(jìn)頭距離一般很短，難以布置兩臺(tái)局扇，另外掘進(jìn)巷道內(nèi)的風(fēng)流也會(huì)很低，因此都非最佳方案。如果采用循環(huán)通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)側(cè)采用抽出式，局扇安裝在進(jìn)風(fēng)道內(nèi)，回風(fēng)側(cè)采用壓入式，局扇

8、安裝在回風(fēng)道內(nèi)，則可解決上述問(wèn)題。如圖2所示，在進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流清洗工作面以后被局扇吸入風(fēng)筒中，到達(dá)局扇以前先通過(guò)一降塵裝置，過(guò)濾后的風(fēng)流經(jīng)局扇流出與新鮮風(fēng)流混合，其中一部分會(huì)再次進(jìn)入掘進(jìn)頭循環(huán)使用。由于污風(fēng)在與新鮮風(fēng)流混合以前經(jīng)過(guò)了過(guò)濾，因而可以減輕或清除掘進(jìn)頭產(chǎn)生的礦塵對(duì)回采工作面進(jìn)風(fēng)流和掘進(jìn)頭進(jìn)風(fēng)流的污染。在回風(fēng)側(cè)，一部分回采工作面的乏風(fēng)首先進(jìn)入裝在局扇前面的降塵裝置，過(guò)濾后在經(jīng)局扇壓入掘進(jìn)頭，掘進(jìn)頭回風(fēng)與工作面回風(fēng)流混合，一部分流入回風(fēng)道，一部分再次進(jìn)入掘進(jìn)頭循環(huán)使用。用這種方法，可以減輕或消除回采工作面產(chǎn)生的礦塵對(duì)掘進(jìn)進(jìn)風(fēng)的污染。10.2.1 瓦斯和礦塵濃度問(wèn)題的理論分析進(jìn)風(fēng)側(cè)：對(duì)于如圖2

9、所示的循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)G（m3/min）為掘進(jìn)頭的瓦斯涌出量，Qt（m3/min）為工作面總進(jìn)風(fēng)，Qe（m3/min）為局扇吸風(fēng)量。首先考慮工作面入口處，掘進(jìn)頭涌出的瓦斯是從這里被風(fēng)流帶走的，帶走的瓦斯量應(yīng)等于掘進(jìn)頭的瓦斯涌出量，故瓦斯?jié)舛葹椋哼M(jìn)入掘進(jìn)頭的風(fēng)流為同一股風(fēng)流，故其濃度也為，則進(jìn)入掘進(jìn)頭的瓦斯量G為：進(jìn)入掘進(jìn)頭后，再加上掘進(jìn)頭的瓦斯涌出量G，故進(jìn)入抽出式風(fēng)筒里的風(fēng)流所攜帶的瓦斯量G為：其濃度為：風(fēng)流從局扇排除后，立即與新鮮風(fēng)流混合，在從扇風(fēng)機(jī)到工作面入口這一段混合段內(nèi)，瓦斯量仍為G，風(fēng)量為，故其濃度為：比較式（5）與（1）可見，C3=C1，說(shuō)明這一推導(dǎo)是正確的。由以上分析可見，掘進(jìn)頭內(nèi)

10、，工作面入風(fēng)流以及混合段內(nèi)的瓦斯?jié)舛认嗟龋遗c風(fēng)流的循環(huán)無(wú)關(guān)，只決定于掘進(jìn)頭的瓦斯涌出量和工作面總風(fēng)量。瓦斯?jié)舛茸畲蟮牡攸c(diǎn)在抽出式風(fēng)筒內(nèi)，其值為：顯然，C2的大小與局扇的風(fēng)量有關(guān)，如Qe越大，則C2越小。這里還出現(xiàn)了高濃度的瓦斯通過(guò)局扇的問(wèn)題，這將在后面來(lái)進(jìn)行討論。對(duì)于礦塵，可用類似的方法來(lái)分析。分析結(jié)果如下：掘進(jìn)頭內(nèi)，工作面入口以及混合段內(nèi)的礦塵濃度相等，其值為：式中：D掘進(jìn)頭內(nèi)的產(chǎn)塵量，mg/minR降塵裝置捕獲的礦塵量，mg/min礦塵濃度最高的地點(diǎn)為抽出風(fēng)筒內(nèi)，其值為：如果沒(méi)有安裝降塵裝置，則抽出風(fēng)筒內(nèi)和掘進(jìn)頭的礦塵濃度為：即使在這種情況下，掘進(jìn)頭內(nèi)的礦塵濃度也要低于壓入式非循環(huán)通風(fēng)時(shí)

11、的礦塵濃度，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)?；仫L(fēng)側(cè)：在回風(fēng)側(cè)，用同樣的方法可以推導(dǎo)出當(dāng)風(fēng)機(jī)如圖2所示那樣布置時(shí)，各點(diǎn)的瓦斯和礦塵濃度?；仫L(fēng)道內(nèi)以及壓入式風(fēng)筒內(nèi)的瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)流的循環(huán)無(wú)關(guān)，只決定于回采和掘進(jìn)工作面總的瓦斯涌出量和工作面風(fēng)量，即：式中：工作面瓦斯涌出量掘進(jìn)頭瓦斯涌出量瓦斯?jié)舛茸畲蟮牡攸c(diǎn)是掘進(jìn)巷道，其值為：顯然， Qe越大，則C回max越小。掘進(jìn)頭進(jìn)風(fēng)流中的礦塵濃度為：掘進(jìn)巷道中的礦塵濃度為：回風(fēng)道內(nèi)從工作面出口以外各點(diǎn)的礦塵濃度皆為：從以上的分析可以看出，無(wú)論是礦塵還是瓦斯都不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)流循環(huán)而引起積聚。相反對(duì)于礦塵，由于循環(huán)通風(fēng)便于使用降塵裝置，因而可以有效地降低礦塵濃度。10.2.2 掘進(jìn)循環(huán)通風(fēng)

12、的使用英國(guó)煤礦從1971年首先試用掘進(jìn)循環(huán)通風(fēng)以來(lái)，使用循環(huán)通風(fēng)的掘進(jìn)面越來(lái)越多，這種技術(shù)也日趨完善，目前已被認(rèn)為是掘進(jìn)通風(fēng)的一種正規(guī)方法。但由于安全規(guī)程對(duì)此尚未作出相應(yīng)的修改，仍屬于禁用之列，所以使用前必須履行必要的報(bào)批手續(xù)。 進(jìn)風(fēng)道超前掘進(jìn)頭圖3（A）為英國(guó)某礦前進(jìn)式回采工作面，進(jìn)風(fēng)道超前掘進(jìn)頭使用循環(huán)通風(fēng)時(shí)的工作面布置。該礦開采01.22米厚的薄煤層，為綜采工作面。掘進(jìn)頭超前距離為18米，使用DOSCO型掘進(jìn)機(jī)，回采工作面瓦斯涌出量為20m3/T。使用的局扇為直列式離心扇風(fēng)機(jī)，功率為50馬力。局扇出口處裝有調(diào)節(jié)裝置，以便調(diào)節(jié)風(fēng)量。局扇前裝有一臺(tái)“MICRODGNE”濕洗式除塵器，然后是帶

13、有可伸縮連接段的鐵皮風(fēng)筒，靠近工作面是一段柔性風(fēng)筒。掘進(jìn)頭還安裝有瓦斯連續(xù)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。掘進(jìn)頭進(jìn)風(fēng)量擬定為3.8m3/s，回采工作面風(fēng)量，也就是整個(gè)系統(tǒng)的新鮮風(fēng)量為12.3 m3/s。在使用循環(huán)通風(fēng)以前，該掘進(jìn)頭采用的是長(zhǎng)壓短抽混合式通風(fēng)，其布置如圖3（B）所示。為了考察循環(huán)通風(fēng)的效果，對(duì)兩種通風(fēng)方式下的瓦斯和礦塵濃度分別進(jìn)行了測(cè)定。系統(tǒng)內(nèi)共布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置見圖3，其結(jié)果見表1。表1中數(shù)據(jù)皆為5天連續(xù)測(cè)定的平均值。由表1可見，對(duì)于瓦斯，循環(huán)通風(fēng)并沒(méi)有引起瓦斯?jié)舛葻o(wú)限止地升高，這與理論分析是一致的。對(duì)于礦塵，循環(huán)通風(fēng)的使用大大降低了礦塵的濃度，特別是在測(cè)點(diǎn)3，即掘進(jìn)頭內(nèi)，礦塵濃度由原來(lái)的8.

14、1降低為2mg/m3左右。工作面回風(fēng)道內(nèi)的礦塵濃度也從8.82下降到5.55 mg/m3。 回風(fēng)道超前掘進(jìn)頭在另外一個(gè)礦進(jìn)行的前進(jìn)式回采工作面回風(fēng)道超前掘進(jìn)頭循環(huán)通風(fēng)試驗(yàn)也取得了預(yù)期的效果。圖4所示為該工作面的布置情況。該工作面為一薄煤層綜采工作面，掘井頭用放炮掘進(jìn)。做壓入式工作的局扇為一25馬力的直列式離心扇風(fēng)機(jī)。風(fēng)量擬定為3.6 m3/s，工作面風(fēng)量為6 m3/s，建成裝置為“MICRODYNE”型濕洗式除塵器。按式（11）預(yù)先計(jì)算出掘進(jìn)頭最高瓦斯?jié)舛葹?.4%。試驗(yàn)中，從安裝在掘進(jìn)頭內(nèi)的一臺(tái)BM1瓦斯監(jiān)測(cè)儀的記錄結(jié)果來(lái)看，只有極個(gè)別的情況下達(dá)到了0.5%，一般都在0.2到0.4之間，從而

15、證實(shí)了理論分析的結(jié)果。第1測(cè)點(diǎn)第2測(cè)點(diǎn)第3測(cè)點(diǎn)第4測(cè)點(diǎn)風(fēng)量礦塵瓦斯風(fēng)量礦塵瓦斯風(fēng)量礦塵瓦斯風(fēng)量礦塵瓦斯混合式12.232.863.638.10.028.82循環(huán)（1）12.721.70.0417.640.064.021.950.095.55循環(huán)（2）12.62.340.0517.13.060.063.872.160.09表1注：循環(huán)（）和循環(huán)（）指兩個(gè)不同的觀測(cè)時(shí)間；風(fēng)量、礦塵和瓦斯的單位分別為m3/s、mg/m3、。使用循環(huán)通風(fēng)以前五個(gè)月內(nèi)在掘進(jìn)頭內(nèi)測(cè)得的礦塵濃度平均值為6.5mg/ m3，個(gè)別達(dá)到9 mg/ m3，回風(fēng)道內(nèi)礦塵內(nèi)濃度平均值也為6.5mg/ m3，改成循環(huán)通風(fēng)后的十五個(gè)月內(nèi)測(cè)

16、得的掘進(jìn)頭內(nèi)的礦塵濃度平均值為3.1 mg/ m3，回風(fēng)道內(nèi)礦塵濃度平均值為5.4 mg/ m3。同樣的試驗(yàn)還在其它幾個(gè)礦進(jìn)行過(guò)，全部獲得預(yù)期的效果，沒(méi)有一個(gè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于循環(huán)通風(fēng)引起勞動(dòng)環(huán)境惡化的情況。 使用的設(shè)備掘進(jìn)循環(huán)通風(fēng)的成功使用在一定程度上依賴于所用的設(shè)備。如前所述，使用循環(huán)通風(fēng)時(shí)，瓦斯和礦塵濃度相對(duì)較高的風(fēng)流要流過(guò)扇風(fēng)機(jī)。如果采用普通局扇，顯然會(huì)增加一個(gè)安全隱患，所以循環(huán)通風(fēng)所用的是另一種風(fēng)機(jī)分叉式局部扇風(fēng)機(jī)。這類風(fēng)機(jī)常用的有兩種，一種叫分叉式軸流風(fēng)機(jī)，另一種是直列式離心風(fēng)機(jī)。圖5所示為這兩種風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。它們的共同優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)安裝在風(fēng)筒之外，不與風(fēng)流接觸，從而避免了手礦塵或水份的污染，也保證了安全。直列式離心風(fēng)機(jī)與分叉式軸流風(fēng)機(jī)相比更具有風(fēng)壓高和噪音低的優(yōu)點(diǎn)。這兩種風(fēng)機(jī)即使按常規(guī)通風(fēng)方式工作，也具有很大優(yōu)越性，因此，這兩種風(fēng)機(jī)目前有逐步取代傳統(tǒng)的軸流式局扇的趨勢(shì)。循環(huán)通風(fēng)降塵效果的大小在很大程度上取決于所用的降塵裝置。常用于掘進(jìn)通風(fēng)的有纖維濾塵器（Fabric type filter）、濕洗式（MICRODYNE wet scruber）、濕旋式（wet spinner）和沖洗式（Irrigated filter）等等。纖維濾塵器降塵效果高但維修和管理很麻