1、可控循环通风技术与研究第十章 可控循环通风技术与研究10.1 可控循环通风技术的出现与发展随着煤矿生产向现代化方向发展，矿井的机械化程度越来越高，开采深度也逐渐加深，这使得工作面“热害”问题日趋严重，矿尘问题也越来越突出。为了给工作面地点创造良好的工作环境，比较行之有效的办法仍然是加大工作面的风量。然而，矿井规模的扩大使得通风线路越来越长，通风网络也日趋复杂，给工作面特别是矿井边远地区的工作面家大风量往往是很困难的。解决这个问题的传统方法，例如：扩大风道断面、增开风井、加大主要通风机能力等，由于技术上，特别是经济上的原因，往往并不是最佳方法。这就使得有必要去探索新的通风方法来解决这个问题，“可
2、控制的循环通风”就是在这种情况下提出来的。可控制的循环通风，以下简称循环通风，就是人为地控制部分风流，使其多次流经用风地点，反复循环地被使用。对于工作面，就是把一部分乏风引入进风道，与新风混合后再次流入工作面，以此来增加工作面的实际风量。循环风流的产生由安装在循环区内的一部局扇来完成。对于掘进头，靠恰当地安排局扇位置和工作方式使得一部分乏风再次被吸入局扇。但是，这种风流的循环使用在目前为世界各国的安全规程所禁止。循环通风遭禁止的主要原因是人们担心这种风流的循环会引起用风地点瓦斯浓度的升高，甚至积聚。然而，理论分析和实践都能证实，只要正确地使用这种方法，有控制地使风流进行循环，这种由直觉产生的担
3、心是不必要的。对于一个系统，无论是回采工作面还是掘进头，只要进入该循环系统的新鲜风量足以冲淡该系统内涌出的瓦斯量，则无论风流是否循环，起瓦斯浓度都不会无限止地升高或积聚。可控循环通风最初的应用大概应追溯到三十年代的英国煤矿。Lanton(1939)为了解决Lancashire煤田开采过程中出现的热害和湿度问题，进行了一系列循环通风试验，并首先使用了这一技术术语。由于试验条件的限制，研究未达到预期的目的，但试验结果显示，采用局部循环通风系统是有益的。可控循环通风技术正式的研究应用开始于60年代，其研究发展可以划分为三个阶段2：第一阶段从1964到1978 ，在此期间局部循环通风技术从理论研究开始
4、逐步发展完善，达到了实际应用的水平（Bakke,Leach和Slack,1964;Robinson,1972;Pickering等，1977），主要用于解决英国煤矿前进式开采工作面超前掘进头的降尘问题。第二阶段从1978到1984面，主要进行区域循环通风可行性研究，从理论上基本认识了稳态条件下区域循环通风系统内风流诸参数，如风量、瓦斯、矿尘浓度、气候条件等变化规律，并通过实验室试验进行了验证（Pickering等，1984；Robinson等，1988）。第三阶段从1985年至今，在进一步深化理论研究和扩大应用范围的同时，主要研究循环通风非稳态现象（Trutwin,1972;Lowndes,1
5、984,1987,1988）。我国可控循环通风研究虽然起步较晚，但也开展了一些卓有成效的研究工作。八十年代初，胡卫民在诺丁汉大学参加了欧洲煤钢公司和英国国家煤炭局联合资助的可控循环通风研究项目，并率先在国内介绍了可控循环的基本概念、原理及最新研究成果（胡卫民，1984，1988）。此后，黄盛初（1989）、王建新和王延祚（1991）陆续介绍了可控循环通风技术及其应用发展情况。其他一些研究者，如王建树和李孚（1990）、冯杰（1991）、李怀玉（1993）、张建军（1992）、张盼褊（1996）和杜太亮（1997）等也从理论上探讨了可控循环通风技术中的一些问题。余跃进和马逸吟（1992）实验研究
6、了掘进循环通风中瓦斯分布规律，胡卫民、魏建平等对可控循环非正常状况（即非稳态）问题进行了较深的理论研究（1998）。这些研究对推动可控循环通风技术在我国的普及和实际应用起到了重要作用。10.2 掘进可控循环通风一般来说，对掘进通风的基本要求是：安全可靠地提供足够的风量以保证掘进头有良好的劳动环境。影响劳动环境的主要因素有瓦斯、矿尘和气候条件等。对于瓦斯和气候条件，除了特别恶劣的情况外，一般皆可靠提供足够风量的办法来解决。对于矿尘。这需采用合理的通风方式（如抽出式）并配备高效率的降尘装置，才能把掘进巷道内的矿尘浓度控制在安全规程的限度以下。然而在某些情况下，用常规通风方法要取得令人满意的效果就有
7、困难，例如前进式回采工作面的超前掘进头（如图1所示）。对于进风道超前掘进头，可采用的常规通风方法有：压入式，这能够有效地解决瓦斯和气候条件问题，但无法控制整个掘进巷道内的矿尘浓度，并且对工作面进风流的矿尘浓度也会产生影响。抽出式，由于工作面无法安装局扇，这只能把局扇安装在工作面外部。如果顺槽距离很长的话，这样做是很困难的。在回风道一侧，情况与进风道一侧相反，采用抽出式不能控制工作面产生的矿尘，采用压入式则需将局扇置于系统外部。另一种方法是混合式，但因超前掘进头距离一般很短，难以布置两台局扇，另外掘进巷道内的风流也会很低，因此都非最佳方案。如果采用循环通风，进风侧采用抽出式，局扇安装在进风道内，
8、回风侧采用压入式，局扇安装在回风道内，则可解决上述问题。如图2所示，在进风侧风流清洗工作面以后被局扇吸入风筒中，到达局扇以前先通过一降尘装置，过滤后的风流经局扇流出与新鲜风流混合，其中一部分会再次进入掘进头循环使用。由于污风在与新鲜风流混合以前经过了过滤，因而可以减轻或清除掘进头产生的矿尘对回采工作面进风流和掘进头进风流的污染。在回风侧，一部分回采工作面的乏风首先进入装在局扇前面的降尘装置，过滤后在经局扇压入掘进头，掘进头回风与工作面回风流混合，一部分流入回风道，一部分再次进入掘进头循环使用。用这种方法，可以减轻或消除回采工作面产生的矿尘对掘进进风的污染。10.2.1 瓦斯和矿尘浓度问题的理论
9、分析进风侧：对于如图2所示的循环系统，设G（m3/min）为掘进头的瓦斯涌出量，Qt（m3/min）为工作面总进风，Qe（m3/min）为局扇吸风量。首先考虑工作面入口处，掘进头涌出的瓦斯是从这里被风流带走的，带走的瓦斯量应等于掘进头的瓦斯涌出量，故瓦斯浓度为：进入掘进头的风流为同一股风流，故其浓度也为，则进入掘进头的瓦斯量G为：进入掘进头后，再加上掘进头的瓦斯涌出量G，故进入抽出式风筒里的风流所携带的瓦斯量G为：其浓度为：风流从局扇排除后，立即与新鲜风流混合，在从扇风机到工作面入口这一段混合段内，瓦斯量仍为G，风量为，故其浓度为：比较式（5）与（1）可见，C3=C1，说明这一推导是正确的。由
10、以上分析可见，掘进头内，工作面入风流以及混合段内的瓦斯浓度相等，且与风流的循环无关，只决定于掘进头的瓦斯涌出量和工作面总风量。瓦斯浓度最大的地点在抽出式风筒内，其值为：显然，C2的大小与局扇的风量有关，如Qe越大，则C2越小。这里还出现了高浓度的瓦斯通过局扇的问题，这将在后面来进行讨论。对于矿尘，可用类似的方法来分析。分析结果如下：掘进头内，工作面入口以及混合段内的矿尘浓度相等，其值为：式中：D掘进头内的产尘量，mg/minR降尘装置捕获的矿尘量，mg/min矿尘浓度最高的地点为抽出风筒内，其值为：如果没有安装降尘装置，则抽出风筒内和掘进头的矿尘浓度为：即使在这种情况下，掘进头内的矿尘浓度也要
11、低于压入式非循环通风时的矿尘浓度，因为一般来说。回风侧：在回风侧，用同样的方法可以推导出当风机如图2所示那样布置时，各点的瓦斯和矿尘浓度。回风道内以及压入式风筒内的瓦斯浓度与风流的循环无关，只决定于回采和掘进工作面总的瓦斯涌出量和工作面风量，即：式中：工作面瓦斯涌出量掘进头瓦斯涌出量瓦斯浓度最大的地点是掘进巷道，其值为：显然， Qe越大，则C回max越小。掘进头进风流中的矿尘浓度为：掘进巷道中的矿尘浓度为：回风道内从工作面出口以外各点的矿尘浓度皆为：从以上的分析可以看出，无论是矿尘还是瓦斯都不会因为风流循环而引起积聚。相反对于矿尘，由于循环通风便于使用降尘装置，因而可以有效地降低矿尘浓度。10
12、.2.2 掘进循环通风的使用英国煤矿从1971年首先试用掘进循环通风以来，使用循环通风的掘进面越来越多，这种技术也日趋完善，目前已被认为是掘进通风的一种正规方法。但由于安全规程对此尚未作出相应的修改，仍属于禁用之列，所以使用前必须履行必要的报批手续。1 进风道超前掘进头图3（A）为英国某矿前进式回采工作面，进风道超前掘进头使用循环通风时的工作面布置。该矿开采01.22米厚的薄煤层，为综采工作面。掘进头超前距离为18米，使用DOSCO型掘进机，回采工作面瓦斯涌出量为20m3/T。使用的局扇为直列式离心扇风机，功率为50马力。局扇出口处装有调节装置，以便调节风量。局扇前装有一台“MICRODGNE
13、”湿洗式除尘器，然后是带有可伸缩连接段的铁皮风筒，靠近工作面是一段柔性风筒。掘进头还安装有瓦斯连续监测报警装置。掘进头进风量拟定为3.8m3/s，回采工作面风量，也就是整个系统的新鲜风量为12.3 m3/s。在使用循环通风以前，该掘进头采用的是长压短抽混合式通风，其布置如图3（B）所示。为了考察循环通风的效果，对两种通风方式下的瓦斯和矿尘浓度分别进行了测定。系统内共布置了4个测点，位置见图3，其结果见表1。表1中数据皆为5天连续测定的平均值。由表1可见，对于瓦斯，循环通风并没有引起瓦斯浓度无限止地升高，这与理论分析是一致的。对于矿尘，循环通风的使用大大降低了矿尘的浓度，特别是在测点3，即掘进头
14、内，矿尘浓度由原来的8.1降低为2mg/m3左右。工作面回风道内的矿尘浓度也从8.82下降到5.55 mg/m3。2 回风道超前掘进头在另外一个矿进行的前进式回采工作面回风道超前掘进头循环通风试验也取得了预期的效果。图4所示为该工作面的布置情况。该工作面为一薄煤层综采工作面，掘井头用放炮掘进。做压入式工作的局扇为一25马力的直列式离心扇风机。风量拟定为3.6 m3/s，工作面风量为6 m3/s，建成装置为“MICRODYNE”型湿洗式除尘器。按式（11）预先计算出掘进头最高瓦斯浓度为0.4%。试验中，从安装在掘进头内的一台BM1瓦斯监测仪的记录结果来看，只有极个别的情况下达到了0.5%，一般都
15、在0.2到0.4之间，从而证实了理论分析的结果。第1测点第2测点第3测点第4测点风量矿尘瓦斯风量矿尘瓦斯风量矿尘瓦斯风量矿尘瓦斯混合式12.232.863.638.10.028.82循环（1）12.721.70.0417.640.064.021.950.095.55循环（2）12.62.340.0517.13.060.063.872.160.09表1注：循环（）和循环（）指两个不同的观测时间；风量、矿尘和瓦斯的单位分别为m3/s、mg/m3、。使用循环通风以前五个月内在掘进头内测得的矿尘浓度平均值为6.5mg/ m3，个别达到9 mg/ m3，回风道内矿尘内浓度平均值也为6.5mg/ m3，改
16、成循环通风后的十五个月内测得的掘进头内的矿尘浓度平均值为3.1 mg/ m3，回风道内矿尘浓度平均值为5.4 mg/ m3。同样的试验还在其它几个矿进行过，全部获得预期的效果，没有一个试验发现由于循环通风引起劳动环境恶化的情况。3 使用的设备掘进循环通风的成功使用在一定程度上依赖于所用的设备。如前所述，使用循环通风时，瓦斯和矿尘浓度相对较高的风流要流过扇风机。如果采用普通局扇，显然会增加一个安全隐患，所以循环通风所用的是另一种风机分叉式局部扇风机。这类风机常用的有两种，一种叫分叉式轴流风机，另一种是直列式离心风机。图5所示为这两种风机的结构示意图。它们的共同优点是电动机安装在风筒之外，不与风流
17、接触，从而避免了手矿尘或水份的污染，也保证了安全。直列式离心风机与分叉式轴流风机相比更具有风压高和噪音低的优点。这两种风机即使按常规通风方式工作，也具有很大优越性，因此，这两种风机目前有逐步取代传统的轴流式局扇的趋势。循环通风降尘效果的大小在很大程度上取决于所用的降尘装置。常用于掘进通风的有纤维滤尘器（Fabric type filter）、湿洗式（MICRODYNE wet scruber）、湿旋式（wet spinner）和冲洗式（Irrigated filter）等等。纤维滤尘器降尘效果高但维修和管理很麻烦，湿旋式使用方便但效率低，用得较多的是湿洗式和冲洗式。掘进循环通风技术，19711982年间在英国煤矿得到了广泛的应用。1982年全英国1560套辅助通风系统中的63套采用了循环通风技术。从80年代中期开始，英国开始了煤矿私有化运动，到1994年基本完成。私有化的英国煤炭工业采用可控循环通风技术的工作面越来越少，对循环风的研究也基本上处于停滞状态2。在我国，新汲矿务局鄂庄煤矿在3采区的部分掘进工作面采用了可控循环通风技术，该矿3采取3412两主巷用JBT-52局部扇风机作循环风机，采用压入式通风，取得了较为满意的效果。
