1、第十章 可控循環(huán)通風技術(shù)與研究10.1 可控循環(huán)通風技術(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，礦井的機械化程度越來越高，開采深度也逐漸加深，這使得工作面“熱害”問題日趨嚴重，礦塵問題也越來越突出。為了給工作面地點創(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量。然而，礦井規(guī)模的擴大使得通風線路越來越長，通風網(wǎng)絡(luò)也日趨復(fù)雜，給工作面特別是礦井邊遠地區(qū)的工作面家大風量往往是很困難的。解決這個問題的傳統(tǒng)方法，例如：擴大風道斷面、增開風井、加大主要通風機能力等，由于技術(shù)上，特別是經(jīng)濟上的原因，往往并不是最佳方法。這就使得有必要去探索新的通風方法來解決這個問題，“可控制的循環(huán)通風”就是在

2、這種情況下提出來的。可控制的循環(huán)通風，以下簡稱循環(huán)通風，就是人為地控制部分風流，使其多次流經(jīng)用風地點，反復(fù)循環(huán)地被使用。對于工作面，就是把一部分乏風引入進風道，與新風混合后再次流入工作面，以此來增加工作面的實際風量。循環(huán)風流的產(chǎn)生由安裝在循環(huán)區(qū)內(nèi)的一部局扇來完成。對于掘進頭，靠恰當?shù)匕才啪稚任恢煤凸ぷ鞣绞绞沟靡徊糠址︼L再次被吸入局扇。但是，這種風流的循環(huán)使用在目前為世界各國的安全規(guī)程所禁止。循環(huán)通風遭禁止的主要原因是人們擔心這種風流的循環(huán)會引起用風地點瓦斯?jié)舛鹊纳撸踔练e聚。然而，理論分析和實踐都能證實，只要正確地使用這種方法，有控制地使風流進行循環(huán)，這種由直覺產(chǎn)生的擔心是不必要的。對于一個

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

4、際應(yīng)用的水平（Bakke,Leach和Slack,1964;Robinson,1972;Pickering等，1977），主要用于解決英國煤礦前進式開采工作面超前掘進頭的降塵問題。第二階段從1978到1984面，主要進行區(qū)域循環(huán)通風可行性研究，從理論上基本認識了穩(wěn)態(tài)條件下區(qū)域循環(huán)通風系統(tǒng)內(nèi)風流諸參數(shù)，如風量、瓦斯、礦塵濃度、氣候條件等變化規(guī)律，并通過實驗室試驗進行了驗證（Pickering等，1984；Robinson等，1988）。第三階段從1985年至今，在進一步深化理論研究和擴大應(yīng)用范圍的同時，主要研究循環(huán)通風非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象（Trutwin,1972;Lowndes,1984,1987,19

5、88）。我國可控循環(huán)通風研究雖然起步較晚，但也開展了一些卓有成效的研究工作。八十年代初，胡衛(wèi)民在諾丁漢大學參加了歐洲煤鋼公司和英國國家煤炭局聯(lián)合資助的可控循環(huán)通風研究項目，并率先在國內(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)通風技術(shù)中的一些問題。余躍進和馬逸吟（1992）實驗研究了掘進循環(huán)通風中瓦斯分

6、布規(guī)律，胡衛(wèi)民、魏建平等對可控循環(huán)非正常狀況（即非穩(wěn)態(tài)）問題進行了較深的理論研究（1998）。這些研究對推動可控循環(huán)通風技術(shù)在我國的普及和實際應(yīng)用起到了重要作用。10.2 掘進可控循環(huán)通風一般來說，對掘進通風的基本要求是：安全可靠地提供足夠的風量以保證掘進頭有良好的勞動環(huán)境。影響勞動環(huán)境的主要因素有瓦斯、礦塵和氣候條件等。對于瓦斯和氣候條件，除了特別惡劣的情況外，一般皆可靠提供足夠風量的辦法來解決。對于礦塵。這需采用合理的通風方式（如抽出式）并配備高效率的降塵裝置，才能把掘進巷道內(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)通風方法要取得令人滿意的效果就有困難，例如前進式回采工

7、作面的超前掘進頭（如圖1所示）。對于進風道超前掘進頭，可采用的常規(guī)通風方法有：壓入式，這能夠有效地解決瓦斯和氣候條件問題，但無法控制整個掘進巷道內(nèi)的礦塵濃度，并且對工作面進風流的礦塵濃度也會產(chǎn)生影響。抽出式，由于工作面無法安裝局扇，這只能把局扇安裝在工作面外部。如果順槽距離很長的話，這樣做是很困難的。在回風道一側(cè)，情況與進風道一側(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，但因超前掘進頭距離一般很短，難以布置兩臺局扇，另外掘進巷道內(nèi)的風流也會很低，因此都非最佳方案。如果采用循環(huán)通風，進風側(cè)采用抽出式，局扇安裝在進風道內(nèi)，回風側(cè)采用壓入式，局扇

8、安裝在回風道內(nèi)，則可解決上述問題。如圖2所示，在進風側(cè)風流清洗工作面以后被局扇吸入風筒中，到達局扇以前先通過一降塵裝置，過濾后的風流經(jīng)局扇流出與新鮮風流混合，其中一部分會再次進入掘進頭循環(huán)使用。由于污風在與新鮮風流混合以前經(jīng)過了過濾，因而可以減輕或清除掘進頭產(chǎn)生的礦塵對回采工作面進風流和掘進頭進風流的污染。在回風側(cè)，一部分回采工作面的乏風首先進入裝在局扇前面的降塵裝置，過濾后在經(jīng)局扇壓入掘進頭，掘進頭回風與工作面回風流混合，一部分流入回風道，一部分再次進入掘進頭循環(huán)使用。用這種方法，可以減輕或消除回采工作面產(chǎn)生的礦塵對掘進進風的污染。10.2.1 瓦斯和礦塵濃度問題的理論分析進風側(cè)：對于如圖2

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

10、，工作面入風流以及混合段內(nèi)的瓦斯?jié)舛认嗟龋遗c風流的循環(huán)無關(guān)，只決定于掘進頭的瓦斯涌出量和工作面總風量。瓦斯?jié)舛茸畲蟮牡攸c在抽出式風筒內(nèi)，其值為：顯然，C2的大小與局扇的風量有關(guān)，如Qe越大，則C2越小。這里還出現(xiàn)了高濃度的瓦斯通過局扇的問題，這將在后面來進行討論。對于礦塵，可用類似的方法來分析。分析結(jié)果如下：掘進頭內(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為抽出風筒內(nèi)，其值為：如果沒有安裝降塵裝置，則抽出風筒內(nèi)和掘進頭的礦塵濃度為：即使在這種情況下，掘進頭內(nèi)的礦塵濃度也要低于壓入式非循環(huán)通風時

11、的礦塵濃度，因為一般來說。回風側(cè)：在回風側(cè)，用同樣的方法可以推導(dǎo)出當風機如圖2所示那樣布置時，各點的瓦斯和礦塵濃度。回風道內(nèi)以及壓入式風筒內(nèi)的瓦斯?jié)舛扰c風流的循環(huán)無關(guān)，只決定于回采和掘進工作面總的瓦斯涌出量和工作面風量，即：式中：工作面瓦斯涌出量掘進頭瓦斯涌出量瓦斯?jié)舛茸畲蟮牡攸c是掘進巷道，其值為：顯然， Qe越大，則C回max越小。掘進頭進風流中的礦塵濃度為：掘進巷道中的礦塵濃度為：回風道內(nèi)從工作面出口以外各點的礦塵濃度皆為：從以上的分析可以看出，無論是礦塵還是瓦斯都不會因為風流循環(huán)而引起積聚。相反對于礦塵，由于循環(huán)通風便于使用降塵裝置，因而可以有效地降低礦塵濃度。10.2.2 掘進循環(huán)通風

12、的使用英國煤礦從1971年首先試用掘進循環(huán)通風以來，使用循環(huán)通風的掘進面越來越多，這種技術(shù)也日趨完善，目前已被認為是掘進通風的一種正規(guī)方法。但由于安全規(guī)程對此尚未作出相應(yīng)的修改，仍屬于禁用之列，所以使用前必須履行必要的報批手續(xù)。 進風道超前掘進頭圖3（A）為英國某礦前進式回采工作面，進風道超前掘進頭使用循環(huán)通風時的工作面布置。該礦開采01.22米厚的薄煤層，為綜采工作面。掘進頭超前距離為18米，使用DOSCO型掘進機，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機，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)風量。局扇前裝有一臺“MICRODGNE”濕洗式除塵器，然后是帶

13、有可伸縮連接段的鐵皮風筒，靠近工作面是一段柔性風筒。掘進頭還安裝有瓦斯連續(xù)監(jiān)測報警裝置。掘進頭進風量擬定為3.8m3/s，回采工作面風量，也就是整個系統(tǒng)的新鮮風量為12.3 m3/s。在使用循環(huán)通風以前，該掘進頭采用的是長壓短抽混合式通風，其布置如圖3（B）所示。為了考察循環(huán)通風的效果，對兩種通風方式下的瓦斯和礦塵濃度分別進行了測定。系統(tǒng)內(nèi)共布置了4個測點，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)測定的平均值。由表1可見，對于瓦斯，循環(huán)通風并沒有引起瓦斯?jié)舛葻o限止地升高，這與理論分析是一致的。對于礦塵，循環(huán)通風的使用大大降低了礦塵的濃度，特別是在測點3，即掘進頭內(nèi)，礦塵濃度由原來的8.

14、1降低為2mg/m3左右。工作面回風道內(nèi)的礦塵濃度也從8.82下降到5.55 mg/m3。 回風道超前掘進頭在另外一個礦進行的前進式回采工作面回風道超前掘進頭循環(huán)通風試驗也取得了預(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。做壓入式工作的局扇為一25馬力的直列式離心扇風機。風量擬定為3.6 m3/s，工作面風量為6 m3/s，建成裝置為“MICRODYNE”型濕洗式除塵器。按式（11）預(yù)先計算出掘進頭最高瓦斯?jié)舛葹?.4%。試驗中，從安裝在掘進頭內(nèi)的一臺BM1瓦斯監(jiān)測儀的記錄結(jié)果來看，只有極個別的情況下達到了0.5%，一般都在0.2到0.4之間，從而

15、證實了理論分析的結(jié)果。第1測點第2測點第3測點第4測點風量礦塵瓦斯風量礦塵瓦斯風量礦塵瓦斯風量礦塵瓦斯混合式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)（）指兩個不同的觀測時間；風量、礦塵和瓦斯的單位分別為m3/s、mg/m3、。使用循環(huán)通風以前五個月內(nèi)在掘進頭內(nèi)測得的礦塵濃度平均值為6.5mg/ m3，個別達到9 mg/ m3，回風道內(nèi)礦塵內(nèi)濃度平均值也為6.5mg/ m3，改成循環(huán)通風后的十五個月內(nèi)測

16、得的掘進頭內(nèi)的礦塵濃度平均值為3.1 mg/ m3，回風道內(nèi)礦塵濃度平均值為5.4 mg/ m3。同樣的試驗還在其它幾個礦進行過，全部獲得預(yù)期的效果，沒有一個試驗發(fā)現(xiàn)由于循環(huán)通風引起勞動環(huán)境惡化的情況。 使用的設(shè)備掘進循環(huán)通風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)通風時，瓦斯和礦塵濃度相對較高的風流要流過扇風機。如果采用普通局扇，顯然會增加一個安全隱患，所以循環(huán)通風所用的是另一種風機分叉式局部扇風機。這類風機常用的有兩種，一種叫分叉式軸流風機，另一種是直列式離心風機。圖5所示為這兩種風機的結(jié)構(gòu)示意圖。它們的共同優(yōu)點是電動機安裝在風筒之外，不與風流接觸，從而避免了手礦塵或水份的污染，也保證了安全。直列式離心風機與分叉式軸流風機相比更具有風壓高和噪音低的優(yōu)點。這兩種風機即使按常規(guī)通風方式工作，也具有很大優(yōu)越性，因此，這兩種風機目前有逐步取代傳統(tǒng)的軸流式局扇的趨勢。循環(huán)通風降塵效果的大小在很大程度上取決于所用的降塵裝置。常用于掘進通風的有纖維濾塵器（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