整合礦井復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造

張付濤

(中國(guó)煤炭進(jìn)出口公司，北京 100011)

1 前言

中國(guó)煤炭進(jìn)出口公司作為山西省煤炭企業(yè)兼并重組主體之一，負(fù)責(zé)兼并重組整合大同、朔州地方煤礦企業(yè)，其中對(duì)大同市新榮區(qū)唐山溝等14座煤礦進(jìn)行兼并重組整合，將14座煤礦重組為5座煤礦企業(yè)(公司)，保有儲(chǔ)量1.414億 t，總計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到510萬(wàn)t/a;對(duì)朔州市周邊6座地方小煤礦，相應(yīng)并入東坡、楊澗、擔(dān)水溝和西沙河4座煤礦，整合保有儲(chǔ)量7.5億t，總計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到480萬(wàn)t/a。

2 整合礦井概況

唐山溝煤礦位于山西省大同市新榮區(qū)，1983年批準(zhǔn)開(kāi)采，1988年建井投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a。2006年整合陳家溝等4座礦井，設(shè)計(jì)能力為90萬(wàn)t/a。2009年并入中國(guó)煤炭進(jìn)出口公司后，又整合了張旺莊煤礦。唐山溝煤礦改擴(kuò)建后產(chǎn)量提升至120萬(wàn)t/a，采用斜井開(kāi)拓方式，走向長(zhǎng)壁法采煤，主采8號(hào)和12號(hào)煤層。8號(hào)煤層厚度為1.02～1.65 m，平均為1.48 m;12號(hào)煤層厚度為1.16～3.31 m，平均為1.82 m。

唐山溝煤礦為低瓦斯礦井，瓦斯絕對(duì)涌出量為1.69 m3/min，相對(duì)涌出量為1.95 m3/t，煤層的自然發(fā)火期為6個(gè)月，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。礦井采用抽出式通風(fēng)方法和混合式通風(fēng)方法。唐山溝煤礦屬整合礦井，整合后，原有5個(gè)小井逐步井下全部連通，通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)零點(diǎn)通風(fēng)，且風(fēng)流紊亂，角聯(lián)巷道較多。為了對(duì)井田內(nèi)6對(duì)風(fēng)井進(jìn)行合理利用并保證礦井安全和高效生產(chǎn)，需要對(duì)唐山溝礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化。

3 生產(chǎn)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)分析

3.1 采掘部署不合理，生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜

根據(jù)前期調(diào)研及收集有關(guān)資料，對(duì)整合后唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，其主要特征表現(xiàn)為:由于整合前各小井開(kāi)采煤層和開(kāi)采深度不同，造成整合礦井同時(shí)開(kāi)采水平和采掘工作面數(shù)量增多，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，部分工作面難以實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)，風(fēng)流控制相當(dāng)困難;同時(shí)下井人員較多，全員效率低，礦井一旦出現(xiàn)異常情況，撤人困難，將不利于礦井的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整合后的唐山溝礦同時(shí)生產(chǎn)水平達(dá)到3個(gè)，采面數(shù)量多達(dá)18個(gè)。

隨著采掘作業(yè)面推進(jìn)、采空區(qū)的增加以及采掘工作面的延伸和作業(yè)面的增加，出現(xiàn)了部分風(fēng)流短路、污風(fēng)串聯(lián)、循環(huán)風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致瓦斯積聚，甚至發(fā)生瓦斯爆炸，給煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，抗災(zāi)能力低

1)多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差。唐山溝礦屬整合礦井，兼并重組后井田內(nèi)同時(shí)布置6對(duì)風(fēng)井，通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。原有5個(gè)小風(fēng)井逐步井下連通后，由于各風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力不同，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)機(jī)能力不匹配，導(dǎo)致多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相互干擾，礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，能耗增加。而且部分風(fēng)井配備的風(fēng)機(jī)老化，效率低，造成通風(fēng)管理工作十分困難。

2)風(fēng)流短路、串聯(lián)現(xiàn)象時(shí)有存在，難以實(shí)現(xiàn)按需供風(fēng)。如唐山溝煤礦井下新鮮風(fēng)流從中一采區(qū)主井進(jìn)風(fēng)后，其中一股新鮮風(fēng)流經(jīng)1120巷后再次分風(fēng)進(jìn)入112北+巷道，然后通過(guò)112東巷道匯入污風(fēng)，由中二采區(qū)回風(fēng)井排出。新鮮風(fēng)流沒(méi)有進(jìn)入用風(fēng)地點(diǎn)就被匯入污風(fēng)而排出，增加了通風(fēng)機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，使通風(fēng)機(jī)無(wú)用能耗變大(見(jiàn)圖1)。

圖1 唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Ventilation system network of Tangshangou Mine

3)通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，抗災(zāi)能力弱。唐山溝礦采面布置較多，用風(fēng)地點(diǎn)分散，通風(fēng)設(shè)施多，通風(fēng)線(xiàn)路長(zhǎng)，個(gè)別巷道狹窄且頂板垮落現(xiàn)象嚴(yán)重，使得礦井通風(fēng)阻力增大。同時(shí)，部分采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)之間內(nèi)部出現(xiàn)了角聯(lián)巷道，使得部分巷道出現(xiàn)無(wú)風(fēng)和風(fēng)流反向，對(duì)風(fēng)流穩(wěn)定性造成了極大的影響。由于受自然風(fēng)壓或其他通風(fēng)設(shè)施設(shè)置的影響，極易出現(xiàn)風(fēng)流不穩(wěn)定的情況，大大降低了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性及抗災(zāi)變能力。

4)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)大，災(zāi)害影響嚴(yán)重。唐山溝煤礦用風(fēng)地點(diǎn)多且分散，導(dǎo)致通風(fēng)設(shè)施(調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、風(fēng)窗等)增多、漏風(fēng)增大、維護(hù)困難，加之多處巷道內(nèi)風(fēng)門(mén)等調(diào)風(fēng)設(shè)施質(zhì)量不過(guò)關(guān)和采空區(qū)密閉不良等現(xiàn)象，造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)增大，有效風(fēng)量率較低，礦井通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)壓升高，風(fēng)機(jī)耗能增大。同時(shí)使得采空區(qū)瓦斯涌出異常，原有火區(qū)失去平衡，自燃發(fā)火嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致采場(chǎng)空氣中CO、CH4、CO2等有害氣體超標(biāo)，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。

4 唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

依據(jù)上述唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研及分析，原有通風(fēng)系統(tǒng)及其設(shè)施已不能滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)通風(fēng)的要求，通風(fēng)困難等問(wèn)題將不斷凸現(xiàn)，并且隨著礦井開(kāi)拓規(guī)模的增大，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓將會(huì)加大，漏風(fēng)增大，煤層自燃現(xiàn)象更加嚴(yán)重，礦井安全生產(chǎn)面臨更大困難。因此，建立合理有效的通風(fēng)系統(tǒng)和降低礦井通風(fēng)阻力直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，必須對(duì)唐山溝礦生產(chǎn)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化。具體步驟如下:

4.1 優(yōu)化調(diào)整開(kāi)拓布局，簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)

多礦井整合后，造成通風(fēng)路線(xiàn)長(zhǎng)、用風(fēng)地點(diǎn)分散、不易實(shí)現(xiàn)按需配風(fēng)和系統(tǒng)整體抗災(zāi)能力減弱。通過(guò)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)算軟件模擬，改變礦井開(kāi)拓布局，改進(jìn)其通風(fēng)方式，即:整合前5個(gè)進(jìn)風(fēng)井和6個(gè)回風(fēng)井的通風(fēng)系統(tǒng)，改為三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)。整合后保留1#回風(fēng)井和陳家溝回風(fēng)井，將唐山溝回風(fēng)井變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)井，封閉陳家溝進(jìn)風(fēng)井，礦井變?yōu)樘粕綔现鞲本靶腥诵本?即唐山溝回風(fēng)井)進(jìn)風(fēng)、1#回風(fēng)井和陳家溝回風(fēng)井回風(fēng)的三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)方式改為兩翼對(duì)角式。

4.2 優(yōu)化采掘部署，提高機(jī)械化水平

唐山溝礦現(xiàn)有的開(kāi)拓部署采掘布局不合理，原單個(gè)礦井均部署采掘工作面，采用炮采工藝，單產(chǎn)單進(jìn)低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，減少開(kāi)采水平數(shù)量及采掘面的數(shù)量，改變開(kāi)采工藝、采煤方法，提高了生產(chǎn)效率，增加了工作面單產(chǎn)，使礦井從原來(lái)的3個(gè)水平12掘6采改變?yōu)?個(gè)水平4套綜掘2套綜采，提高了礦井生產(chǎn)能力(見(jiàn)圖2)。同時(shí)，使得通風(fēng)路線(xiàn)長(zhǎng)和因用風(fēng)地點(diǎn)分散而不易實(shí)現(xiàn)按需配風(fēng)的問(wèn)題也會(huì)得到很好地控制。

圖2 唐山溝煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面Fig.2 Comprehensive mechanization coalface of Tangshangou Mine

4.3 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)巷道管理工作

原有通風(fēng)系統(tǒng)中布置6對(duì)風(fēng)井，通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通風(fēng)設(shè)施多，通風(fēng)控制困難。因此，在保證礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)關(guān)閉效率低的井巷，開(kāi)掘新巷道，改變礦井的通風(fēng)方式，以簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)，提高通風(fēng)管理工作的效率。對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中部分阻力較大的巷道采取了擴(kuò)大巷道斷面、修整損壞巷道、清理巷道堆積物或采用并聯(lián)巷道(利用已有巷道)等措施，降低礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力，簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

1)通風(fēng)阻力測(cè)定。依據(jù)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置原則［1］，結(jié)合唐山溝煤礦生產(chǎn)采區(qū)布置情況、采空區(qū)分布、各主要進(jìn)回風(fēng)井位置及其擔(dān)負(fù)采區(qū)情況，礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)定采用基點(diǎn)法利用精密氣壓計(jì)進(jìn)行測(cè)定［2］。由解算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，唐山溝煤礦風(fēng)量供給能滿(mǎn)足目前生產(chǎn)需要。礦井等積孔均為1～2 m2，通風(fēng)難易程度屬中等水平，自然風(fēng)壓均幫助主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。由誤差分析可知，測(cè)定誤差均小于5%，滿(mǎn)足精度要求(見(jiàn)表1)。

2)礦井主要通風(fēng)機(jī)性能測(cè)定。煤礦主要通風(fēng)機(jī)是保證礦井安全生產(chǎn)的重要設(shè)備，且唐山溝礦屬整合礦井，井田內(nèi)同時(shí)布置6對(duì)風(fēng)井，為了解各風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況及各風(fēng)機(jī)間的相互影響，保證礦井的安全生產(chǎn)及節(jié)能降耗，提高通風(fēng)機(jī)效率，需要對(duì)礦井主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能測(cè)定。通過(guò)對(duì)礦井主要通風(fēng)機(jī)性能測(cè)定發(fā)現(xiàn)，原唐山溝回風(fēng)井和陳家溝回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行靜壓效率均小于60%，且處于高區(qū)運(yùn)行，運(yùn)行工況不合理，能耗較大［3，4］。

表1 解算結(jié)果及誤差檢驗(yàn)表Table 1 Computed results and error checking

4.4 整合礦井通風(fēng)合理可靠性分析

評(píng)價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)合理可靠性的目的在于:及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題和安全隱患，調(diào)整和改造系統(tǒng);優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確編制事故預(yù)防與處理方案，同時(shí)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)安全管理。具體來(lái)說(shuō)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的合理可靠性應(yīng)滿(mǎn)足下列要求:結(jié)構(gòu)合理、完備，整套系統(tǒng)穩(wěn)定可靠;各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量滿(mǎn)足要求，可控性強(qiáng);利于排除瓦斯、礦塵、熱源和防止煤炭自燃;具有控制各種自然災(zāi)害的能力，既能抑制事故的發(fā)生，又可在由其他原因引起事故時(shí)及時(shí)地控制和消除事故。針對(duì)唐山溝整合后礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，利用通風(fēng)系統(tǒng)安全合理性評(píng)價(jià)方法，判斷通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，抗災(zāi)變能力較弱。結(jié)合礦井通風(fēng)阻力測(cè)定過(guò)程及解算結(jié)果，分析唐山溝煤礦整合后通風(fēng)系統(tǒng)存在問(wèn)題原因及解決方案如下:

1)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段阻力分布很不合理，3對(duì)回風(fēng)井擔(dān)負(fù)的系統(tǒng)回風(fēng)段阻力均超過(guò)50%［5］(見(jiàn)表2)。其原因主要為:回風(fēng)段巷道斷面普遍偏小且支護(hù)復(fù)雜，部分巷道局部垮落嚴(yán)重，年久失修，致使巷道風(fēng)流受阻，通風(fēng)不暢，風(fēng)壓損失嚴(yán)重。采取擴(kuò)大巷道斷面、修整損壞巷道、清理巷道堆積物或采用并聯(lián)巷道(利用已有巷道)等措施，降低礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力，尤其是回風(fēng)段阻力，使礦井通風(fēng)阻力分布合理。

表2 礦井通風(fēng)阻力分布表Table 2 Ventilation resistance distribution of mine

2)主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在高區(qū)運(yùn)行，靜壓效率低，能耗增大。在降低礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力的基礎(chǔ)上，改變主要通風(fēng)機(jī)工作參數(shù)，提高主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行靜壓效率，降低礦井通風(fēng)成本，保證主要通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)隨著開(kāi)采規(guī)模的增大，原有通風(fēng)系統(tǒng)及其設(shè)施已不能滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)通風(fēng)的要求，出現(xiàn)部分風(fēng)流短路、串聯(lián)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)困難。采取優(yōu)化、調(diào)整部分通風(fēng)線(xiàn)路及設(shè)施實(shí)現(xiàn)獨(dú)立分區(qū)通風(fēng)，避免通風(fēng)系統(tǒng)中出現(xiàn)串聯(lián)、角聯(lián)風(fēng)路，增強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)整合礦井唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研分析、現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)阻力測(cè)定和風(fēng)機(jī)性能測(cè)試，查找出影響唐山溝煤礦現(xiàn)有通風(fēng)能力的主要因素，提出唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)和主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的優(yōu)化、改造方案。經(jīng)過(guò)實(shí)施后，原有兩套主要通風(fēng)機(jī)能夠滿(mǎn)足礦井用風(fēng)需求，不需更換主要通風(fēng)機(jī)，降低了改造投資。主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，滿(mǎn)足了安全生產(chǎn)的需要，大幅度增強(qiáng)了該礦通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力。

2)在唐山溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、改造中，特別注重煤礦井巷開(kāi)拓部署的優(yōu)化，注重煤礦采掘布局的優(yōu)化調(diào)整。開(kāi)拓和采掘布局優(yōu)化、改造后，大幅度簡(jiǎn)化了礦井通風(fēng)系統(tǒng)。其中，整合前5個(gè)進(jìn)風(fēng)井6個(gè)回風(fēng)井，改為三進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng);采掘布局由原來(lái)的3個(gè)水平12掘6采，優(yōu)化為2個(gè)水平4套綜掘2套綜采。2011年9月將試驗(yàn)薄煤層自動(dòng)化綜采工作面，進(jìn)一步提高機(jī)械化程度，減少采掘面?zhèn)€數(shù)以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

3)注重技術(shù)路徑的優(yōu)化，形成了“通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研、分析、研究制定解決方案—通風(fēng)阻力測(cè)定及主要通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試—通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算—通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析—解決礦井通風(fēng)問(wèn)題”的路徑，該技術(shù)路徑可用于解決類(lèi)似礦井通風(fēng)系統(tǒng)問(wèn)題，并且給其他多礦井整合煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造提供了指導(dǎo)和參考。

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