甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定與優(yōu)化

魯 杰，張 磊，陳連城

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定與優(yōu)化

魯 杰，張 磊，陳連城

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

根據(jù)甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，選定通風(fēng)路線和測點(diǎn)，利用基點(diǎn)氣壓法進(jìn)行了井下通風(fēng)阻力測定，并計(jì)算了礦井總風(fēng)阻、自然風(fēng)壓；同時(shí)根據(jù)計(jì)算的等積孔判斷了該礦通風(fēng)的難易程度，并對目前通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)、回風(fēng)阻力分布及原因進(jìn)行了分析，通過改變通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，提出了降低礦井通風(fēng)阻力的方案。

通風(fēng)系統(tǒng)；阻力測定；優(yōu)化

礦井通風(fēng)阻力是評價(jià)礦井通風(fēng)系統(tǒng)合理與否的重要指標(biāo)[1]，他與礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。通過測定礦井通風(fēng)阻力，可掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)并可對其進(jìn)行優(yōu)化，從而降低礦井通風(fēng)阻力，提高通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

甘莊煤礦現(xiàn)采煤層為7#和8#兩層煤，礦井通風(fēng)方式為中央分列抽出式，配備兩臺FBCBZNo.24-2×220型隔爆對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，其中一臺工作，一臺備用，主、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。測試期間，礦井總進(jìn)風(fēng)量為5 270 m3∕min，其中主井進(jìn)風(fēng)量為1 680 m3∕min，副井進(jìn)風(fēng)量為3 590 m3∕min；7#層有兩個(gè)采區(qū)，一個(gè)掘進(jìn)工作面和一個(gè)準(zhǔn)備面；8#層有兩個(gè)掘進(jìn)隊(duì)和一個(gè)綜采隊(duì)。

2 礦井通風(fēng)阻力測定

2.1 測定方法

本次測定采用氣壓計(jì)逐點(diǎn)測定法[2]，使用5臺精密氣壓計(jì)，一臺放在基點(diǎn)(副立井口)，每隔5 min讀一次大氣壓力值并記錄時(shí)間，觀測大氣壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，以便校正測定儀器的大氣壓力；另外4臺精密氣壓計(jì)，每個(gè)測量組兩臺，從基點(diǎn)開始，沿預(yù)先選定的測定路線逐點(diǎn)測量各點(diǎn)的絕對壓力，并記下測定時(shí)間。同時(shí)，測量各測點(diǎn)及其相關(guān)風(fēng)路斷面上的平均風(fēng)速、斷面積、干濕球溫度、標(biāo)高以及測段長度。依次測定全部的測點(diǎn)，對測定形成的閉合回路進(jìn)行誤差分析，待測點(diǎn)氣壓計(jì)回到井口時(shí)基點(diǎn)測定和一次測量完成。

2.2 測定路線

根據(jù)測定的要求和目的，結(jié)合甘莊煤業(yè)的生產(chǎn)布局和通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，選擇風(fēng)流路線較長，風(fēng)量大且包含采煤工作面，能反映本礦通風(fēng)系統(tǒng)特征的路線作為測量路線。按照上述原則，結(jié)合甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，結(jié)合礦井巷道布置的具體條件和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的需要，首先在通風(fēng)系統(tǒng)圖上確定測定地段、路線和測點(diǎn)，后經(jīng)實(shí)地考察，根據(jù)實(shí)際要求[3]，具體布置了甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)4條阻力測定的路線，具體測點(diǎn),見表1。

表1 甘莊礦阻力測定測點(diǎn)布置

測點(diǎn)標(biāo)號 測點(diǎn)標(biāo)號13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 33 34測點(diǎn)名稱404皮帶巷口404軌道巷口2405面運(yùn)輸順槽口5405回風(fēng)巷口2409掘進(jìn)入風(fēng)口2409掘進(jìn)回風(fēng)口2411巷進(jìn)風(fēng)口5411巷回風(fēng)口402變電所入口402變電所回風(fēng)口402運(yùn)輸大巷尾巷口402回風(fēng)巷調(diào)節(jié)口503回風(fēng)大巷口501回風(fēng)大巷口7#層總回大巷口8#層總回風(fēng)口11#層總回風(fēng)口3#層總回風(fēng)口風(fēng)硐口風(fēng)機(jī)房地面東盤區(qū)進(jìn)風(fēng)口8#303總進(jìn)風(fēng)口8#層材料暗斜井底50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 358#層溜煤眼進(jìn)風(fēng)口73 36 37 8#層溜煤眼回風(fēng)口303皮帶大巷入風(fēng)口74 75測點(diǎn)名稱101皮帶大巷入風(fēng)口101運(yùn)輸大巷入風(fēng)口2101巷入風(fēng)口2101巷回風(fēng)口5101進(jìn)風(fēng)口5101回風(fēng)口西盤區(qū)掘進(jìn)匯風(fēng)點(diǎn)101回風(fēng)大巷繞道口11號層匯風(fēng)點(diǎn)里7#層變電所進(jìn)風(fēng)口2405工作面面機(jī)頭2405工作面面機(jī)尾2411工作面面機(jī)頭2411工作面面機(jī)尾8#層回風(fēng)暗斜井口2301工作面面機(jī)頭2301工作面面機(jī)尾西8#層回風(fēng)口103進(jìn)口（運(yùn)輸）103皮帶進(jìn)口8301進(jìn)風(fēng)口（7#）8301回風(fēng)404皮帶巷口與103運(yùn)輸交接處404運(yùn)輸巷與103運(yùn)輸交接處8301運(yùn)輸巷與404皮帶巷交接處11#爬坡入風(fēng)口

2.3 兩點(diǎn)間通風(fēng)阻力的計(jì)算

巷道兩測定斷面i與j之間的通風(fēng)阻力計(jì)算公式如下[2]：

式中：hs(i,j)斷面i與j之間的靜壓差，Pa；

Bi，Bj測定儀器在i、j測點(diǎn)的讀數(shù)，Pa；

hz(i,j)斷面i與j之間的位壓差，Pa；

hv(i,j)斷面i與j之間的速壓差。

甘莊煤礦測點(diǎn)間通風(fēng)阻力計(jì)算結(jié)果,見表2。

2.4 礦井自然風(fēng)壓與通風(fēng)總阻力

通風(fēng)系統(tǒng)的自然風(fēng)壓的大小可由下式計(jì)算：

式中：Zi,Zj分別是進(jìn)風(fēng)某段i和回風(fēng)某段j的高差，m；

ρmi，ρmj進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段空氣密度的平均值，kg∕m3；

Z地表至最低標(biāo)高點(diǎn)的垂高，m。

經(jīng)計(jì)算，甘莊礦在測定阻力期間自然風(fēng)壓為12.88 Pa。

從進(jìn)風(fēng)井口到通風(fēng)機(jī)入口前風(fēng)硐內(nèi)測點(diǎn)的全礦井通風(fēng)阻力，等于一條主要通風(fēng)路線上各條巷道通風(fēng)阻力之和，即

測點(diǎn)布置，見圖1，圖2。

圖1 7#層測點(diǎn)布置圖

圖2 8#層測點(diǎn)布置圖

表2 甘莊礦阻力通風(fēng)阻力計(jì)算數(shù)據(jù)表

起點(diǎn) 末點(diǎn) 測段 起點(diǎn)總壓力∕Pa 末點(diǎn)總壓力∕Pa 校正壓力∕Pa 通風(fēng)阻力∕Pa 9 0 33 13 14 15 60 18 33 34 35 43 65 66 44 63 18 55 56 57 24 12 69 68 47 40 33 12 15 15 60 61 20 34 35 36 65 66 44 45 20 20 56 57 67 67 26 69 68 27 47 9-33 33-12 13-15 14-15 15-60 60-61 18-20 33-34 34-35 35-36 43-65 65-66 66-64 44-45 63-20 18-20 55-56 56-57 57-67 24-67 12-26 69-71 68-70 47-27 40-47測段名稱402運(yùn)輸大巷及101運(yùn)輸大巷101運(yùn)輸大巷404皮帶大巷404運(yùn)輸大巷2405面運(yùn)輸順槽8405采煤工作面404回風(fēng)大巷8#材料暗斜井8#號層溜煤眼進(jìn)風(fēng)繞道8#層溜煤眼2301運(yùn)輸巷2301工作面5301回風(fēng)巷303回風(fēng)大巷5411回風(fēng)巷404回風(fēng)大巷101回風(fēng)大巷101回風(fēng)大巷101回風(fēng)繞道402回風(fēng)巷501調(diào)節(jié)103皮帶大巷103運(yùn)輸大巷8#回風(fēng)暗斜井303回風(fēng)大巷87 049.609 08 87 030.455 20 87 104.956 56 87 115.854 56 87 084.086 89 86 922.087 98 86 854.190 50 87 180.455 20 87 130.911 57 87 111.818 38 87 010.726 11 86 876.039 23 86 771.524 55 86 619.721 66 86 841.111 25 86 854.190 50 86 581.990 03 86 552.899 02 86 518.920 57 86 593.932 69 86 995.632 39 86 992.450 23 87 044.647 64 86 409.118 25 86 724.700 22 87 030.455 20 86 995.632 39 87 084.086 89 87 084.086 89 86 922.087 98 86 855.922 17 86 717.544 68 87 130.911 57 87 111.818 38 87 032.806 25 86 876.039 23 86 771.524 55 86 619.721 66 86 585.078 91 86 717.544 68 86 717.544 68 86 552.899 02 86 518.920 57 86 504.288 69 86 504.288 69 86 714.229 34 86 983.706 14 86 983.706 14 86 340.063 31 86 340.063 31 20 30 30 -10 10 0 20 10 20 10 10 0 10 -10 0 10 10 20 20 10 10 10 10 0 19.153 88 54.822 81 50.869 67 61.767 67 151.998 90 76.165 81 136.646 00 69.543 63 29.093 19 99.012 13 134.686 90 104.514 70 151.802 90 44.642 75 123.569 80 136.646 00 139.091 01 43.978 45 34.631 88 109.644 00 291.403 00 18.744 09 70.941 50 79.054 94 384.636 90

礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力及阻力分布，見表3，圖3，圖4。

表3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力及阻力分布表

圖3 7#層通風(fēng)路線各段巷道阻力分布圖

圖4 8#層通風(fēng)路線各段巷道阻力分布圖

2.5 誤差分析

由于測定儀器本身的精度及環(huán)境等因素的影響，測定誤差的產(chǎn)生是難免的。但是只要將測定誤差控制在一定范圍內(nèi)，測定結(jié)果是可靠的[4-6]。

根據(jù)通風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)及自然風(fēng)壓值和風(fēng)硐的動壓，可以計(jì)算出礦井的實(shí)際通風(fēng)阻力hr，再與實(shí)測通風(fēng)阻力hr’相比較，兩者的差值即為測定路線的絕對誤差e。

式中：

hr礦井實(shí)際通風(fēng)阻力;

hr=h-Hn-hv

H風(fēng)機(jī)房水柱計(jì)讀數(shù)，Pa；

Hn測定系統(tǒng)的自然風(fēng)壓(阻礙通風(fēng)機(jī)工作)，Pa；

Hv風(fēng)硐內(nèi)安裝水柱計(jì)處斷面的平均動壓，Pa；

hr’礦井實(shí)測通風(fēng)阻力，Pa。

測定系統(tǒng)的相對誤差 δ可按下式計(jì)算:

式中符號意義同上，一般要求δ≤5%。

計(jì)算出礦井各系統(tǒng)實(shí)際通風(fēng)阻力及測定誤差,見表4。

表4 礦井系統(tǒng)實(shí)際通風(fēng)阻力及測定誤差匯總表

由表4可看出，測定相對誤差小于5%，說明實(shí)測數(shù)可靠，可供現(xiàn)場使用。

3 測定結(jié)果分析

1）甘莊煤礦年產(chǎn)量為120萬t，涉及的生產(chǎn)煤層有7#、8#、11#，生產(chǎn)過于分散，通風(fēng)范圍廣，通風(fēng)路線長，通風(fēng)阻力比較大。通過表3、圖3、圖4可知，對于目前生產(chǎn)的7#和8#煤層通風(fēng)系統(tǒng)中，回風(fēng)段通風(fēng)阻力較大。7#層回風(fēng)段通風(fēng)阻力為1 264 Pa，占整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)阻力的60.5%；8#層回風(fēng)段通風(fēng)阻力為1 075 Pa，占通風(fēng)系統(tǒng)阻力的51.2%。說明甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中回風(fēng)路線較為復(fù)雜，欲降低整個(gè)礦井通風(fēng)阻力，應(yīng)從礦井回風(fēng)巷道進(jìn)行改造。

2）11#層爬坡皮帶巷，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中屬于角聯(lián)巷道。角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)屬于復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)流難以控制。從目前看，礦井整體風(fēng)流流動較為穩(wěn)定，但在今后11#層投產(chǎn)以后，隨著風(fēng)網(wǎng)的增加，很難保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3）全礦井進(jìn)風(fēng)過于集中，造成7#層進(jìn)風(fēng)三叉口風(fēng)量較大，使得7#層皮帶聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)速有所超限。

4）7#層總回風(fēng)巷擔(dān)負(fù)全礦井回風(fēng)任務(wù)，巷道布置不合理，巷道維護(hù)差，斷面不規(guī)則，導(dǎo)致巷道摩擦阻力系數(shù)增加，通風(fēng)阻力大。

5）井下通風(fēng)調(diào)節(jié)過多，大大增加了通風(fēng)阻力，303采區(qū)尾巷維護(hù)比較差，斷面大，風(fēng)速過小，配風(fēng)不合理。

6）甘莊煤礦礦井總進(jìn)風(fēng)量、總回風(fēng)量比較大，其中，通風(fēng)機(jī)工況在（93.5，2 129.31）時(shí)，等積孔為2.02 m2，通風(fēng)系統(tǒng)較容易，總體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的通風(fēng)阻力分配合理且與風(fēng)量匹配。通風(fēng)系統(tǒng)目前尚能滿足生產(chǎn)要求，但風(fēng)機(jī)能力已接近飽和，不能滿足改擴(kuò)建的要求。

從測定結(jié)果可看出，通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)阻力分布比較均勻，沒有明顯的起伏。而回風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力明顯增大。主要原因是巷道起伏不定，并且有大量的雜物，巷道支護(hù)年久未修，巷道被破壞嚴(yán)重。

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的目的在于解決通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)存的主要問題，使井下通風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量分配更加合理，風(fēng)流流動更加穩(wěn)定，通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全可靠。

針對甘莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，對于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容主要包括巷道改造和風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化。

4.1 巷道改造

目前，甘莊煤礦生產(chǎn)煤層為7#層和8#層，11#層還未投產(chǎn)。礦井通風(fēng)阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力。在降低通風(fēng)阻力方面應(yīng)從兩方面入手：一是改造修整7#層和8#層現(xiàn)有巷道，清理巷道內(nèi)雜物以減小局部阻力，維護(hù)好已有巷道，使其進(jìn)可能平整從而降低摩擦阻力系數(shù)；二是在未來布置11#層巷道時(shí)，巷道斷面配合支護(hù)應(yīng)盡可能平整，系統(tǒng)應(yīng)盡量簡化，力求整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)阻力減小。

4.2 風(fēng)網(wǎng)優(yōu)化

通過對甘莊煤礦通風(fēng)阻力的測定分析，可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改造：

1）將7#層101回風(fēng)大巷與101運(yùn)輸大巷合并為回風(fēng)大巷，擔(dān)負(fù)404盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)，可有效增大回風(fēng)能力，減少調(diào)節(jié)風(fēng)窗，減小礦井通風(fēng)阻力。

2）西八盤區(qū)布置不合理，造成通風(fēng)路線長，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，建議利用303盤區(qū)巷道，工作面沿走向布置，可有效縮短通風(fēng)路線的長度，從而降低風(fēng)流的摩擦阻力。

3）將8#層303盤區(qū)直接與回風(fēng)斜井溝通，大大減輕7#總回風(fēng)巷通風(fēng)任務(wù)，縮短了303盤區(qū)的通風(fēng)路線，可降低通風(fēng)阻力。

4）將8#層101回風(fēng)大巷與303盤區(qū)溝通，利用303盤區(qū)巷道，將西8#層風(fēng)流直接引導(dǎo)至303盤區(qū)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

1）本次通風(fēng)阻力測定采用氣壓計(jì)逐點(diǎn)測定法，通過在井口固定位置放置氣壓計(jì)，可對井下測定數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，減小測量數(shù)據(jù)的誤差。

2）通過對甘莊煤礦井下7#層和8#層通風(fēng)阻力的測定，礦井等積孔為2.02 m2，通風(fēng)系統(tǒng)較容易，總體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的通風(fēng)阻力分配較為合理且與風(fēng)量匹配。通風(fēng)系統(tǒng)目前尚能滿足生產(chǎn)要求，但風(fēng)機(jī)能力已接近飽和，在今后礦井改擴(kuò)建，開采11#層時(shí)不能滿足要求，必須進(jìn)行礦井系統(tǒng)優(yōu)化。

3）通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化可有效降低礦井通風(fēng)阻力。甘莊煤礦在通風(fēng)阻力測定結(jié)束后，根據(jù)優(yōu)化建議，將7#煤層101回風(fēng)大巷與101運(yùn)輸大巷合并，承擔(dān)404盤區(qū)回風(fēng)任務(wù)取得顯著效果。

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Resistance Measurement and Optimization of Ventilation System in Ganzhuang Mine

LU Jie,ZHANG Lei,CHEN Lian-cheng
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

According to the present status of mine ventilation system in Ganzhuang Mine,the ventilate route and point have been chosen and the base point gas pressure measuring method was applied to the mine ventilation resistance measurement and the total re?sistance and natural ventilation pressure was calculated.The ventilation difficulty degree was judged.The air income and outcome of present ventilation system and the cause were analyzed and the plan to reduce the resistance was provided through changing the ventila?tion network.

ventilation system;resistance measurement;optimization

P2

A

1674-0874(2014)04-0052-06

2013-10-12

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目[20100322013]；山西大同大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目[2010Q22]

魯杰（1984-），男，山西大同人，碩士，講師，研究方向：采礦系統(tǒng)工程。

〔責(zé)任編輯 石白云〕