城郊礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及優(yōu)化改造

宋曉燕，謝中朋

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2. 首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070)

0 引言

穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的根本保障。影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素很多，主要包括通風(fēng)動(dòng)力裝置、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和自然風(fēng)壓等[1]。

由于井下采掘活動(dòng)、采區(qū)的接替、礦井開(kāi)拓工程的延伸等使礦井風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)的變化之中，同時(shí)也使通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性處于動(dòng)態(tài)變化，有可能使本來(lái)穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)變的不穩(wěn)定。雖然通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)是可以預(yù)先規(guī)劃的，但由于通風(fēng)巷道變形、阻塞以及井下通風(fēng)設(shè)施設(shè)置的不合理使得系統(tǒng)風(fēng)阻增大、風(fēng)量分配不合理[2-4]。其次，對(duì)高阻、多風(fēng)井復(fù)雜系統(tǒng)，隨著不斷開(kāi)采，主要通風(fēng)機(jī)性能逐漸降低；另外，設(shè)備運(yùn)行、大氣壓變化、自然風(fēng)壓的變化對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)也有沖擊，這樣就使可能本來(lái)穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)變的不穩(wěn)定、不可靠[5,6]。由此可見(jiàn)，從整個(gè)礦井風(fēng)網(wǎng)的穩(wěn)定性角度出發(fā)，對(duì)影響風(fēng)網(wǎng)穩(wěn)定性的通風(fēng)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和外界因素進(jìn)行研究，并進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)高阻巷道、通風(fēng)設(shè)施、角聯(lián)風(fēng)路等進(jìn)行一系列的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造和進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬解網(wǎng)與預(yù)測(cè)分析，以期實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)與風(fēng)網(wǎng)之間的合理匹配，使礦井通風(fēng)系統(tǒng)始終處于一種安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)而可靠的運(yùn)行狀態(tài)[7]。這對(duì)于提高風(fēng)網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，最大程度地減少事故的發(fā)生是極為重要的。

1 礦井概況

城郊煤礦于2003年10月11日正式投產(chǎn)，現(xiàn)年核定生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a。礦井采用立井多水平上、下山開(kāi)拓方式，第一水平標(biāo)高-495m，第二水平標(biāo)高-800m。采用走向長(zhǎng)壁和傾斜長(zhǎng)壁采煤法，采煤工藝為綜采。礦井為混合抽出式通風(fēng)方式；進(jìn)風(fēng)井有主、副立井和西進(jìn)風(fēng)井三個(gè)井筒，回風(fēng)井有東風(fēng)井，西風(fēng)井，北風(fēng)井三個(gè)井筒。分別安裝兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，一用一備，東風(fēng)井風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBCDZ-№30/2×560(A)，工作功率521kW；西風(fēng)井風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBCDZ-№28/2×450(1#)，工作功率477KW；北風(fēng)井風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBCDZ-№26/2×355(A)，工作功率514KW。通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如附圖1所示。

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

在2014年10月對(duì)城郊煤礦通風(fēng)阻力測(cè)定的基礎(chǔ)上，就所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題擬定了一系列通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案。

1) 通過(guò)阻力測(cè)定發(fā)現(xiàn)礦井東翼系統(tǒng)阻力分布不太合理，用風(fēng)段所占阻力百分比較大，究其原因主要是東翼無(wú)最大通風(fēng)路線，通風(fēng)設(shè)施多，且設(shè)置不合理所致，如最遠(yuǎn)的21110工作面回風(fēng)順槽風(fēng)窗壓差達(dá)到440Pa，21307工作面回風(fēng)段風(fēng)窗壓差達(dá)到350Pa。三個(gè)風(fēng)井系統(tǒng)阻力和部分高阻巷道分別如表1和表2所示。

表1 各系統(tǒng)阻力分布表

表2 高阻巷道參數(shù)表

2) 通過(guò)表1可知東風(fēng)井系統(tǒng)阻力大，風(fēng)機(jī)能力不足，東翼回風(fēng)有1100m3/min經(jīng)“-495膠帶運(yùn)輸石門(mén)”(91～92段)流向北風(fēng)井；即東、北風(fēng)井系統(tǒng)之間沒(méi)有獨(dú)立通風(fēng)，一個(gè)采區(qū)的回風(fēng)流向兩個(gè)風(fēng)井系統(tǒng)，一旦發(fā)生災(zāi)變勢(shì)必造成災(zāi)害擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各系統(tǒng)之間的獨(dú)立通風(fēng)，在全礦井范圍內(nèi)測(cè)定基礎(chǔ)上，必須對(duì)各系統(tǒng)主要通風(fēng)路線的阻力及各系統(tǒng)之間的壓力差和過(guò)風(fēng)量進(jìn)行精確測(cè)定，為后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)整及角聯(lián)控制提供技術(shù)參數(shù)。

3) 東風(fēng)井系統(tǒng)阻力超出《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》對(duì)礦井通風(fēng)阻力2500Pa的要求，“東翼膠帶暗斜井”其阻力就占該系統(tǒng)總阻力的30%以上，究其原因主要是風(fēng)量過(guò)于集中，裝設(shè)的大皮帶機(jī)面積大，使巷道有效過(guò)風(fēng)面積小所致。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化及解網(wǎng)分析

3.1 方案Ⅰ：東翼開(kāi)專(zhuān)回

由于東翼系統(tǒng)高阻段主要集中在“東翼膠帶暗斜井”段，為了降低東翼系統(tǒng)通風(fēng)阻力和實(shí)現(xiàn)了東、北風(fēng)井系統(tǒng)的獨(dú)立通風(fēng)，做以下系統(tǒng)改造：

1) 在東翼新打?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷(13～18段)即相當(dāng)于“東翼膠帶暗斜井”的并聯(lián)回風(fēng)巷，該專(zhuān)用回風(fēng)巷長(zhǎng)1500 m、斷面13 m2、半圓拱形狀錨噴支護(hù)，以降低東翼系統(tǒng)通風(fēng)阻力。

2) 將“-495膠帶運(yùn)輸石門(mén)”(91～92段)間的調(diào)節(jié)風(fēng)窗改為永久風(fēng)門(mén)。使東、北翼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)。

在滿足各用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)要求的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算東翼風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為2335 Pa、東翼系統(tǒng)阻力為2543.2 Pa、風(fēng)量為7321.0 m3/min、風(fēng)機(jī)功率為223.5 kW；北風(fēng)井、西風(fēng)井風(fēng)機(jī)工況略有降低。東風(fēng)機(jī)功率比改造前降低了135.1 kW。該方案優(yōu)點(diǎn)：東翼系統(tǒng)阻力大大降低，東、西風(fēng)井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立回風(fēng)，大幅度降低電耗，提高了有效風(fēng)量。缺點(diǎn)：施工工期長(zhǎng)，投資大。在施工期間對(duì)生產(chǎn)有一定影響。

3.2 方案Ⅱ：“東翼膠帶暗斜井”拆除皮帶，簡(jiǎn)化通風(fēng)設(shè)施

由于北翼即將回采完畢，西翼阻力不超出《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》對(duì)礦井通風(fēng)阻力2940Pa的要求[8]。由于對(duì)高阻巷道進(jìn)行擴(kuò)巷降阻，將增大投資，并對(duì)生產(chǎn)造成一定影響。因此本方案只對(duì)東翼系統(tǒng)進(jìn)行改造。具體如下：

1) 由于東翼2704、2505工作面即將回采完畢，二水平東翼無(wú)采礦活動(dòng)，而二水平南翼煤炭可經(jīng)“南翼膠帶暗斜井”運(yùn)往主井。因此，本方案將“東翼膠帶暗斜井”(13～16段)內(nèi)皮帶拆除，以降低東翼系統(tǒng)風(fēng)阻；

2) 拆除21110工作面回風(fēng)順槽的風(fēng)窗，同時(shí)調(diào)大21307工作面回風(fēng)段風(fēng)窗的過(guò)風(fēng)面積，以降低工作面回風(fēng)段風(fēng)阻；

3) 將“-495膠帶運(yùn)輸石門(mén)”(91～92段)間的調(diào)節(jié)風(fēng)窗改為永久風(fēng)門(mén)。使東、北翼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通風(fēng)。

在滿足各用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)要求的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算東風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為1881.7 Pa，系統(tǒng)阻力為2089.9 Pa，比改造前降低了1217.1 Pa；風(fēng)機(jī)功率為223.5 kW，比改造前降低了135 kW。北風(fēng)井、西風(fēng)井系統(tǒng)阻力基本不變。同時(shí)21307工作面的風(fēng)量由1573.1 m3/min增加到1730.8 m3/min；21110工作面的風(fēng)量由1134 m3/min增加到1369.8 m3/min。該方案優(yōu)點(diǎn)：降低了東翼風(fēng)阻，提高有效風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)了東、北風(fēng)井系統(tǒng)的獨(dú)立回風(fēng)，施工工期短，施工方便，投資少；在施工期間對(duì)生產(chǎn)無(wú)影響。缺點(diǎn)：無(wú)。

3.3 方案Ⅲ：關(guān)閉北風(fēng)井風(fēng)機(jī)，將北風(fēng)井改為進(jìn)風(fēng)井

由于北翼系統(tǒng)C2401、C2405工作面即將回采完畢，亟時(shí)北翼只保留部分硐室及巷道用風(fēng)。因此，保留北風(fēng)井風(fēng)機(jī)已無(wú)必要。本方案擬通過(guò)把北風(fēng)井改為進(jìn)風(fēng)井，通風(fēng)系統(tǒng)由“三進(jìn)三回”改為“四進(jìn)二回”，即主井、副井、西進(jìn)風(fēng)井、北風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井、西風(fēng)井回風(fēng)。具體如下：

1) 同方案II，將“東翼膠帶暗斜井”(13～16段)內(nèi)皮帶拆除；

2) 在“-495北翼膠帶運(yùn)輸大巷”(43～44)段安設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗；

3) 拆除“-495膠帶運(yùn)輸石門(mén)”(91～92)段風(fēng)門(mén)；

4) 對(duì)井下各翼系統(tǒng)風(fēng)量按需分配。

在滿足各用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)要求的情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算東翼風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為1939 Pa、系統(tǒng)阻力為2147.2 Pa、風(fēng)量為7446.0 m3/min、風(fēng)機(jī)功率為240.6 kW；西風(fēng)井風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為2390 Pa、系統(tǒng)阻力為2551.6 Pa、風(fēng)量為10980.0 m3/min、風(fēng)機(jī)功率為437.4 kW。風(fēng)機(jī)總功率比改造前降低了139 kW。兩風(fēng)井系統(tǒng)皆滿足《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》對(duì)礦井通風(fēng)阻力的要求。該方案優(yōu)點(diǎn)：東、西風(fēng)井系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立回風(fēng)，大幅度降低電耗，提高有效風(fēng)量，且施工工期短，施工方便，投資少。缺點(diǎn)：在施工期間對(duì)生產(chǎn)有一定影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)摸清了城郊礦通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布規(guī)律及存在的問(wèn)題，通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造，城郊礦的通風(fēng)系統(tǒng)趨于經(jīng)濟(jì)合理，確保了通風(fēng)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定可靠。

1) 通過(guò)分析比較，在方案Ⅰ中通過(guò)對(duì)東翼新打?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷(13—18段)，對(duì)提高東翼用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量、降低阻力效果非常顯著，但同時(shí)也導(dǎo)致投資增大且對(duì)生產(chǎn)有一定影響；在方案Ⅱ中通過(guò)對(duì)高阻巷“東翼膠帶暗斜井”(13—16段)拆除皮帶，同時(shí)對(duì)通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于降低東翼系統(tǒng)阻力、提高用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量效果非常顯著；使東翼風(fēng)機(jī)能力足以保證東翼系統(tǒng)的用風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了東、北翼系統(tǒng)間的獨(dú)立通風(fēng)，且施工周期短投資很小。在方案Ⅲ中，將北風(fēng)井筒改為進(jìn)風(fēng)井”，既降低了整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻，又減少了一個(gè)風(fēng)井風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，且實(shí)現(xiàn)了東、西風(fēng)井系統(tǒng)的獨(dú)立回風(fēng)；該方案的實(shí)施不僅降低了通風(fēng)電耗、且施工周期短投資很小、便于通風(fēng)系統(tǒng)的管理，而且提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2) 通過(guò)對(duì)上述諸方案比較可知，方案Ⅱ、方案Ⅲ無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性、施工周期、實(shí)施效果方面都比方案Ⅰ更優(yōu)，因此礦方可根據(jù)自身情況按方案Ⅱ、方案Ⅲ、方案Ⅰ順序有計(jì)劃、有步驟的實(shí)施。

3) 根據(jù)城郊礦通風(fēng)阻力測(cè)定所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，擬定了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化(改造)方案，并對(duì)諸方案進(jìn)行了較為科學(xué)的解算、分析與決策。這種生產(chǎn)礦井通風(fēng)狀況的實(shí)時(shí)仿真與通風(fēng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)模擬，通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整(改造)方案的風(fēng)網(wǎng)解算與優(yōu)化比較，對(duì)于深刻了解通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀所存在的問(wèn)題以及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造(調(diào)整)時(shí)的通風(fēng)機(jī)工況優(yōu)選、礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整，乃至提高整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)應(yīng)變能力和防災(zāi)抗災(zāi)能力等均具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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附圖 城郊礦通風(fēng)系統(tǒng)示意圖