孟津煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

魯忠良，李玉江，楊楠珂

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

孟津煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

魯忠良1，2，3，4，李玉江1，楊楠珂1

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

針對孟津煤礦通風(fēng)總阻力偏大、東翼回風(fēng)大巷風(fēng)速超限，礦井采掘部署不合理，風(fēng)量浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，通過對通風(fēng)阻力測定和主要風(fēng)機(jī)性能鑒定的結(jié)果進(jìn)行分析，制定了優(yōu)化方案，主要措施包括：巷道降阻、合理配風(fēng)、后期通風(fēng)系統(tǒng)確定，利用VNT軟件數(shù)據(jù)解網(wǎng)，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的效果。并針對礦井后期的生產(chǎn)部署，制定了二水平的通風(fēng)系統(tǒng)方案，通過評價對比，選擇了合理方案。結(jié)果表明，對東翼回風(fēng)大巷斷面擴(kuò)修可有效降低礦井通風(fēng)阻力，大大降低風(fēng)機(jī)能耗，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。

礦井；通風(fēng)系統(tǒng)；優(yōu)化方案；改造

1 孟津煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

孟津煤礦位于河南省孟津縣橫水鎮(zhèn)境內(nèi)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.2Mt/a，采用立井兩水平上下山開拓。礦井東一采區(qū)布置1個綜采工作面和1個抽放工作面6個掘進(jìn)工作面，西二采區(qū)布置8個掘進(jìn)工作面。礦井瓦斯含量為3.20～9.80m3/t，平均6.97m3/t。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，主要通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)方式為抽出式，副井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。中央風(fēng)井位于工業(yè)場地內(nèi)，服務(wù)一水平上、下山采區(qū)，服務(wù)年限37.2年。礦井總進(jìn)風(fēng)量215.8m3/s，礦井總回風(fēng)量218.39m3/s。礦井外部漏風(fēng)率1.19%。中央風(fēng)井布置兩臺同型號對旋式通風(fēng)機(jī)，一臺正常工作，另一臺備用，型號為：FBCDZ NO.34/2×560。

孟津煤礦為新建礦井，處于試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，井下掘進(jìn)巷道較多，礦井需風(fēng)量較大，通風(fēng)系統(tǒng)雖然不復(fù)雜，但是由于管理不完善，施工不標(biāo)準(zhǔn)等原因，通風(fēng)系統(tǒng)仍然存在較多問題。如東翼回風(fēng)大巷風(fēng)速已接近8m/s，風(fēng)速較高的問題；礦井的通風(fēng)總阻力偏大，在目前主通風(fēng)機(jī)-3°運(yùn)行狀態(tài)下，井下通風(fēng)系統(tǒng)如果發(fā)生突然變化(阻力升高)，風(fēng)機(jī)極易超負(fù)荷，影響井下的通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時降低了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)變能力。還有隨著礦井的開采，礦井向二水平延伸，通風(fēng)線路較長，仍然采用中央并列式通風(fēng)方式能否滿足礦井二水平的生產(chǎn)要求等這一系列的問題都是孟津煤礦亟需解決的問題，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化勢在必行。

2 通風(fēng)技術(shù)測試分析及現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬

2.1 通風(fēng)現(xiàn)狀技術(shù)測定

礦井通風(fēng)是煤礦井下多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，隨著礦井的生產(chǎn)延伸，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)也在不斷變化，要對礦井進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，必須及時獲取礦井的重要通風(fēng)技術(shù)參數(shù)，主要包括礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力分布情況和各分支巷道的風(fēng)阻值、摩擦阻力系數(shù)[1-3]。采用氣壓計(jì)法中的雙基點(diǎn)同時測定法對礦井進(jìn)行了全面的通風(fēng)阻力測定，并對通風(fēng)阻力、風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

2.2 測定結(jié)果分析

礦井通風(fēng)阻力沿程分布狀況如圖1、圖2所示。礦井三段(進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段)通風(fēng)阻力的百分比情況見表1。

表1 礦井通風(fēng)三段阻力分布情況

圖1 孟津煤礦礦井通風(fēng)阻力三段分布圖(主測路線)

圖2 孟津煤礦礦井通風(fēng)阻力三段分布圖(輔測路線)

從阻力分布圖1、圖2和表1看出：義煤集團(tuán)孟津煤礦進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段和回風(fēng)段的阻力分別占總阻力的27.64%、39.62%、32.74%。三段阻力分布狀況根據(jù)現(xiàn)狀較合理。從礦井百米阻力值來看，回風(fēng)段百米阻力值偏大，主要是回風(fēng)路線長，且回風(fēng)巷道斷面小，底板雜物多增加摩擦阻力。從阻力分布圖可以看出，水平東翼回風(fēng)大巷阻力是435.707Pa，阻力偏大主要原因是回風(fēng)巷斷面小風(fēng)量大而且底板不平整、部分巷道形狀不規(guī)則造成的。用風(fēng)段阻力偏大主要原因是，工作面的膠帶順槽和軌道順槽中間部分巷道支護(hù)形式發(fā)生改變，并且斷面變小，所以局部阻力偏大。

2.3 現(xiàn)行系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算

礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)解算是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)[4]，通過當(dāng)前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)測各分支風(fēng)阻值，2#主通風(fēng)機(jī)在-3°運(yùn)行條件下，掛網(wǎng)解算，解算結(jié)果見表2和表3。

由表1、表2知，解算的主要巷道風(fēng)量與實(shí)測風(fēng)量較吻合，測量結(jié)果的相對誤差均小于5%，從而表明，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各分支的風(fēng)阻值測算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠?？勺鳛橥L(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、改造和通風(fēng)日常管理的依據(jù)。

3 孟津煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 巷道降阻

3.1.1 改造方案

擴(kuò)修東翼回風(fēng)大巷，斷面增大至16m2，工作面的軌道順槽和膠帶順槽中間支護(hù)形式和巷道斷面發(fā)生突然改變處，增加擋風(fēng)簾遮擋，避免巷道突然增大或減小導(dǎo)致的局部阻力過大。

3.1.2 解網(wǎng)條件

降阻工作完成后，根據(jù)礦井通風(fēng)阻力各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)，1#風(fēng)機(jī)-3°運(yùn)行，掘進(jìn)工作面和硐室按固定風(fēng)量分風(fēng)。采煤工作面自然分風(fēng)，掛網(wǎng)解算，解算結(jié)果見表4和表5。

表2 主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況表

表3 礦井主要用風(fēng)地點(diǎn)通過風(fēng)量表

表4 孟津煤礦主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況表

表5 孟津煤礦主要用風(fēng)地點(diǎn)通過風(fēng)量表

東翼回風(fēng)大巷斷面擴(kuò)修和工作面局部阻力降低后，礦井總阻力降低至2720.7Pa，小于2940Pa，各高阻力段的阻力值都有不同程度的降低，井下重要用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量滿足要求。主通風(fēng)機(jī)功率由693.435kW，降低至606.808kW，同時風(fēng)機(jī)效率又80.65%增至82.74%。東翼回風(fēng)大巷斷面經(jīng)擴(kuò)修后，雖然回風(fēng)風(fēng)量有所增加，但是風(fēng)速卻降低至7.1m/s，滿足規(guī)程規(guī)定。表明此方案對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)啟到顯著的調(diào)節(jié)作用。

但是，解算結(jié)果顯示礦井工作面的風(fēng)量超過1500m3/min的配風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)793.2m3/min。礦井的風(fēng)量浪費(fèi)較嚴(yán)重，建議進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 合理配風(fēng)優(yōu)化

通過方案一的優(yōu)化，礦井的風(fēng)量、負(fù)壓各項(xiàng)指標(biāo)均正常，可以滿足礦井的正常的生產(chǎn)需要。孟津煤礦處于生產(chǎn)的初期階段，礦井主通風(fēng)機(jī)能力較強(qiáng)，井下風(fēng)量充足，但是井下用風(fēng)地點(diǎn)的配風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過配風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。這就造成很大一部分風(fēng)量的浪費(fèi)，風(fēng)機(jī)能耗較高。并且井下掘進(jìn)巷道有14條，部分掘進(jìn)工作面回風(fēng)流交匯，由于孟津煤礦為煤與瓦斯突出礦井，這種布置存在一定的安全隱患，并且降低了礦井的抗災(zāi)變能力。

3.2.1 礦井采掘部署分析

礦井目前布置11011綜采工作面長度120m，煤層平均厚度3.5m，年推進(jìn)度1900m，煤的視密度為1.44t/m3，工作面回采率取0.97，工作面生產(chǎn)能力：Q綜=120×1900×3.5×1.44×0.97×10-4=1.115 Mt/a。

掘進(jìn)煤量0.105 Mt/a，礦井生產(chǎn)能力為1.22Mt/a。礦井目前開采11011工作面，西翼布置12011工作面，目前剩余掘進(jìn)巷道360m，3個月可以完工，可以滿足正常采掘更替。因此，10個掘進(jìn)工作面，4個煤巷6個巖巷，可以滿足礦井的正常生產(chǎn)需要。3.2.2 礦井需風(fēng)量

采煤工作面1500m3/min，抽采工作面720 m3/min，煤巷掘進(jìn)600 m3/min，巖巷掘進(jìn)510 m3/min，井下所有硐室960 m3/min，其他巷道300 m3/min。

則礦井的需風(fēng)量為：Q礦=(25+12+10×4+6×8.5+16+5)×1.2=178.8 m3/s。

3.2.3 解網(wǎng)條件

根據(jù)礦井通風(fēng)阻力測定結(jié)果及合理的生產(chǎn)部署，解網(wǎng)分析。主通風(fēng)機(jī)-9°運(yùn)行，掘進(jìn)工作面，硐室按固定風(fēng)量，采煤工作面，抽采工作面風(fēng)阻值自然分風(fēng)，進(jìn)行掛網(wǎng)結(jié)算。結(jié)算結(jié)果見表6和表7。

表6 孟津煤礦主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況表

表7 孟津煤礦主要用風(fēng)地點(diǎn)通過風(fēng)量表

3.2.4 結(jié)果分析

通過合理的配合和采掘布置，礦井總回風(fēng)量降低至182.6 m3/s，井下各主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量均滿足要求。通過降低礦井的風(fēng)量，礦井的總阻力大大降低，阻力值降低1810.39Pa。主通風(fēng)機(jī)-9°運(yùn)行，風(fēng)機(jī)效率可以滿足要求，風(fēng)機(jī)的功率降低至425.342kW。大大降低礦井能耗，并且降低了通風(fēng)的成本。

3.3 孟津煤礦后期通風(fēng)系統(tǒng)的確定

3.3.1 后期礦井通風(fēng)狀況分析及方案提出

礦井目前開采一水平，采用中央并列式的通風(fēng)方式，副井進(jìn)風(fēng)，中央風(fēng)井回風(fēng)。礦井二水平投產(chǎn)后，整個通風(fēng)線路大大加長，阻力增大，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)將更加復(fù)雜，需要合理的通風(fēng)方案，來保證礦井的安全生產(chǎn)。通過對礦井各個方面因素的綜合分析，制定礦井的通風(fēng)系統(tǒng)方案。切實(shí)可行的方案有兩個：①仍然采用原來的中央并列式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)；②在井田南部重新布置風(fēng)井，負(fù)擔(dān)二水平的回風(fēng)任務(wù)。

3.3.2 后期通風(fēng)系統(tǒng)方案評價

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)劣評價主要從技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理三個方面考慮[5]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)多個評價指標(biāo)，各個指標(biāo)間存在著不可公度性和矛盾性，為綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，科學(xué)評價通風(fēng)系統(tǒng)必須采用多目標(biāo)決策法[6-7]。針對孟津煤礦后期的通風(fēng)系統(tǒng)方案采用多目標(biāo)決策法中的最高積分法。

最高積分法即：設(shè)一個問題目標(biāo)有m個，被評價的方案有n個，對于每一方案的每一目標(biāo)，皆有一評價值，所有的評價構(gòu)成一個評價矩陣(式(1))。

(1)

式中，Eij為第j個方案的第i項(xiàng)指標(biāo)的評價值。

Eij是根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的原始評價值計(jì)算得出的。若第i項(xiàng)指標(biāo)為定性指標(biāo)，由專家給定其原始評價值，當(dāng)為定量指標(biāo)時，直接作為原始評價值。

設(shè)各項(xiàng)指標(biāo)的原始評價值為fij，當(dāng)?shù)趇個指標(biāo)要求越小越好時，則在第n個方案中，以第i項(xiàng)指標(biāo)最小作為一個標(biāo)準(zhǔn)(式(2))。

(2)

然后計(jì)算Eij(式(3))。

(3)

當(dāng)?shù)趇項(xiàng)指標(biāo)要求越大越好時，令

(4)

然后計(jì)算Eij(式(5))。

(5)

由于各項(xiàng)指標(biāo)重要程度不同，各個目標(biāo)的權(quán)重也不同，則將個目標(biāo)的評價值與權(quán)值的成績之和作為綜合指標(biāo)(式(6))。

(6)

式中Wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值。

最后的評價結(jié)果認(rèn)為Mj最大的為最優(yōu)的方案[8，10]。

利用此方法對孟津煤礦后期通風(fēng)系統(tǒng)的兩套方案進(jìn)行綜合評價，各項(xiàng)指標(biāo)及權(quán)重見表8。

表8 評價指標(biāo)各項(xiàng)評價值及權(quán)重

最后計(jì)算得方案1的M為25.1，方案2的M值為34.5。方案2明顯優(yōu)于方案1。

3.3.3 后期通風(fēng)系統(tǒng)方案選取

方案1的優(yōu)點(diǎn)是避免了重新設(shè)計(jì)回風(fēng)立井和風(fēng)機(jī)設(shè)備。缺點(diǎn)是礦井生產(chǎn)后期的通風(fēng)線路將達(dá)到5400m，整個礦井通風(fēng)阻力較大，通風(fēng)困難。并且二水平較深，瓦斯含量大，地溫也將增高，礦井的各種自然災(zāi)害將更加嚴(yán)重，深部沒有安全出口，礦井的抗災(zāi)變能力和穩(wěn)定性較低。

方案2的優(yōu)點(diǎn)是礦井增加了一個回風(fēng)口，礦井的阻力較小，通風(fēng)也相對容易，并且增加一個安全出口，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗災(zāi)變能力。缺點(diǎn)是投資較大。

以技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的原則，綜合對比，確定二水平的通風(fēng)系統(tǒng)采用中央分列式的通風(fēng)方式。

4 結(jié) 語

1)通過通風(fēng)阻力測定與vnt模擬結(jié)果，系統(tǒng)分析了礦井通風(fēng)阻力過大的原因，制定了通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的方案：對東翼回風(fēng)大巷斷面進(jìn)行了擴(kuò)修，斷面積擴(kuò)修至設(shè)計(jì)斷面16m2，礦井的阻力降低至2720.7Pa，有效的降低了礦井的通風(fēng)阻力。

2)通過對礦井生產(chǎn)能力和采掘部署的合理分析，最終確定，井下在10個掘進(jìn)工作面的前提下就可以保持礦井的正常生產(chǎn)。據(jù)此，調(diào)整主通風(fēng)機(jī)的葉片角度至-9°，調(diào)整了礦井的配風(fēng)，礦井各個地點(diǎn)的用風(fēng)可以滿足要求，通風(fēng)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)由3.7提升到34.5，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，風(fēng)機(jī)的功率由原來的693.435kW降低到425.342kW，大大降低了風(fēng)機(jī)能耗。

3)提出了孟津煤礦生產(chǎn)后期，二水平的通風(fēng)系統(tǒng)方案，通過對技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠等方面的分析，采用最高積分法對后期方案進(jìn)行評價，選擇了礦井二水平的通風(fēng)系統(tǒng)方案。

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Optimization for ventilation system of Mengjin Coal Mine

LU Zhong-liang1，2，3，4，LI Yu-jiang1，YANG Nan-ke1

(1.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2.Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control，Jiaozuo 454003，China；3.Collaborative Innovation Center of Central Plains Economic Region for Coalbed /Shale Gas，Jiaozuo 454003 China；4.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province，Jiaozuo 454003，China)

In view of the Mengjin Coal Mine’s large total ventilation resistance，east wing main return way wind speed out of gauge，coal mining deployment is not reasonable，and the wind-waste problem is getting serious.The optimization scheme is made up，which is analyzed by measuring the resistance of the ventilation and the main fan performance appraisal results.The main measures include：reducing the tunnel resistance、reasonable distribution of air quantity、determine the later ventilation system，through the solution of network by using VNT，verified the effect of the optimization schemes.And according to the mine’s later production deployment，developed a ventilation system of the second level.By evaluating contrast，chose the reasonable solution.The results showed that expand the section of the air return roadway can effectively reduce the resistance of mine ventilation system，greatly reduce the energy consumption of the fan，and the ventilation system will be stable and reliable，provide guarantee for production safety of the mine.

coal mine；ventilating system；optimization scheme；reform

2015-02-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于有源風(fēng)網(wǎng)力學(xué)模型的煤與瓦斯突出礦井通風(fēng)系統(tǒng)災(zāi)變過程研究”資助(編號：51174109)

魯忠良(1964-)，男，吉林鎮(zhèn)賚人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥L(fēng)與除塵。E-mail：zhonglianglu@ 126.com。

TD728

A

1004-4051(2015)08-0105-05