多風(fēng)井礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

王志玉　高軍軍

(1.晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室)

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多風(fēng)井礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

王志玉1高軍軍2,3

(1.晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；3.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室)

摘要針對目前寺河煤礦2#井多風(fēng)井礦井部分地點存在供風(fēng)能力不足、阻力分布失衡等問題，基于對通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)的測定分析結(jié)果及礦上后續(xù)生產(chǎn)工作的部署，對以上問題進(jìn)行了分析及研究，提出2個切實可行的礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案，并從風(fēng)量、通風(fēng)阻力、經(jīng)濟(jì)合理性、通風(fēng)公共段阻力所占百分比及三區(qū)阻力分布5個方面進(jìn)行對比分析，最終確定方案二為最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案，可有效改善通風(fēng)阻力分布，增大供風(fēng)量，保證井下生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞多風(fēng)井礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造阻力分布

煤炭是我國重要的生產(chǎn)能源，隨著井工開采時間的增長和開采深度的增加，礦井生產(chǎn)布局和通風(fēng)系統(tǒng)面臨越來越多的問題，通風(fēng)路線加長、阻力增大、風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運行等嚴(yán)重制約著高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，因此準(zhǔn)確掌握井下通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，以風(fēng)定產(chǎn)，對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化，按采掘銜接合理布置生產(chǎn)格局，對煤礦中后期安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1礦井概況

寺河煤礦2#井位于寺河井田東部，礦井工業(yè)廣場位于晉城市澤州縣川底鄉(xiāng)和村西北部，開采面積為11.97 km2，可采煤層為9#、15#。井田基本構(gòu)造形態(tài)為走向北北東、傾向北西西的單斜構(gòu)造，可采煤層總厚10.6 m。煤層走向為北東向，傾向北西。煤層平緩，傾角為2°～10°，一般為5°。

礦井采用主斜+副立綜合開拓方式，核定生產(chǎn)能力為180萬t/a，為高瓦斯礦井，采用分區(qū)式通風(fēng)方式、機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，共有6條井筒，3條進(jìn)風(fēng)井(主斜井、副立井、3#進(jìn)風(fēng)立井)，3條回風(fēng)井(1#回風(fēng)立井、2#回風(fēng)立井、3#回風(fēng)立井)。礦井總進(jìn)風(fēng)量為15 389 m3/min，總回風(fēng)量為17 105 m3/min，總等級孔為4.05 m2。盤區(qū)主要巷道采用兩進(jìn)一回三巷布置，分別為盤區(qū)軌道巷、盤區(qū)膠帶巷和專用回風(fēng)巷。

2通風(fēng)系統(tǒng)存在問題及改造必要性

礦井穩(wěn)步持續(xù)正常發(fā)展，必須滿足基本風(fēng)量，但隨著寺河煤礦2#井生產(chǎn)工作的持續(xù)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，導(dǎo)致井下回風(fēng)距離加長、礦井負(fù)壓增大、風(fēng)量利用率降低且部分地點風(fēng)量供應(yīng)不足等現(xiàn)象出現(xiàn)，又由于目前礦井進(jìn)、回風(fēng)井較多，各風(fēng)井相連巷道相互影響較大，各風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)存在擾動現(xiàn)象，導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大、風(fēng)量降低，同時造成風(fēng)機(jī)功耗額外增加。通過建立寺河煤礦2#井解算網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)目前通風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下問題：

(1)礦井通風(fēng)阻力不合理。根據(jù)實測各分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量和負(fù)壓可知，目前1#回風(fēng)立井回風(fēng)總量為2 499 m3/min，回風(fēng)負(fù)壓為2 280 Pa，依據(jù)《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》有關(guān)規(guī)定[1-2]，1#回風(fēng)立井負(fù)壓超出規(guī)定阻力780 Pa；2#回風(fēng)立井回風(fēng)總量為5 006 m3/min，回風(fēng)負(fù)壓為3 130 Pa，超出規(guī)定阻力630 Pa；3#回風(fēng)立井回風(fēng)總量為9 600 m3/min，回風(fēng)負(fù)壓為3 130 Pa，超出規(guī)定阻力630 Pa。在目前通風(fēng)條件下，3條風(fēng)井總回風(fēng)為17 105 m3/min，系統(tǒng)總阻力達(dá)8 540 Pa，超出《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》的規(guī)定值2 040 Pa，通風(fēng)系統(tǒng)需要優(yōu)化改造。

(2)用風(fēng)地點風(fēng)量分配不合理。根據(jù)現(xiàn)場實測，1#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)的西軌大巷主要硐室(理論需風(fēng)量660 m3/min，實際供風(fēng)量2 559 m3/min)和3#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)的九七盤區(qū)(理論需風(fēng)量4 995 m3/min，實際供風(fēng)量5 983 m3/min)供風(fēng)滿足要求外，2#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)的十五一盤區(qū)(理論需風(fēng)量4 866 m3/min，實際供風(fēng)量4 216 m3/min)和3#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)的九四東盤區(qū)(理論需風(fēng)量2 110 m3/min，實際供風(fēng)量1 945 m3/min)、九四西盤區(qū)(理論需風(fēng)量4 888.8 m3/min，實際供風(fēng)量3 827 m3/min)風(fēng)量均匱乏，其中1#回風(fēng)立井的風(fēng)量較為過剩，可見礦井各盤區(qū)用風(fēng)地點風(fēng)量分布已經(jīng)失衡，應(yīng)采取合理調(diào)節(jié)措施對通風(fēng)分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，合理分配礦井風(fēng)量資源。

(3)阻力分布失衡。通過阻力測試并分析發(fā)現(xiàn)，寺河煤礦2#井1#回風(fēng)立井用風(fēng)區(qū)阻力分布偏高(53.55%)、2#回風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)區(qū)(36.37%)和回風(fēng)區(qū)(52.39)阻力分布偏高，3#回風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)區(qū)(33.17%)和回風(fēng)區(qū)(34.38%)阻力分布略微偏高[3]。針對1#回風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)著重針對用風(fēng)區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化，針對2#、3#回風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)著重優(yōu)化整改進(jìn)風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)。

3通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1方案的提出

針對原通風(fēng)系統(tǒng)，通過建立通風(fēng)系統(tǒng)解算網(wǎng)絡(luò)，模擬風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)，決定將原三進(jìn)三回通風(fēng)系統(tǒng)改造為四進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)，即主斜井、副立井、1#進(jìn)風(fēng)立井(原3#進(jìn)風(fēng)立井)和2#進(jìn)風(fēng)立井(原3#回風(fēng)立井)進(jìn)風(fēng)，1#回風(fēng)立井和2#回風(fēng)立井回風(fēng)。按照預(yù)期采掘生產(chǎn)計劃，改造后整個礦井的通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量見表1。

m3/min

根據(jù)各盤區(qū)用風(fēng)地點及主要硐室需風(fēng)量計算，礦井總需風(fēng)量為17 250 m3/min。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造需盡量利用原有巷道，本著工程量低、投資少、見效快、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理的原則，不僅要滿足現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)要求，而且要兼顧礦井今后一段時期的生產(chǎn)部署[4-10]。因此，提出以下2種方案。

方案一：在目前通風(fēng)系統(tǒng)下，在南回風(fēng)大巷頂部增設(shè)一道調(diào)節(jié)風(fēng)窗，在九三盤區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與南回風(fēng)大巷連接處前部增設(shè)一道永久風(fēng)門。

方案二：在南回風(fēng)大巷回風(fēng)暗立井與九三盤區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷段增加一處雙向風(fēng)門。

3.2方案比較

3.2.1礦井風(fēng)量

從安全角度來講，礦井風(fēng)機(jī)能夠提供的風(fēng)量要高于礦井實際需風(fēng)量才能夠滿足生產(chǎn)需求，對方案一、方案二進(jìn)行解算網(wǎng)絡(luò)模擬，礦井風(fēng)量見表2。

表2　礦井風(fēng)量比較

從表2可以看出，方案一總回風(fēng)量為19 110 m3/min，方案二總回風(fēng)量為19 164 m3/min，均超過原系統(tǒng)總回風(fēng)量17 105 m3/min和理論需風(fēng)量17 250 m3/min，并且用風(fēng)地點風(fēng)量充足，說明改造后的礦井系統(tǒng)在通風(fēng)能力上都滿足要求，同時，其回風(fēng)量分別與礦井需風(fēng)量的差值相差不大，分別為1 860和1 914 m3/min，但方案二回風(fēng)量略大于方案一，故方案二優(yōu)于方案一。

3.2.2礦井通風(fēng)阻力及經(jīng)濟(jì)合理性

對原通風(fēng)系統(tǒng)改造后，方案一和方案二的礦井通風(fēng)阻力和功耗見表3。

表3　礦井通風(fēng)阻力及功耗

從表3可以看出，方案一通風(fēng)阻力值超出《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定值4 734 Pa，方案二超出規(guī)定值4 362 Pa，同時兩方案通風(fēng)系統(tǒng)總阻力均超過原系統(tǒng)阻力值，但在風(fēng)機(jī)功耗方面均比原系統(tǒng)低，其中方案一為469 kW，較原系統(tǒng)下降387.9 kW，方案二為443.1 kW，較原系統(tǒng)下降413.8 kW；從通風(fēng)阻力差異性方面分析，方案二通風(fēng)阻力差異性為7.36%，較方案一53.08%低45.72個百分點，風(fēng)機(jī)運行更穩(wěn)定。從礦井通風(fēng)阻力的合理性、功耗和通風(fēng)阻力差異系三方面來看，同等條件下方案二較方案一超出規(guī)定值較小，在滿足用風(fēng)地點風(fēng)量的情況下，方案二較方案一更優(yōu)，風(fēng)機(jī)運行更經(jīng)濟(jì)有效，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時要優(yōu)于原礦井通風(fēng)系統(tǒng)。

3.2.3公共段阻力分析

公共段最大阻力占分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力百分比見表4。

表4　公共段最大阻力占分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力百分比

從表4可以看出，方案一中1#、2#回風(fēng)立井分區(qū)風(fēng)機(jī)主扇在聯(lián)合運轉(zhuǎn)過程中，公共通風(fēng)段最大阻力為1 572 Pa，約占最小主扇負(fù)壓的39.1%，超出合理比例約9.1個百分點；方案二中1#、2#回風(fēng)立井分區(qū)主扇在聯(lián)合運轉(zhuǎn)過程中，公共通風(fēng)段的最大阻力為1 577 Pa，約占最小主扇的33.4%，超出合理比例約3.4個百分點，較方案一低5.7個百分點；同時2種方案均比原系統(tǒng)公共段阻力超出合理比例要低，優(yōu)于原通風(fēng)系統(tǒng)。因此，方案二中公共段阻力對整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)造成的影響較小，風(fēng)機(jī)主扇在聯(lián)合運轉(zhuǎn)過程中相對更穩(wěn)定，優(yōu)選方案二。

3.2.4礦井三區(qū)阻力分布

按方案一和方案二對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三區(qū)阻力計算與模擬，得到三區(qū)阻力分布及其基于最小二乘法的優(yōu)化判據(jù)s2[11](圖1)，s2為實際三區(qū)阻力分布比例值與三區(qū)阻力合理值離差的平方和。

圖1　方案一與方案二三區(qū)阻力分布及優(yōu)化判據(jù)

圖1可以看出，方案一s2為0.271 695，方案二s2值為0.235 83，較小，其三區(qū)阻力分布與合理的三區(qū)阻力分布較為接近，較方案一相對合理，同時優(yōu)于原系統(tǒng)(0.322 485 1)，故優(yōu)選方案二。

3.3方案優(yōu)選

綜合考慮礦井通風(fēng)系統(tǒng)上述5個方面評判指標(biāo)，對比結(jié)果見表5?？梢钥闯觯桨付懈黜椫笜?biāo)均優(yōu)于方案一，因而確定方案二為四進(jìn)兩回通風(fēng)系統(tǒng)投運時期改造方案，即1#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)九四西盤區(qū)和一五一盤區(qū)、15煤準(zhǔn)備盤區(qū)通風(fēng)任務(wù)，2#回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)九四東盤區(qū)、九七盤區(qū)通風(fēng)任務(wù)。方案二中，通風(fēng)系統(tǒng)部分指標(biāo)不符合規(guī)定(如礦井的系統(tǒng)阻力偏高)，后期將提出優(yōu)化方案。

4結(jié)論

(1)通過對寺河煤礦2#井通風(fēng)阻力的測定，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)存在礦井通風(fēng)阻力不合理、用風(fēng)地點分配不合理和阻力分布失衡等問題，并提出2種切實可行的改造方案。

表5　通風(fēng)系統(tǒng)改造方案指標(biāo)對比

(2)根據(jù)寺河煤礦2#井的實際情況，通過系統(tǒng)改造，從風(fēng)量、通風(fēng)阻力、經(jīng)濟(jì)合理性、通風(fēng)公共段阻所占百分比及三區(qū)阻力分布5個方面對提出的2種方案及原方案進(jìn)行對比分析，確定方案二優(yōu)于方案一，也優(yōu)于原系統(tǒng)，建議采取方案二對現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

(3)采取方案二進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造，系統(tǒng)由原來通風(fēng)不足變?yōu)轱L(fēng)量富余，但在風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運行期間，方案二中有部分指標(biāo)不符合規(guī)程規(guī)定，將在后期通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部優(yōu)化時整改。

參考文獻(xiàn)

[1]黃元平．礦井通風(fēng)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．AQ 1028—2006煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件[S]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2007．

[3] 樊小利，郭健卿，曾憲桃，等．礦山通風(fēng)與安全測試技術(shù)[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，1997．

[4] 程磊，楊運良，景國勛．鶴壁四礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造[J]．河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005(6)：426-429．

[5] 仵自連，栗成杰．礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2006(9)：49-52．

[6] 李雨成，劉劍，賈廷貴．MVSS3.0在礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J]．煤礦安全，2007(4)：21-22．

[7] 李雨成，金佩劍．基于MVSS3.1的寺河礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造分析[J]．煤礦安全，2009(11)：89-91．

[8] 劉娉娉，李雨成．西馬礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究[J]．煤炭技術(shù)，2009(11)：89-91．

[9] 汪鵬，劉劍，李雨成．礦井多主扇聯(lián)合運轉(zhuǎn)分析[J]．礦業(yè)快報，2006(8)：19-21．

[10] 劉文軍．謝一礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造的實踐[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2005(1)：78-79，81．

[11] 鄒樂強(qiáng)．最小二乘法原理及其簡單應(yīng)用[J]．科技信息，2010(23)：282-283．

(收稿日期2015-12-09)

王志玉(1973—)，男，碩士，高級工程師，048019 山西省晉城市澤州縣。