多風(fēng)井集約化鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造*

張鴻斌　趙曉濤　高軍軍

(1.山西晉城煤業(yè)鳳凰山煤礦；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(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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多風(fēng)井集約化鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造*

張鴻斌1趙曉濤2,3高軍軍2,3

(1.山西晉城煤業(yè)鳳凰山煤礦；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(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)鳳凰山煤礦通風(fēng)距離長(zhǎng)、有效風(fēng)量率低等問(wèn)題，顧及多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)及其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了解析，并提出了將北回風(fēng)斜井改造為進(jìn)風(fēng)斜井，僅由南回風(fēng)斜井單風(fēng)井回風(fēng)的系統(tǒng)改造方案。該通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造后，井下風(fēng)量充足，負(fù)壓約2 550 Pa，較改造前上升3%。改造后的通風(fēng)系統(tǒng)在確保該礦安全生產(chǎn)的同時(shí)可節(jié)約各項(xiàng)成本500余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可供類(lèi)似礦山參考。

多風(fēng)井集約化通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，便于通風(fēng)管理，通風(fēng)經(jīng)濟(jì)合理，可節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用，而通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠狀況直接決定著整個(gè)礦井的安全程度，是煤礦安全工作的重中之重[1-3]。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)，開(kāi)展集約化生產(chǎn)，成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[4-7]。故本研究以鳳凰山煤礦為例，對(duì)該礦井下通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)優(yōu)化改造方案進(jìn)行探討。

1　礦井概況

鳳凰山煤礦井田東西寬約4.3 km，南北長(zhǎng)約7.5 km，面積29.35 km2，2006年核定生產(chǎn)能力為400萬(wàn)t/a。礦井采用斜井片盤(pán)開(kāi)拓方式，普通炮掘綜掘，綜采工藝，走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法。礦井現(xiàn)主要開(kāi)采151、152、153盤(pán)區(qū)煤層，151、152盤(pán)區(qū)位于井田南翼，153盤(pán)區(qū)位于井田北翼，全部垮落法管理頂板，在每個(gè)盤(pán)區(qū)配置2個(gè)綜掘面，以一井兩區(qū)兩面四綜掘滿(mǎn)足礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。礦井通風(fēng)方法為抽出式，通風(fēng)方式為分區(qū)混合式通風(fēng)。礦井現(xiàn)有5個(gè)進(jìn)風(fēng)井，2個(gè)回風(fēng)井，經(jīng)實(shí)測(cè)，各進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量見(jiàn)表1，各主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

m3/min

表2　各主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)共包括7個(gè)進(jìn)出風(fēng)井，多風(fēng)井復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)是其顯著特征，南回風(fēng)井供風(fēng)區(qū)域較多、通風(fēng)線(xiàn)路長(zhǎng)、角聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)多，通風(fēng)阻力大，導(dǎo)致主要通風(fēng)機(jī)已達(dá)最大工作能力，通風(fēng)系統(tǒng)管理工作困難。根據(jù)鳳凰山煤礦開(kāi)采特點(diǎn)，礦井未來(lái)2 a內(nèi)將逐步轉(zhuǎn)入15#煤層一盤(pán)區(qū)、二盤(pán)區(qū)、三盤(pán)區(qū)進(jìn)行相對(duì)集中生產(chǎn)，盤(pán)區(qū)不斷收縮、封閉，并聯(lián)風(fēng)路減少，由此將導(dǎo)致礦井通風(fēng)阻力、井巷風(fēng)阻進(jìn)一步升高，同時(shí)北回風(fēng)斜井服務(wù)區(qū)域資源枯竭，不利于實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)，因此可考慮關(guān)閉北回風(fēng)斜井。隨著礦井整合工作的進(jìn)行、盤(pán)區(qū)巷道的不斷收縮和封閉，將導(dǎo)致南回風(fēng)井通風(fēng)阻力進(jìn)一步增大，無(wú)法保證南回風(fēng)井主扇穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足不了未來(lái)在15#煤層開(kāi)展集約化生產(chǎn)的通風(fēng)需求，因此，對(duì)鳳凰山煤礦進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)改造，降低通風(fēng)阻力，對(duì)該礦安全生產(chǎn)和集約化生產(chǎn)具有重大意義。

2　礦井通風(fēng)現(xiàn)狀

2.1礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布狀況

為準(zhǔn)確掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)各阻力測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用傾斜壓差計(jì)法和氣壓法相結(jié)合的方法對(duì)鳳凰山煤礦進(jìn)行了阻力測(cè)試[8-9]。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，礦井三區(qū)(進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段)的通風(fēng)阻力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，礦井通風(fēng)阻力沿程分布狀況如圖1所示[10]。由表3、圖1可知：①鳳凰山煤礦南回風(fēng)斜井用風(fēng)段阻力占總阻力的34.4%，回風(fēng)段阻力占總阻力的50.74%，超過(guò)了50%，百米阻力值偏高，為100.78 Pa；②北回風(fēng)斜井用風(fēng)段阻力占總阻力的41.65%，較合理，而進(jìn)風(fēng)段阻力占總阻力的42.98%，百米阻力值為34.46 Pa，阻力較大?？梢?jiàn)，該礦井阻力分布不甚合理，主要表現(xiàn)為鳳凰山煤礦南回風(fēng)斜井回風(fēng)段由于通風(fēng)路線(xiàn)長(zhǎng)、部分巷道斷面偏小導(dǎo)致阻力過(guò)高，北回風(fēng)斜井擔(dān)負(fù)區(qū)域進(jìn)風(fēng)段單一通風(fēng)路線(xiàn)長(zhǎng)、集中進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)段阻力偏高。

表3　礦井通風(fēng)三區(qū)阻力相關(guān)參數(shù)

圖1　礦井通風(fēng)阻力沿程分布●—南回風(fēng)斜井測(cè)試路線(xiàn)；■—北回風(fēng)斜井測(cè)試路線(xiàn)

2.2礦井風(fēng)量分配

經(jīng)實(shí)測(cè)，礦井各主要進(jìn)風(fēng)井筒風(fēng)量、用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量和回風(fēng)井筒過(guò)風(fēng)量分配見(jiàn)表4。通過(guò)各回風(fēng)井實(shí)測(cè)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)排風(fēng)量計(jì)算可知：①南回風(fēng)斜井漏風(fēng)率為5.28%，北回風(fēng)斜井漏風(fēng)率為8.22%，兩回風(fēng)井均無(wú)提升設(shè)備，漏風(fēng)率均超過(guò)規(guī)程要求；②礦井總進(jìn)風(fēng)量為280.13 m3/s，礦井用風(fēng)段風(fēng)量為231.6 m3/s，由此可知礦井內(nèi)部漏風(fēng)率為17.3%，有效風(fēng)量率為82.7%，故需加強(qiáng)通風(fēng)管理，減少內(nèi)部漏風(fēng)，增加有效風(fēng)量。

3　優(yōu)化改造方案

3.1礦井回風(fēng)系統(tǒng)

鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)系統(tǒng)確定的基本思路是根據(jù)各風(fēng)井主干風(fēng)路的過(guò)風(fēng)能力，確定是否該由單一風(fēng)井(南回風(fēng)斜井)承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)，若滿(mǎn)足，則對(duì)北回風(fēng)斜井進(jìn)行改造，本著降低通風(fēng)總阻力、節(jié)約成本、滿(mǎn)足全礦通風(fēng)需要的原則，確定北回風(fēng)斜井的改造方案為：①關(guān)閉北回風(fēng)斜井(2水平主回風(fēng)巷變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)巷)；②將北回風(fēng)斜井改造為進(jìn)風(fēng)斜井(2水平主回風(fēng)巷變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)巷)。礦井各盤(pán)區(qū)、硐室理論需風(fēng)量及各風(fēng)井系統(tǒng)的過(guò)風(fēng)能力如表5所示。由

表4　礦井實(shí)測(cè)風(fēng)量統(tǒng)計(jì)

于井底巷道分支相對(duì)較多，當(dāng)過(guò)風(fēng)能力不足時(shí)，可采取巷道并聯(lián)或擴(kuò)面改造的方式提升主干風(fēng)路的過(guò)風(fēng)能力。因此本研究?jī)H考慮各井筒的過(guò)風(fēng)能力與礦井風(fēng)量的匹配，得到風(fēng)井系統(tǒng)的組合方案如表5所示。

表5　風(fēng)井系統(tǒng)組合方案

由表5可知：風(fēng)井系統(tǒng)組合共有3種方案，回風(fēng)系統(tǒng)的總回風(fēng)能力分別達(dá)到15 120，10 440，25 560 m3/min，而礦井理論總需風(fēng)量為10 890 m3/min，方案3通風(fēng)能力過(guò)剩，浪費(fèi)資源，方案1、方案2接近所需風(fēng)量要求，故本研究對(duì)方案1、方案2進(jìn)行進(jìn)一步分析。

由表2數(shù)據(jù)計(jì)算可知：北回風(fēng)斜井回風(fēng)量96.67 m3/s，總阻力1 520 Pa；南回風(fēng)斜井回風(fēng)量188.33 m3/s，總阻力2 470 Pa。若采用方案1，礦井總回風(fēng)量為181.5 m3/s，風(fēng)阻可認(rèn)為近似不變，預(yù)計(jì)風(fēng)井負(fù)壓為5 358.5 Pa，遠(yuǎn)超出風(fēng)機(jī)能力；若采用方案2，預(yù)計(jì)風(fēng)壓為2 294 Pa，具有較大調(diào)節(jié)可能性，故本研究選用方案2，即單一使用南回風(fēng)斜井回風(fēng)。

3.2優(yōu)選方案效果分析

對(duì)鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造及分析，確定由南回風(fēng)斜井單獨(dú)回風(fēng)，此時(shí)對(duì)北回風(fēng)斜井改造方法有：①直接封閉北回風(fēng)斜井；②將北回風(fēng)斜井改造成進(jìn)風(fēng)斜井。鳳凰山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，人工解算基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，并且無(wú)法靈活地對(duì)用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)配，故需運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助程序進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

3.2.1直接封閉北回風(fēng)斜井

北回風(fēng)斜井關(guān)閉時(shí)，各主要巷道需風(fēng)量與模擬風(fēng)量對(duì)比以及風(fēng)速分布見(jiàn)表6。由表6可知：當(dāng)北回風(fēng)斜井關(guān)閉時(shí)，大部分巷道模擬風(fēng)量與需風(fēng)量相差較小，風(fēng)速滿(mǎn)足規(guī)程要求，此時(shí)南回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 744 Pa，風(fēng)量為10 243 m3/min，考慮5%的誤差，風(fēng)機(jī)負(fù)壓范圍為2 744～2 881 Pa，此時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)壓臨近風(fēng)機(jī)喘振狀態(tài)，不利于風(fēng)機(jī)運(yùn)行，故北回風(fēng)斜井關(guān)閉方法(方法1)不可行[6]。

表6　北風(fēng)井關(guān)閉時(shí)各主要過(guò)風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量

3.2.2北回風(fēng)斜井改造成進(jìn)風(fēng)斜井

北回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)斜井時(shí)各主要過(guò)風(fēng)巷道需風(fēng)量與模擬風(fēng)量對(duì)比以及風(fēng)速分布見(jiàn)表7。由表7可知：當(dāng)北回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)斜井時(shí)，大部分巷道模擬風(fēng)量與需風(fēng)量非常接近，風(fēng)速符合規(guī)程要求，此時(shí)南回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2 550 Pa，風(fēng)量為10 437 m3/min，考慮5%誤差，風(fēng)機(jī)負(fù)壓范圍為2 550～2 678 Pa，此時(shí)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在合理工作范圍內(nèi)，并且能夠滿(mǎn)足井下用風(fēng)需求。

表7　北回風(fēng)斜井改為進(jìn)風(fēng)斜井時(shí)各主要過(guò)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量

經(jīng)過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)改造，通風(fēng)系統(tǒng)角聯(lián)結(jié)構(gòu)減少、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)較改造前簡(jiǎn)單，有效風(fēng)量率由改造前的82.3%提高至88.4%，內(nèi)部漏風(fēng)率下降；北回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率為630kW，節(jié)約電費(fèi)成本約441.5萬(wàn)元，改造后停用北回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)管理簡(jiǎn)單，故本研究選擇方法2(北回風(fēng)斜井改造成進(jìn)風(fēng)斜井)。

4　結(jié)　語(yǔ)

根據(jù)鳳凰山煤礦采掘銜接及生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)該礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，確定對(duì)北回風(fēng)斜井進(jìn)行改造，僅由南回風(fēng)斜井單風(fēng)井回風(fēng)即可滿(mǎn)足需要。經(jīng)論證，將該礦北回風(fēng)斜井改造為進(jìn)風(fēng)斜井后各用風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量滿(mǎn)足需求，南回風(fēng)斜井風(fēng)機(jī)負(fù)壓僅為2 550Pa，較改造前僅上升3%，仍有較大調(diào)節(jié)空間，符合生產(chǎn)實(shí)際要求。該礦通風(fēng)系統(tǒng)改造后，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，有效風(fēng)量率上升，每年可節(jié)約各項(xiàng)成本約500 萬(wàn)元。

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Optimization and Transformation for the Ventilation System of Fenghuangshan Coal Mine with the Characteristics of Multi-shaft and Intensification

Zhang Hongbin1Zhao Xiaotao2,3Gao Junjun2,3

(1.Fenghuangshan Coal Mine, Shanxi Jincheng Anthracite Mining;2.College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University;3.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention, Ministry of Education)

In view of the defects of the long ventilation distance and low rate of effective air volume of Fenghuangshan coal mine,based on the characteristics of joint operation of multi-fan and its complex network,the problems of the ventilation system of Fenghuagnshan coal mine are analyzed in detail,the optimization and transformation scheme of the ventilation system of Fenghuagnshan coal mine is proposed,it concludes that the north return air inclined shaft is transformed to the inlet air inclined shaft,return air of the ventilation system is conducted by the single air shaft.After the optimization and transformation of the ventilation system of Fenghuangshan coal mine,the underground air volume is sufficient,the fan negative pressure is about 2 550 Pa，which is increased 3% compared with the original ventilation system.The safety production of Fenghuagnshan coal mine can be ensured by the optimization and transformation of the ventilation system,besides that,the products costs of Fenghuagnshan coal mine can be saved more than 5 million yuan,therefore,the economic benefits is remarkable,it can provide some reference for the similar coal mines.

Multi-shaft,Intensification,Ventilation system,Optimization and transformation

2016-06-14)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51204089)；遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(編號(hào)：L2014131)。

張鴻斌(1976—)，男，工程師，048007 山西省晉城市。