麻家梁礦井風阻測定與優(yōu)化分析

邵良杉，王愛午，李基隆，賈亭貴

（1.遼寧工程技術大學系統(tǒng)工程研究所，遼寧葫蘆島125105;2.同煤集團麻家梁煤礦，山西大同037042）

1 麻家梁礦概況

麻家梁井田位于山西省朔州市南部、朔南礦區(qū)東南部，行政區(qū)劃屬朔州市朔城區(qū)管轄。瓦斯等級鑒定結果為低瓦斯礦井。井田內除9下煤層自燃傾向性等級為Ⅰ類，自燃傾向性為容易自燃，其余各煤層自燃傾向等級為Ⅱ類，自燃傾向性為自燃。因此，防止煤層自燃發(fā)火是礦井安全生產的重點。

麻家梁井田采區(qū)巷道布置以系統(tǒng)簡單、合理、環(huán)節(jié)少為原則，結合井田開拓部署，初期開采的一采區(qū)、二采區(qū)充分利用開拓大巷作為采區(qū)準備巷道，兩者“合二為一”。其中一采區(qū)利用+665 m水平東大巷作為采區(qū)巷道，二采區(qū)利用+665 m水平西大巷作為采區(qū)巷道，+665 m 水平大巷共布置有四條巷道，分別為+665 m 水平東（西）膠帶大巷，沿4號煤層底板布置；+665 m水平東（西）輔助運輸大巷，沿4號煤層頂板布置，+665 m水平東（西）回風大巷，沿4號煤頂板布置，四條巷道平行布置，巷間距為40 m。

+665 m水平西翼及東翼膠帶運輸大巷分別通過1號井底煤倉、2 號井底煤倉和定量帶式輸送機巷與主立井相連；+665 m 水平西翼及東翼輔助運輸大巷通過+665 m 水平井底車場與副立井、主立井相連；西翼及東翼回風大巷直接與回風立井相連。

回采工作面布置在+665 m 水平東、西翼大巷南側，傾斜長壁布置，順槽長度3 000 m左右。根據條件類似礦區(qū)經驗及所配掘進設備，結合麻家梁礦井的開采技術條件及順槽長度較長的特點，其工作面設計采用單順槽布置，采用“U”型通風。即每個回采工作面進風側布置一條膠帶順槽，用于煤炭運輸兼進風；回風側布置一條輔助運輸順槽，輔助運輸順槽用于回采工作面輔助運輸任務兼回風。膠帶順槽與+665 m 水平膠帶大巷膠帶直接搭接，并通過聯絡巷與+665 m水平輔助運輸大巷貫通，輔助運輸順槽與+665 m水平回風大巷直接連接，并通過聯絡巷與+665 m水平輔助運輸大巷貫通，中間設雙道雙向風門。

井田采區(qū)回采方式為采區(qū)前進式，工作面回采方式采用后退式。礦井通風方法為機械抽出式，通風方式采用中央分列式。采用立井開拓，共有3個井筒，分別為主立井、副立井、回風立井，其中主立井、副立井為進風井，回風立井為回風井。主立井擔負礦井煤炭提升任務兼作輔助進風井及安全出口。井筒內裝備兩對45 t非標立井箕斗及梯子間，四個箕斗一字排開布置，利于地面井架的布置。井筒內敷設一趟消防灑水管路、一趟壓風管路和四趟搶險排水管路。

副立井擔負礦井材料、設備和人員升降、矸石提升等全部輔助提升任務兼作主要進風井及安全出口。井筒內裝備一套非標特大寬罐籠（可裝載5 t 無軌膠輪車）+配重罐籠平衡錘和一套非標小罐籠（交通罐）+平衡錘、梯子間。井筒內敷設三趟正常排水管路、一趟消防灑水管、一趟清水管?；仫L立井擔負礦井二、四采區(qū)及一、三采區(qū)東部生產時回風任務兼安全出口。井筒內裝備封閉梯子間，敷設一趟黃泥灌漿管路。

2 礦井通風系統(tǒng)普查及阻力測定

2.1 技術依據

本次通風系統(tǒng)普查及阻力測定的相關技術標準為《煤礦安全質量標準化標準及考核評級辦法》[1]與《MT440-1995礦井通風阻力測定方法》[2]。

2.2 普查及測定方法

通風阻力測試的基本方法有兩種，氣壓計法和傾斜壓差計法[3]。氣壓計法測試精度較低，傾斜壓差計法測試精度較高，但收、放膠皮管的工作量較大，費時較多，適用于井巷斷面大、風量小、對風阻值的測試精度要求很高的情況。

圖1 壓差計法測試布置Fig1 Test layout with differential pressure gauge

本次測試采用傾斜壓差計與氣壓計相結合的方法。對于壓差較大的通風構筑物兩側或巷道行走不便的地方采用氣壓計法；對于常用的通風巷道采用壓差計法[4]，如圖1所示。巷道中①和②兩測點各安設一根皮托管（或靜壓管）。皮托管靜壓孔大致位于巷道中心，尖部迎風，管軸與風向平行；在末點②后至少10 m的地方放置壓差計，并調整為水平，將傾斜管固定在弧形板的某一適宜傾斜系數處，把較大壓力端的膠管與“+”接頭相連，小壓力端的膠管接于“-”接頭，使三通閥處于“校準”位置，校準水平和對零；然后使三通閥處于“測壓”位置，這時傾斜管酒精柱上升的長度即為壓差計的讀數。在①和②兩測點分別用風表測試風速、用尺子測試斷面尺寸或用斷面儀測試斷面積和周長，并測試兩測點間的長度和巷道前后兩交叉口之間的長度，還需同時用濕度計和氣壓計測試兩測點風流的干、濕球溫度和絕對靜壓，從而測算出兩測點的空氣密度。將以上測得的數據連同測點號、井巷名稱、形狀、支護方式等隨時填入阻力測試記錄表中，并在測試路線圖上標明測點位置和測點號。此時壓差計所測得的讀數值是兩測點之間的靜壓差和位壓之和（勢能差）[5-6]。用式（1）計算兩測點間的壓差hy1-2(Pa)。

其中，hd（mm）表示傾斜壓差計斜管液面的末讀數；h0（mm）表示傾斜壓差計斜管液面的初始讀數，本次測定h0=0；K表示標于弧形板上的斜管傾斜系數；C表示壓差計的精度校正系數。

式（1）同樣適用于風流向下的傾斜巷道和水平巷道。利用式（1）計算得到hy1-2后，再減去始末兩測點間的速壓差，求出始末兩點間的摩擦阻力hy1-2，用實測的風量和巷道的其它特征參數，計算出該測段間的摩擦風阻R和摩擦阻力系數α[7]。

2.3 通風系統(tǒng)現狀概述

麻家梁礦井現有4 個采區(qū)，即一采區(qū)、二采區(qū)、四采區(qū)和五采區(qū)。一、二、四采區(qū)布置有四條主要巷道，其中輔運大巷、膠帶大巷為進風巷，南回風大巷、北回風大巷為回風巷，采區(qū)實現了“兩進兩回”通風系統(tǒng)（注：一采區(qū)14103 工作面向東為三巷布置，二采區(qū)14207 工作面向西為三巷布置，均為兩進一回）；五采區(qū)布置有兩條主要巷道，其中五采區(qū)膠帶大巷為進風巷兼做皮帶運煤巷，五采區(qū)輔運大巷為臨時回風巷，臨時采用“一進一回”通風系統(tǒng)。礦井現有采掘工作面具體情況見表1。

表1 礦井現階段采掘工作面分布情況Tab1 Distribution of mining face at present stage of mine

通風方式為中央并列式，通風方法為抽出式，主要通風機型號為AGF606-3.8-1.8-1(2)型軸流式對旋風機，一臺工作，一臺備用，額定功率為2 500 kW，葉片角度-10°，負壓為2 320 Pa。礦井總進風量24 138 m3/min（主井10 700 m3/min、副井13 438 m3/min），礦井總回風量為24 486 m3/min，有效風量為22 559 m3/min，有效風量率為93.46%。

2.4 “三區(qū)”阻力與功耗分布分析

礦井的四采區(qū)、五采區(qū)尚未形成工作面，暫不做重點分析；一采區(qū)布置于礦井東翼，三巷布置（東輔運巷、東膠帶巷、回風巷）形成“兩進一回”通風格局，工作面為U 型式的“一源一匯”結構。二采區(qū)布置于礦井西翼，呈四巷布置（東輔運巷、東膠帶巷、回風南巷、回風北巷）形成“兩進兩回”通風格局，工作面為仍U型式的“一源一匯”結構。為了更明晰地分了解各煤層阻力分布情況，以下分析仍以采區(qū)作為分析單元。

把各項數據輸入《三維通風仿真與優(yōu)化系統(tǒng)-3DSimOpt》，如圖2。計算結果看出，一采區(qū)整體是兩進一回系統(tǒng)（由東輔運巷、東皮帶巷進風，由回風巷回風），采區(qū)工作面為一進一回式（14105 膠帶巷進風，14105 輔運巷回風）。選取一條主要通路進行三區(qū)阻力與功耗分析，結果表明：礦井進風段、用風段、回風段通風阻力的對比為18:39:43見圖3，回風區(qū)段的通風阻力偏高。

從選擇通路上各巷道通風阻力、功耗分布來看，見圖5，進風區(qū)段最阻力主要集中在進風井上，風量大是其主因；用風區(qū)段的通風阻力、功耗主要集中在工作面回風繞道的調節(jié)設施上，由于礦井采用全通路調節(jié)，因此，工作面回風繞道處調節(jié)設施的局阻力也較為明顯，這一點可以從圖3中得到確認?；仫L區(qū)段的高節(jié)阻力巷除回風立井外，回風巷【18-20】、回風巷【20-21】通風阻力也偏大。單一回風結構、通風量大是主要原因。

圖2 三維通風仿真與優(yōu)化系統(tǒng)-3DSimOptFig2 3D ventilation simulation and optimization

圖3 一采區(qū)（東翼采區(qū)）“三區(qū)”通風阻力分布Fig3 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.1 mining area(East Wing mining area)

二采區(qū)（西翼采區(qū)）與一采區(qū)（東翼采區(qū)）相比，二采區(qū)為兩進兩回系統(tǒng)（由西輔運巷、西膠帶巷進風，回風南巷、回風北巷回風）。采區(qū)工作面為一進一回式（14205膠帶巷進風，14205輔運巷回風）。選取二采區(qū)一條主要通路進行三區(qū)阻力與功耗分析，測試結果表明，礦井進風段、用風段、回風段通風阻力的對比為31:38:31，見圖4，單純從“三區(qū)”阻力分布的比例上來看[8]，分布比例合理。

圖4 二采區(qū)（西翼采區(qū)）“三區(qū)”通風阻力分布Fig4 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.2 mining area(West Wing mining area)

但如果從選擇通路上各巷道通風阻力、功耗分布比對來看，如圖6所示，通風阻力分布曲線與功耗分布曲線不一致，特別是工作面回風繞道【59-49】，阻力大幅高于功耗線是局阻異常的特征體現。這是由于工作面回風調節(jié)設施造成的，局部阻力高達410 Pa。同時，從通路曲線上為看，進、回風井的阻力也較高，風量大是其主因。

圖5 一采區(qū)（東翼采區(qū)）選擇通路各巷道通風阻力、功耗分布Fig5 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in the selected passage of one mining area(East Wing mining area)

圖6 二采區(qū)（西翼采區(qū)）選擇通路各巷道通風阻力、功耗分布Fig6 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in selective passage of two mining area(West Wing mining area)

2.5 各盤區(qū)間阻力均衡調節(jié)分析

從網絡結構上來看，麻家梁礦井通風系統(tǒng)是一個“2源1匯”“4個采區(qū)”并列開采的通風網絡[9]，見圖7。其中，四采區(qū)、五采區(qū)尚未形成工作面，以掘進為主。從生產布局上來看，形成一采區(qū)（東翼采區(qū)）與二采區(qū)（西翼采區(qū)）為兩大重點并聯采區(qū)結構。從阻力均衡角度來看，如何保持各盤區(qū)通風阻力的均衡，盤區(qū)間的調節(jié)阻力最小是實現礦井通風系統(tǒng)通風總阻力最小、礦井總功耗最小，同時實現礦井通風系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵所在。

圖7 礦井網絡結構示意圖Fig7 Schematic diagram of mine network structure

從各采區(qū)為了采區(qū)平衡而增設的調節(jié)風窗效果來看，礦井通風阻力最大的采區(qū)為二采區(qū)，見表2。

表2 各工作面回風調節(jié)內窗情況Tab2 Wind return inside windows of each working face

2.6 通風系統(tǒng)存在的問題

通過上述分析，目前麻家梁煤業(yè)公司就礦井通風方面存在以下幾個問題：

（1）從礦井一采區(qū)“三區(qū)”通風阻力分布（18:39:43）來看：進風區(qū)段最阻力主要集中在進風井上，風量大是其主因；用風區(qū)段的通風阻力、功耗主要集中在工作面回風繞道的調節(jié)設施上，由于礦井采用全通路調節(jié)，因此，工作面回風繞道處調節(jié)設施的局阻力也較為明顯，這一點可以從圖3中得到確認?；仫L區(qū)段的高節(jié)阻力巷除回風立井外，回風巷【18-20】、回風巷【20-21】通風阻力也偏大。單一回風結構、通風量大是主要原因。

（2）礦井采用全通路調節(jié)。即礦井的每一條通路均設有調節(jié)設施控風。這種調節(jié)方式一是人為抬升礦井調節(jié)阻力，增加主通風功耗；二是增加系統(tǒng)的靈敏性，增加局部系統(tǒng)微調難度。從表1中調節(jié)設施的調節(jié)量中可以看出14205工作面回風繞巷【59→49】處的調節(jié)量最小，為410 Pa，即14205工作面是最大阻力路線通路分支。從礦井網絡全通路阻力分布來看，每個分支如果減少一個固定阻力的話，整個網絡仍然平衡。因此，有必要針對礦井全通路控制的方法進行減阻降耗優(yōu)化。

3 通風系統(tǒng)降阻擴能優(yōu)化方案設計

通過1、2節(jié)分析可知，礦井采用全通路回風調節(jié)，造成礦井阻力虛高的問題。故本次優(yōu)化方案設計擬以14205 工作面回風繞巷【59→49】處的調節(jié)（410 Pa）為基準對礦井全通路實施減阻降耗優(yōu)化。

3.1 方案可行性分析

從網絡結構上來看，麻家梁全礦13 處工作面（采煤或掘進），其中分為10 處掘進工作面，3 處采煤工作面。13個工作面互為并聯分支，為了各工作面間壓力平衡，達到按需通風的目的，每一處均設有調節(jié)風窗。從通風優(yōu)化角度出發(fā)，要使13個并聯風路的風量達到配需風要求，只需設置12處調節(jié)設施即可實現。但實際工程中，礦井在每個關聯通路均增設調節(jié)設施，而且最大阻力通路上最小的調節(jié)壓差410 Pa 以上，可以大大制約礦井的通風能力。

因此，可通過降低各并聯分支調節(jié)風阻來實現整個礦井通風系統(tǒng)的降阻，拆降1處調節(jié)設施，調整其余12 個調節(jié)量。通過現場測試，選定14205 工作面為過最大阻力路線工作面，即完全拆除其回風繞道處的調節(jié)設施，同時，放寬其它各并聯分支的調節(jié)量實行系統(tǒng)降阻擴能。

3.3 方案降阻效果預估

為了更明晰地分了解各煤層阻力分布情況，以下分析仍以采區(qū)作為分析單元。

選取一采區(qū)同一條主要通路進行三區(qū)阻力與功耗分析。結果表明，礦井進風段、用風段、回風段通風阻力的對比由原來的18:39:43改變?yōu)?1:28:51，用風區(qū)段的通風阻力得到大幅下降，鑒于用風區(qū)段阻力所占總阻力的比例降低，變相增大進、回風區(qū)段的通風阻力比例。見圖8。從選擇通路上各巷道通風阻力、功耗分布來看，見圖5、圖10，原主要集中在工作面回風繞道的調節(jié)設施上的風壓差得到大幅削減。

圖8 一采區(qū)（東翼采區(qū)）“三區(qū)”通風阻力分布Fig8 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.1 mining area(East Wing mining area)

選取二采區(qū)同一條主要通路進行三區(qū)阻力與功耗分析。結果表明，礦井進風段、用風段、回風段通風阻力的對比由原來的31:38:31改變?yōu)?7:26:37，用風區(qū)段的通風阻力得到大幅下降。同理，鑒于用風區(qū)段阻力所占總阻力的比例降低，變相增大進、回風區(qū)段的通風阻力比例(見圖9)。

圖9 二采區(qū)（西翼采區(qū)）“三區(qū)”通風阻力分布Fig9 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.2 mining area(West Wing mining area)

值得注意的是，如果單純從阻力分布的數字上來看，降阻前的“三區(qū)”阻力分布更接近于3：4：3 的定律。因此，如果單純拋開網絡結構而僅考慮“三區(qū)”阻力分布是不恰當的。此外，從選擇通路上各巷道通風阻力、功耗分布比對來看，如圖6、圖11 所示，通風阻力分布曲線與功耗分布曲線不一致性得到有效緩減，特別是工作面回風繞道【59-49】處的調節(jié)阻力得到大幅降低。

圖10 一采區(qū)（東翼采區(qū)）選擇通路各巷道通風阻力、功耗分布Fig.10 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in the selected passage of No.1 mining area (East Wing mining area)

圖11 二采區(qū)（西翼采區(qū)）選擇通路各巷道通風阻力、功耗分布Fig11 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in selective passage of No.2 mining area(West Wing mining area)

此次降阻調節(jié)方案主要是解決針對各工作面回風繞道設置構筑物不當，而引起的礦井通風阻力虛高的問題。需要重點說明的是，在方案的模擬分析中缺少主通風機實際工作曲線，因此，最終降阻幅度與風量變化是考慮主通風機實際工作曲線的影響。

4 結論與建議

（1）麻家梁煤業(yè)通風系統(tǒng)采用的是一個“2 源1匯”、4 個采區(qū)并聯布置的通風網絡。其中，最大阻力采區(qū)為礦井的二采區(qū)層。一采區(qū)“三區(qū)”的通風阻力分布比例為18:39:43。二采區(qū)“三區(qū)”的通風阻力分布比例為31:38:31。但從通風阻力、功耗對比分析來看：一、二采區(qū)均存用風區(qū)段的通風阻力偏高，特別是回風繞道阻力異常背離功耗的問題。建議對礦井用風區(qū)段實行降阻優(yōu)化。

（2）礦井采用全通路調節(jié)。即礦井的每一條通路均設有調節(jié)設施控風。這種調節(jié)方式一是人為抬升礦井調節(jié)阻力，增加主通風功耗；二是增加系統(tǒng)的靈敏性，增加局部系統(tǒng)微調難度。因此，選定14205工作面為過最大阻力路線工作面，即完全拆除其回風繞道處的調節(jié)設施，同時，放寬其它各并聯分支的調節(jié)量，實行系統(tǒng)降阻擴能。通過模擬分析可知，二采區(qū)降阻擴能方案可行，能夠達到礦井降阻擴能的效果。

（3）從各個采區(qū)間的平衡壓差上來看，二采區(qū)是最大阻力采區(qū)，但與一采區(qū)間平衡壓差不大，說明一、二采區(qū)間風壓分布相對均衡，從網絡結構上看，這與礦井西翼需風量大有直接關系。如果一采區(qū)需風量增加，那么東翼回風巷的阻力將明顯提升，采區(qū)的阻力分布也會發(fā)生轉移。必要時，建議增補回風巷，形成“2進2回”通風格局。