多風井耦合礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

張景鋼,謝 宏,康孟元，孫 鑫

(1.華北科技學院，北京 東燕郊 065201；2. 河北冀中能源東龐煤礦，邢臺 05400)

0 引言

隨著煤開采規(guī)模、開采深度的增加，遇到的地質(zhì)條件越來越復雜，不但給開采帶來難度，而且一些礦井面臨許多通風問題。隨著礦區(qū)面積的增加一些礦井的通風線路變長，礦井所需的通風阻力和風量明顯增大。這些條件的變化導致礦井通風系統(tǒng)的復雜性增加，導致原有的通風系統(tǒng)已不能滿足安全生產(chǎn)的需要，因此對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化升級顯得尤為重要。

礦井通風系統(tǒng)反映礦井設(shè)計質(zhì)量的好壞，關(guān)系著井建速度、基建投資和投產(chǎn)時間，對礦井投產(chǎn)后的經(jīng)濟效益有很大的影響[1]。礦井通風系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,它服務(wù)于生產(chǎn)系統(tǒng),同時又制約著生產(chǎn)系統(tǒng)。礦井通風系統(tǒng)的優(yōu)劣好壞,直接影響著礦井的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治和經(jīng)濟效益[2]。在實際生產(chǎn)中,往往由于礦井通風系統(tǒng)的不合理,影響了礦井的正常生產(chǎn)和礦井的抗災(zāi)能力,導致礦井經(jīng)濟效益的嚴重滑坡。為確保礦井安全生產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn),提高礦井的抗災(zāi)能力,最終提高礦井的經(jīng)濟效益,通風系統(tǒng)必須保持最佳運行狀態(tài)。因此,建立完善、合理的礦井通風系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)和提高效益的基本保證[3]。實行礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造正是為這一目的而進行的,它是通風管理工作和礦井設(shè)計過程中的一項主要任務(wù)和內(nèi)容。

1 礦井概況

東龐煤礦位于河北省內(nèi)丘縣西南，北距內(nèi)丘縣城10公里，南距邢臺市20公里。目前礦井主采2#號煤，該煤層厚度0～9.47 m，平均厚度4.18 m。截至2018年底，2#號煤剩余工業(yè)儲量9619.4萬噸，可采儲量6141.7萬噸，村莊壓煤量2231.5萬噸，大巷煤柱1452.8萬噸。東龐井開采2#號煤層，按規(guī)劃，可布置工作面的煤量為4606萬噸。

1.1 礦井通風現(xiàn)狀

東龐煤礦通風為混合、抽出式通風，進風井為主井、副井、二煤擴延區(qū)箕斗井、新風井，二煤擴延區(qū)箕斗井為輔助進風井，回風井為南風井、北風井和東風井。南風井服務(wù)9#采區(qū)、9北輔助采區(qū)等南翼地區(qū)和二煤擴延區(qū)，北風井服務(wù)6#采區(qū)、10#采區(qū)、-480二期區(qū)域等北翼地區(qū)，東風井服務(wù)11#采區(qū)、12#采區(qū)等三水平東翼區(qū)域風量[4]。其中：礦井總進風25799 m3/min，礦井總回風量27239 m3/min，主要通風機總排風量28300 m3/min，總進風量比礦井需風量大，目前基本滿足礦井生產(chǎn)的通風量的需求。

1.2 通風問題及需風量分析

根據(jù)礦井十年規(guī)劃，結(jié)合擬定的配風原則，計算出至2023年各風井計劃需風量達到最大。

-480水平深部的11#、12#采區(qū)風量緊張是急需解決的問題，尤其12#采區(qū)，關(guān)系到2020年及以后的采掘部署是否能夠落實。后續(xù)需風量至少 18000 m3/min，風量缺口約6000～8000 m3/min。

表1 2023年計劃用風表

目前，12#采區(qū)供風6500 m3/min，11#采區(qū)供風3700 m3/min，總計10200 m3/min；區(qū)域通風由東風井擔負、長期負重爬坡，目前已經(jīng)達到極限。但實際總需風量為18000 m3/min，其中：12#采區(qū)12000 m3/min(一個6.5 m高架回采工作面、一個5 m 備用工作面、一個撤架工作面、兩個底板巖巷、四個煤巷掘進、其他硐室)，11#采區(qū)6000 m3/min(一個5 m回采工作面、兩個煤巷掘進、其他硐室)。而目前風量缺口約7800 m3/min，其中12#采區(qū)5500 m3/min,11#采區(qū)2300 m3/min。

1.3 礦井通風阻力

根據(jù)2019年5月的《煤礦在用主通風機系統(tǒng)安全檢驗報告》、《礦井通風阻力測定報告》，結(jié)合礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀，礦井通風阻力為表2所示。

表2 主要路線通風阻力測算結(jié)果表

1.4 主要通風機參數(shù)

下面分別是北風井、東風井、南風井的主要通風機性能特性曲線圖。

圖1 北風井主要通風機性能特性曲線圖

圖2 東風井主要通風機性能特性曲線圖

圖3 南風井主要通風機性能特性曲線圖

2 通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 初選方案一

新風井工業(yè)廣場內(nèi)增設(shè)1個回風井，形成12#采區(qū)獨立回風。

(1) 方案描述

在12#采區(qū)邊界的新風井工業(yè)廣場內(nèi)新建風井(暫命名為“新回風井”)，以保證前后銜接、平穩(wěn)過渡。新井直徑7.2 m，井深720 m，面積40.7 m2。為保證巷道風速滿足要求，12#采區(qū)施工一條回風巷。永久隔離11#采區(qū)回風巷與12#采區(qū)回風巷，使兩個采區(qū)均形成獨立通風格局。新回風井安設(shè)豪頓華或GAF型主要通風機，投運后，調(diào)整新回風井和東風井主要通風機葉片角度，滿足11#、12#采區(qū)需風。[5]

12#采區(qū)邊界新風井區(qū)域增設(shè)1個回風井，負擔12#采區(qū)，形成12#采區(qū)獨立回風，現(xiàn)新風井擔負12#采區(qū)供風。11#采區(qū)最多時1個回采工作面、兩個煤巷掘進工作面，預計用風在5000 m3/min以上，11#采區(qū)供風由東風井負擔。北風井負擔2600輔助采區(qū)，南風井負擔2900采區(qū)及二煤擴延區(qū)，形成四進四回系統(tǒng)。

圖4 初選方案一通風系統(tǒng)簡圖

(2) 改造工程

① 12#采區(qū)邊界，新風井工業(yè)廣場內(nèi)，增加一條新回風井，井深720 m，直徑7.2 m，面積40.7 m2；選用東風井風機ANN-25001250B，角度66°或南風井風機GAF，-1°。

② 12#采區(qū)掘進一條回風巷與新回風井溝通，根據(jù)工程進度(采掘部署)選擇巷道長度，約1500 m，斷面積不小于20 m2；延長12#采區(qū)原回風巷與新回風井溝通。

③ 隔離11#采區(qū)與12#采區(qū)回風，兩個采區(qū)均形成獨立通風局面；在東翼總回風北巷與12#采區(qū)回風巷交叉點建造永久密閉予以隔離。

④ 系統(tǒng)改造后，東風井風機只擔負11#采區(qū)用風，需風量減小，所以需要將東風井風機調(diào)整角度，由66°調(diào)整到55°。

⑤ 系統(tǒng)改造后，12#采區(qū)由新風井進風、新回風井回風，12#采區(qū)可用風量顯著增加，預計供風量為11700 m3；11#采區(qū)由主副井進風、東風井回風，供風量為5400 m3。

新回風井投運后，整個-480水平深部的通風系統(tǒng)變得更加簡單，11#采區(qū)、12#采區(qū)均形成一個進風井、一個回風井的獨立通風系統(tǒng)，抗災(zāi)能力大大增強；較改造前通風系統(tǒng)有顯著提高，風量增長約6000 m3，能夠滿足未來采掘配風需求，并有提升空間，保障礦井全生命周期運轉(zhuǎn)。

(3) 風網(wǎng)解算

初選方案一的風網(wǎng)解算結(jié)果見表3。

表3 風機工況點

(4) 模擬結(jié)果分析

① 南風井風機、北風井風機主要通風機工況點都處在高效運轉(zhuǎn)區(qū)，能力滿足供風需要；

② 新建12#采區(qū)邊界回風井，東風井、新回風井主要通風機均在高效運轉(zhuǎn)區(qū)，能夠滿足后期用風需要；

③ 各用風點風量均能滿足要求。12#采區(qū)供風195 m3/s，11#采區(qū)供風90 m3/s；新井進風186.4 m3/s，滿足要求；

④ 礦井北翼淺部、深部分別由北風井、東風井、新回風井分區(qū)供風，分區(qū)通風合理；

⑤ 11#、12#采區(qū)分區(qū)供風，提高了用風保障可靠性程度；

⑥ 11#采區(qū)分區(qū)供風，12#采區(qū)通風路線縮短，提高了用風保障可靠性程度。

結(jié)論：增加12#采區(qū)邊界新回風井，可以解決礦井目前存在的通風問題，能夠保障礦井全生命周期運轉(zhuǎn)，該方案可以采用。

2.2 初選方案二

2600上山(地面矸石山廣場)新建進風井，新風井改為回風井

(1) 方案描述

該方案是在2600上山處地面矸石山廣場內(nèi)新建進風井，將12#采區(qū)邊界處的新風井改為回風井。在2600上山處地面矸石山廣場內(nèi)新建風井(暫命名為2600新進風井)，為保證前后銜接、平穩(wěn)過渡。新井直徑7.2 m，井深400 m，面積40.7 m2。調(diào)整2600采區(qū)通風系統(tǒng)，將2600軌道上山由回風巷改為進風巷，整修2600皮帶上山，降低-480水平深部進風側(cè)通風阻力[6-7]。在2600新進風井底施工石門與2600軌道上山、皮帶上山溝通。為保證巷道風速滿足要求，12#采區(qū)施工一條回風巷。永久隔離11#采區(qū)回風巷與12采區(qū)回風巷，使兩個采區(qū)均形成獨立通風格局。將12#采區(qū)邊界的新風井改造為回風井，安設(shè)豪頓華或GAF型主要通風機，投運后，調(diào)整新回風井和東風井主要通風機葉片角度，滿足11#、12#采區(qū)需風。[6]

改造完畢后，2900采區(qū)、二煤擴延區(qū)由主副井、二煤箕斗井進風，南風井回風；2600輔助采區(qū)由主副井、2600新進風井進風，北風井回風；11#采區(qū)由主副井、2600新進風井進風，東風井回風；12#采區(qū)由主副井、2600新進風井進風，新回風井回風。礦井形成四進四回通風系統(tǒng)。

圖5 初選方案二前期通風系統(tǒng)簡圖

(2)改造工程

① 為降低2600輔助采區(qū)、11#采區(qū)、12#采區(qū)進風阻力，首先擴巷整修2600回風上山保證通風斷面，長度約600 m；之后進行局部通風系統(tǒng)調(diào)整，將2600軌道上山、2600皮帶上山調(diào)整為主要進風巷，其中2600皮帶上山需處理冒頂約1000 m。

② 在2600上山，地面矸石山廣場內(nèi)增加一條新進風井，井深400 m，直徑7.2 m，面積40.7 m2。

③ 在新進風井底施工石門與2600軌道上山、皮帶上山溝通。

④ 將12#采區(qū)邊界新風井改造為回風井，選用東風井風機ANN-2500 1250B或南風井風機GAF，角度66°或-1°。

⑤ 12#采區(qū)掘進一條回風巷與新回風井溝通，根據(jù)工程進度(采掘部署)選擇巷道長度，約1500 m，斷面積不小于20 m2；延長12#采區(qū)原回風巷與新回風井溝通。

隔離11#采區(qū)與12#采區(qū)回風，兩個采區(qū)均形成獨立通風局面；在東翼總回風北巷與12#采區(qū)回風巷交叉點建造永久密閉予以隔離。

系統(tǒng)改造后，東風井風機只擔負11#采區(qū)用風，需風量減小，所以需要將東風井風機調(diào)整角度，由66°調(diào)整到55°。

⑥ 系統(tǒng)改造后，12#采區(qū)可用風量顯著增加，預計供風量為12060 m3/min；11#采區(qū)預計供風量為5430 m3/min。

2600新回風井投運及新風井改造后，降低了主要用風地點進風阻力，并通過一系列通風系統(tǒng)調(diào)整，使11#采區(qū)、12#采區(qū)均形成獨立通風系統(tǒng)，抗災(zāi)能力大大增強；較改造前通風系統(tǒng)有顯著提高，風量增長約6000 m3/min，能夠滿足未來采掘配風需求，并有提升空間，保障礦井全生命周期運轉(zhuǎn)。[7]

(3) 風網(wǎng)解算

初選方案二的風網(wǎng)解算結(jié)果見表4。

表4 風機工況點

(4) 模擬結(jié)果分析

① 南風井風機、北風井風機主要通風機工況點都處在高效運轉(zhuǎn)區(qū)，能力滿足供風需要；

② 各用風點風量均能滿足要求。12#采區(qū)供風202.39 m3/s，11#采區(qū)供風91.53 m3/s；新風井進風340.8 m3/s，滿足要求；

③ 礦井北翼淺部、深部分別由北風井、東風井、新風井分區(qū)供風，分區(qū)通風較為合理；

④ 11#、12#采區(qū)分區(qū)供風，提高了用風保障可靠性程度；

⑤ 2600進風巷道及-480水平深部進風巷道風量較高，存在風速超限問題。

結(jié)論：2600上山新建進風井，新風井改回風，能夠解決礦井目前存在的通風問題。

3 經(jīng)濟技術(shù)比較

3.1 方案概述

我們將初選方案一、初選方案二兩個個方案納入經(jīng)濟技術(shù)比較。以上兩個方案經(jīng)模擬解算驗證，從主要通風機工況的合理性、礦井總風量、十二采區(qū)供風量等重要指標來考察，都是可行的；對照《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦井工開采通風技術(shù)條件》(AQ1028-2006)等法規(guī)，也是合法的。[7]但在總的工程量、技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性方面存在差異。[8-9]

3.2 方案工程對比

工程對比見表5。

表5 方案工程對比

續(xù)表

從表7可知，盡管方案二優(yōu)化效果不錯，但是實際工程量相比方案一大許多。通過工程比較，建議選擇方案一，作為優(yōu)選方案。

3.3 技術(shù)可行性

技術(shù)方案比較見表6。

表6 技術(shù)方案比較

從對比表中可知，方案一、方案二風量、風壓均能達到要求，均達到預定的優(yōu)化目標。但是做系統(tǒng)改造期間，方案一明顯對生產(chǎn)影響較小，且東龐礦瓦斯問題比較突出，方案二在系統(tǒng)調(diào)整期間，瓦斯管理難度陡然增大，所以從安全可靠角度，方案一較為合理。

3.4 經(jīng)濟合理性

方案經(jīng)濟性比較見表7。

表7 方案經(jīng)濟性比較

從整體工程費用概算來看，方案一需要8960萬元，方案二需要11200萬元。從經(jīng)濟角度來說，方案一更好。

4 結(jié)論

(1) 本文首先對多風井耦合礦井——東龐煤礦的通風現(xiàn)狀進行研究，分析得出東龐煤礦在通風系統(tǒng)上存在的問題，從而提出兩個改造方案。對兩個方案進行總體描述，然后對兩個方案進行了工程對比，并對其進行了經(jīng)濟性、技術(shù)可行性、安全可靠性比較。方案一動用工程更少，技術(shù)可行性更強，經(jīng)濟上更為合理。此方案可以服務(wù)到礦井結(jié)束，期間不用做大的通風系統(tǒng)調(diào)整，具備保障東龐煤礦生產(chǎn)原煤390萬噸/年的通風能力，可以服務(wù)到礦井結(jié)束，都不需要再做大的調(diào)整。故建議采用方案一。

(2) 多風井耦合礦井通風問題是當下亟需面對的問題，隨著很多礦井進入深部以及衰老期，多風井耦合，相互影響，極大的影響對礦井通風安全穩(wěn)定性及抗災(zāi)能力。

(3) 多風井耦合礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化研究對該類礦山進行通風系統(tǒng)優(yōu)化改造具有一定的指導意義。實例中最優(yōu)方案優(yōu)化效果是通風網(wǎng)絡(luò)解算的結(jié)果，與工程實際狀態(tài)存在一定的誤差。由于通風系統(tǒng)優(yōu)化改造工程施工滯后，其優(yōu)化效果有待進一步探究。