煤礦通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效能的優(yōu)化探析

張 磊

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要在煤礦中用來調(diào)節(jié)井下環(huán)境，該系統(tǒng)主要是作用在煤礦的開采階段，其可稱為煤礦作業(yè)中最重要的輔助系統(tǒng)，包括通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)以及通風(fēng)巷道。在整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)機(jī)是運(yùn)行的動(dòng)力，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)量的分配方式起決定性的作用，通風(fēng)巷道則為空氣流動(dòng)提供了通道。上述三個(gè)部分均會影響到礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。由于通風(fēng)巷道會隨著時(shí)間而發(fā)生變形，故通風(fēng)系統(tǒng)在建設(shè)初期處在最佳狀態(tài)下。但伴隨著巷道使用時(shí)間的推移，巷道也會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使得通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相比初期會更加復(fù)雜些，同時(shí)也降低了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，這就會對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生不好的影響。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)礦井所消耗的電能中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)消耗電能占比一半還多。如果加上巷道變形使系統(tǒng)運(yùn)行工況變差的情況，將會白白耗費(fèi)更多電能。因此，為了提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)性能，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)合理的優(yōu)化是十分必要的[1]。

1 影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效能的因素

本文提出以下指標(biāo)來確保系統(tǒng)的優(yōu)化合理有效，主要包括有全局指標(biāo)和局部指標(biāo)兩類，全局指標(biāo)比如礦井的等積孔參數(shù)，局部指標(biāo)包括有巷道的摩擦力大小。為了詳細(xì)闡述，將分別對指標(biāo)進(jìn)行一一介紹，并探究其影響因素。

1.1 礦井等積孔

礦井等積孔作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，它是用來衡量礦井通風(fēng)的難易程度的，等積孔面積可以由礦井通風(fēng)量和通風(fēng)阻力的大小來表示，其表達(dá)式如（1）式所表示：

式中：A 為礦井等積孔面積，m2；Q 為礦井通風(fēng)量，m3/s；hRm為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，正比于礦機(jī)通風(fēng)阻力，Pa。

從式（1）可以清晰地看出，礦井等積孔面積大小A 與礦井通風(fēng)量Q 和通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓hRm這兩個(gè)因素相關(guān)。表1 是展示出了礦井系統(tǒng)的通風(fēng)阻力、通風(fēng)效果與等積孔面積的大致對應(yīng)關(guān)系。

表1 煤礦通風(fēng)情況難易程度標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)礦井通風(fēng)難易程度標(biāo)準(zhǔn)表可以看出，隨著礦井的等積孔面積的增大，礦井的風(fēng)阻會相應(yīng)減小，風(fēng)阻等級也產(chǎn)生了相應(yīng)變化，兩者是呈相反的增減趨勢。對應(yīng)地，礦井通風(fēng)的難易程度也可以通過等積孔的面積變化來進(jìn)行判定。當(dāng)然這只是判斷系統(tǒng)通風(fēng)阻力的其中一個(gè)指標(biāo)。為了準(zhǔn)確探究導(dǎo)致礦井通風(fēng)阻力增加的原因，還需要對巷道的通風(fēng)阻力進(jìn)行進(jìn)一步的分析[2]。

1.2 巷道通風(fēng)阻力

在地下的煤礦井中，通風(fēng)都是必須通過固定的巷道來實(shí)現(xiàn)。巷道作為空氣流動(dòng)的通道，風(fēng)在巷道中的阻力是衡量礦井通風(fēng)能力的重要部分。對于簡單單一的巷道，它通風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力可以由式（2）表示：

式中：hf為摩擦通風(fēng)阻力，Pa；α 為巷道阻力系數(shù)，kg/m3；L 為巷道長度，m；U 為巷道斷面周長，m；S 為巷道斷面面積，m2。

從式（2）中可以看出，巷道的通風(fēng)阻力hf與五個(gè)因素相關(guān)，巷道阻力系數(shù)α、巷道長度L、巷道斷面形狀（包括巷道斷面的周長U 和面積S），同時(shí)也與巷道風(fēng)速有一定的關(guān)系。由式中的指數(shù)關(guān)系可知，巷道斷面面積與巷道風(fēng)速這兩個(gè)因素對巷道的通風(fēng)阻力影響相比其他的較大些。由此不難看出，如果巷道中堆積過多的雜物，會使巷道斷面的面積降低，從而使巷道風(fēng)阻增大，影響通風(fēng)效果。另外，對風(fēng)速的分配也應(yīng)該合理科學(xué)，風(fēng)速大巷道阻力會減小，但考慮到經(jīng)濟(jì)安全等各方面因素，風(fēng)速不能過大。因此，應(yīng)當(dāng)將風(fēng)速保持在一定的范圍中。

上述只是對單一巷道的通風(fēng)阻力進(jìn)行了分析，而在實(shí)際的礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，是由一定復(fù)雜程度的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成的。而通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)則是由很多條巷道以串聯(lián)或者并聯(lián)的形式連接而成的。由于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各不相同，因此只有對已確定的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)才能計(jì)算復(fù)雜的巷道通風(fēng)阻力，進(jìn)而衡量礦井的通風(fēng)情況。

1.3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是由若干條的通風(fēng)巷道以一定方式連接而成。如圖1 所示，礦井通風(fēng)系統(tǒng)中常見的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)有三種類型，串聯(lián)型、并聯(lián)型和角聯(lián)型。串聯(lián)型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)阻力計(jì)算相對簡單，將各單一巷道的通風(fēng)阻力直接相加即可；對于后兩個(gè)并聯(lián)型和角聯(lián)型，通風(fēng)阻力的計(jì)算比較復(fù)雜，往往需要利用數(shù)學(xué)軟件來分析計(jì)算[3]。

圖1 常見的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

在礦井開采的初期，一般是使用串聯(lián)型或者并聯(lián)型礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。到了開采后期，于通風(fēng)巷道增多，常采用角聯(lián)型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。通風(fēng)阻力的調(diào)節(jié)會隨著通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜而變得更加困難，因此通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要盡可能避開復(fù)雜的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

1.4 主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

礦井的主通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力。通風(fēng)機(jī)需要在通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中滿足礦井作業(yè)生產(chǎn)所需要的風(fēng)量，同時(shí)還要保證一定的生產(chǎn)效率。如圖2 所示，不同的主通風(fēng)機(jī)工作的工況會影響通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。從圖2 可以看出，通風(fēng)阻力、通風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性和通風(fēng)量均會對主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全壓效率產(chǎn)生影響。主通風(fēng)機(jī)的全壓效率也會隨著運(yùn)行工況的變化而產(chǎn)生變化。因此，將風(fēng)量選擇在合適的范圍以及選擇合適的風(fēng)機(jī)，會使通風(fēng)機(jī)處在一個(gè)較佳的運(yùn)行狀態(tài)下。

圖2 主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)與運(yùn)行效率的關(guān)系

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化措施

通過對上述提出的幾個(gè)指標(biāo)可以分析得出，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化重點(diǎn)措施可以在巷道通風(fēng)阻力、礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)以及主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況這三個(gè)方面來進(jìn)行。特別說明的是，等積孔面積雖說是作為礦井通風(fēng)難易程度的一項(xiàng)指標(biāo)，但它是通風(fēng)阻力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的綜合指標(biāo)，不能對等積孔進(jìn)行直接優(yōu)化。

2.1 降低巷道通風(fēng)阻力

據(jù)式（2）的巷道通風(fēng)阻力的表達(dá)式可以看出，若風(fēng)量一定，巷道通風(fēng)阻力是與巷道斷面的周長、面積以及阻力系數(shù)相關(guān)。尤其是，式（2）中表明，巷道的通風(fēng)阻力和通風(fēng)巷道的斷面面積的三次方是成反比的，因此在其他條件不變的情況下，提高巷道斷面面積能在很大程度上降低系統(tǒng)的通風(fēng)阻力。所以，在通風(fēng)系統(tǒng)中，應(yīng)該盡可能增大通風(fēng)巷道斷面的面積。由數(shù)學(xué)關(guān)系可知，在同周長的情況下，圓形面積大于拱形面積大于矩形面積。對于新開掘巷道，盡可能采用圓形的巷道斷面，但與之會增加施工難度。對于已經(jīng)投入使用的巷道，不能堆積過多的雜物使通道被占用，要有效保證通風(fēng)巷道的斷面面積。另外要定期檢修清理，保證巷道通道的干燥整潔完整性。

2.2 優(yōu)化礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，改善主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在通風(fēng)系統(tǒng)中對通風(fēng)阻力起決定性作用，它不僅對通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，還會對主通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)產(chǎn)生一定的影響。礦井通風(fēng)系統(tǒng)在礦井的開采初期階段，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相對比較簡單，只服務(wù)一個(gè)回采工作面。而在開采礦井的中后階段，礦井的整體通風(fēng)面積會逐漸變大，通風(fēng)路線也會有所增加，礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也會隨之變得復(fù)雜很多，與之同時(shí)也會相應(yīng)增加漏風(fēng)量。在礦井開采中后期的通風(fēng)系統(tǒng)，可以通過改善通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。中后期的礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，風(fēng)量也會隨著通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的變化而變化，不能通過簡單改變而優(yōu)化，需要結(jié)合數(shù)值分析來對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，從而找到最佳優(yōu)化措施。

對于不同類型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化要區(qū)分開來分析。并聯(lián)型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相比串聯(lián)型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通風(fēng)阻力要小一些，故可以通過采用并聯(lián)型的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)用到部分通風(fēng)阻力較大的巷道中。一些礦井可以利用廢棄不用的巷道很容易就可以增加巷道的斷面面積，這樣一來降低了廢棄巷道中瓦斯的積聚，同時(shí)還可以增加巷道的利用率。

而由于礦井通風(fēng)阻力和風(fēng)量的大小還會影響主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。因此，對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)采取了一系列的優(yōu)化措施之后，還要考慮對工況點(diǎn)的影響，此時(shí)對礦井的通風(fēng)量進(jìn)行重新計(jì)算，從而控制調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，這也能增高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

3 結(jié)語

作為煤礦生產(chǎn)作業(yè)中重要的輔助系統(tǒng)，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性至關(guān)重要，他會直接影響著礦井生產(chǎn)的高產(chǎn)高效。從巷道使用初期到中后期，巷道會產(chǎn)生一定的變形，系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也不會像初期那樣簡單，同時(shí)也降低了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，從而影響了整個(gè)礦井的通風(fēng)狀況。本文分析了巷道的礦井通風(fēng)阻力變化的影響因素，進(jìn)而科學(xué)合理地提出要降低整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力的措施，包括減小巷道的通風(fēng)阻力、改善通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的形式、變化礦井通風(fēng)工況點(diǎn)等，這些均可達(dá)到優(yōu)化礦井的通風(fēng)系統(tǒng)的目的。