李雅莊煤礦主要通風(fēng)機(jī)預(yù)選參數(shù)預(yù)測分析

徐文俊

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 李雅莊煤礦, 山西 霍州 031400)

在煤礦生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)的推移、新采區(qū)的延伸與開拓等，礦井通風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)行相應(yīng)的改變和系統(tǒng)優(yōu)化[1-3]. 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的主要思路：一是當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化調(diào)節(jié)，其目的是對原有礦井通風(fēng)系統(tǒng)，在合理的風(fēng)量分配情況下，通過聯(lián)絡(luò)巷、通風(fēng)構(gòu)筑物等進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)節(jié)，確定一個(gè)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部調(diào)節(jié)方案。該方法主要用于日常的通風(fēng)管理[4-5]. 二是對未來將擴(kuò)建的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，即在多種可行的改造方案中，包括通風(fēng)動力分析，通過方案比較，篩選出最優(yōu)的通風(fēng)系統(tǒng)改造方案[6].

1 通風(fēng)系統(tǒng)改造方案確定

目前李雅莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的主要問題是需要增加礦井總需風(fēng)量至18 100～21 300 m3/min.按目前運(yùn)行的主要通風(fēng)機(jī)FBCDZ-10-No.34的能力，其回風(fēng)量只有12 000 m3/min，運(yùn)行負(fù)壓2 200 Pa，風(fēng)機(jī)能力基本達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不能滿足下一步開拓和回采的銜接需要。僅對該礦目前的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，不能滿足以上生產(chǎn)要求，因此，提出以下兩種主要方案：

1) 方案一：更換風(fēng)機(jī)。該方案優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)周期短，對礦井生產(chǎn)影響小，費(fèi)用相對低。

2) 方案二：新建回風(fēng)井，實(shí)現(xiàn)分區(qū)通風(fēng)。需要在八采區(qū)新建1個(gè)回風(fēng)井，安設(shè)1套主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，保留目前2#主要通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。該方案主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了分區(qū)通風(fēng)，是未來礦山安全生產(chǎn)的發(fā)展趨勢,但建設(shè)周期長，費(fèi)用大。

綜合李雅莊煤礦實(shí)際生產(chǎn)，選擇方案一，即更換主通風(fēng)機(jī)。按后期十年規(guī)劃，當(dāng)前通風(fēng)狀況為通風(fēng)容易時(shí)期，下面對通風(fēng)困難時(shí)期進(jìn)行分析。

2 后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃通風(fēng)系統(tǒng)分析

根據(jù)李雅莊煤礦后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃，面臨五、六、八采區(qū)回采、開拓，期間主要分為3個(gè)階段：

第1階段：六采區(qū)回采期間，五采區(qū)、八采區(qū)進(jìn)行開拓，此時(shí)六采區(qū)布置1個(gè)回采工作面、1個(gè)備用工作面以及2個(gè)掘進(jìn)工作面，五采區(qū)布置4個(gè)掘進(jìn)工作面，八采區(qū)布置4個(gè)掘進(jìn)工作面。六采區(qū)服務(wù)年限約剩余4年，五、八采區(qū)開拓時(shí)間約為4年，4年后轉(zhuǎn)入第2階段。

第2階段：六采區(qū)回采完畢，五、八采區(qū)開拓完成，屆時(shí)分別在五、八采區(qū)各布置1個(gè)回采工作面、1個(gè)備用面，八采區(qū)布置2個(gè)掘進(jìn)工作面，五采區(qū)布置4個(gè)掘進(jìn)工作面。八采區(qū)服務(wù)年限約為5年，五采區(qū)服務(wù)年限約為10年，5年后轉(zhuǎn)入第3階段。

第3階段：八采區(qū)開采完后期，按1個(gè)工作面需風(fēng)量進(jìn)行配風(fēng)，屆時(shí)五采區(qū)布置1個(gè)回采工作面，1個(gè)備用面，4個(gè)掘進(jìn)工作面，至全井田上組煤開采完畢。

3 與生產(chǎn)規(guī)劃相對應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)分析

利用礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)MVIS，對李雅莊煤礦相關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)改造方案進(jìn)行模擬分析。該軟件系統(tǒng)主要特點(diǎn)：可任意改變通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、密閉巷道、新掘巷道、通風(fēng)動力(葉片角度調(diào)整、頻率改變、開停操作)、通風(fēng)構(gòu)筑物狀態(tài)(拆除、增加和開啟)等，通過仿真運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)變化后的通風(fēng)系統(tǒng)問題再現(xiàn)。

進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案預(yù)測與分析，礦井井巷通風(fēng)基礎(chǔ)參數(shù)精確度直接關(guān)系到預(yù)測的精度[7-9]. 結(jié)合李雅莊煤礦通風(fēng)阻力測定結(jié)果，確定了該礦通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)。各階段模擬分析如下：

1) 第1階段生產(chǎn)布置。

依據(jù)礦井實(shí)際開采與瓦斯涌出量進(jìn)行配風(fēng)，采煤工作面為1 600 m3/min，備用工作面為800 m3/min，掘進(jìn)工作面為700 m3/min.

第1階段需要拆除南總回風(fēng)巷道調(diào)節(jié)設(shè)施，維護(hù)南總回風(fēng)巷道使回風(fēng)順暢。

2) 第1階段仿真結(jié)果分析。

通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后仿真系統(tǒng)圖見圖1. 由圖1可知，最大阻力路線在六采區(qū)。進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井風(fēng)量、風(fēng)井阻力、主要巷道風(fēng)量變化見表1.

圖1 第一階段方案實(shí)施后通風(fēng)系統(tǒng)仿真圖

表1 八采區(qū)、六采區(qū)和五采區(qū)各主要井巷風(fēng)量、阻力對照表

由表1可知，第1階段礦井總回風(fēng)量為18 000 m3/min時(shí)，通風(fēng)總阻力為2 694 Pa，相對于目前六采區(qū)生產(chǎn)情況，方案掘進(jìn)面減少2個(gè)，六采區(qū)總用風(fēng)量減少1 650 m3/min. 雖然礦井總回風(fēng)量增加，但是3個(gè)采區(qū)均衡用風(fēng)，所以礦井通風(fēng)總阻力只增加了494 Pa.

3) 第2階段和第3階段。

礦井轉(zhuǎn)入第2階段和第3階段后，預(yù)測分析得到礦井總回風(fēng)量分別為17 220 m3/min 和16 080 m3/min，礦井通風(fēng)總阻力分別為2 794 Pa、2 691 Pa.

4 礦井主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)確定

1) 主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

因有外部漏風(fēng)，通過主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qf大于礦井總風(fēng)量Q.

Qf1=1.05Q1=18 900 (m3/min)

(1)

式中：

Qf1—第一階段主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/min；

1.05—抽出式通風(fēng)礦井的外部漏風(fēng)系數(shù)；

Q1—第一階段礦井需風(fēng)量，m3/min.

2) 主要通風(fēng)機(jī)裝置靜壓。

考慮礦井自然風(fēng)壓的作用，以及通風(fēng)機(jī)局部阻力損失100 Pa，則第一階段方案困難時(shí)期主要通風(fēng)機(jī)裝置靜壓見式(2)：

h1=hr-hn+Δh=2 849(Pa)

(2)

式中：

h1—第一階段主通風(fēng)機(jī)裝置靜壓，Pa；

hr—礦井通風(fēng)總阻力,Pa,取2 694；

hn—礦井自然風(fēng)壓，Pa，經(jīng)測算礦井冬季和夏季自然風(fēng)壓分別為85、-55，此處取-55；

Δh—礦井局部阻力損失，Pa,取100.

3) 確定主要通風(fēng)機(jī)的參數(shù)。

通風(fēng)機(jī)電機(jī)功率輸入功率計(jì)算見式(3)：

(3)

式中：

Nei—電動機(jī)輸入功率，kW；

Neo—電動機(jī)輸出功率，kW；

Nfi—風(fēng)機(jī)輸入功率，kW；

Nfo—風(fēng)機(jī)輸出功率，kW；

Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；

H—風(fēng)機(jī)裝置靜壓，Pa；

ηe—傳動效率，取1.0；

ηf—風(fēng)機(jī)效率，%，取70.

根據(jù)以上計(jì)算，可以得出第1階段主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)，同理可得出第2階段、第3階段主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)，見表2.

表2 預(yù)選主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)表

礦井通風(fēng)容易時(shí)期是指礦井通風(fēng)系統(tǒng)總阻力最小的時(shí)刻。反之，通風(fēng)系統(tǒng)阻力最大時(shí)刻為通風(fēng)困難時(shí)期。根據(jù)表2得出，通風(fēng)容易時(shí)期為第1階段，通風(fēng)困難時(shí)期為第2階段，所以所選風(fēng)機(jī)參數(shù)需滿足以上兩個(gè)時(shí)期通風(fēng)要求。通風(fēng)主要參數(shù)是指風(fēng)量、裝置靜壓，相應(yīng)的電機(jī)功率能滿足風(fēng)機(jī)需要即可，電機(jī)功率按照正常使用進(jìn)行計(jì)算得出。

風(fēng)機(jī)裝置靜壓計(jì)算見式(4)：

ht=|hs-hv|=Hfs

(4)

式中：

ht—風(fēng)硐(風(fēng)機(jī)入風(fēng)側(cè))的相對全壓，Pa；

hs—風(fēng)硐(風(fēng)機(jī)入風(fēng)側(cè))的相對靜壓，Pa；

hv—風(fēng)硐(風(fēng)機(jī)入風(fēng)側(cè))的速壓；

Hfs—風(fēng)機(jī)裝置靜壓，Pa.

根據(jù)以上仿真計(jì)算分析，對滿足以上生產(chǎn)時(shí)期的通風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行預(yù)測，容易時(shí)期和困難時(shí)期通風(fēng)機(jī)性能特性曲線分別見圖2，3.

圖2 通風(fēng)容易時(shí)期風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

由圖2和圖3可知，通風(fēng)容易時(shí)期風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)裝置靜壓為2 849 Pa，風(fēng)量為315 m3/s；通風(fēng)困難時(shí)期風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)風(fēng)機(jī)裝置靜壓為2 949 Pa，風(fēng)量為301.35 m3/s. 通風(fēng)容易與困難時(shí)期的風(fēng)機(jī)裝置靜壓曲線與風(fēng)機(jī)靜壓曲線趨勢一致。

圖3 通風(fēng)困難時(shí)期風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

5 結(jié) 論

1) 目前，李雅莊煤礦通風(fēng)系統(tǒng)需要增加總需風(fēng)量,結(jié)合該礦現(xiàn)行生產(chǎn)規(guī)劃，通風(fēng)系統(tǒng)的改造方案為更換主要通風(fēng)機(jī)。

2) 利用MVIS通風(fēng)仿真軟件構(gòu)建李雅莊煤礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，模擬預(yù)測該礦通風(fēng)容易與通風(fēng)困難時(shí)期的通風(fēng)狀況，得到通風(fēng)容易時(shí)期工況點(diǎn)為裝置靜壓2 849 Pa，風(fēng)量315 m3/s；困難時(shí)期工況點(diǎn)為裝置靜壓2 949 Pa，風(fēng)量301.35 m3/s. 根據(jù)仿真結(jié)果給出該礦預(yù)選的主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)以及預(yù)選主要通風(fēng)機(jī)性能特性曲線。