單家村煤礦通風系統(tǒng)優(yōu)化研究

彭玉鑫 顏亞民 魏軍軍

（山東裕隆礦業(yè)集團有限公司單家村煤礦，山東 曲阜 273100）

礦井通風系統(tǒng)由三部分組成，即通風動力、通風構(gòu)筑物和通風網(wǎng)絡(luò)。一套完善的通風系統(tǒng)是保證礦井安全生產(chǎn)的前提，而通風系統(tǒng)的合理與否受多方因素的制約，如整個礦井的安全性、穩(wěn)定性、抗自然災(zāi)害能力、經(jīng)濟效益等。因此，在對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化時，僅依靠人的主觀意識還遠遠不夠，必須借助于先進的計算機仿真技術(shù)，使通風系統(tǒng)的抗災(zāi)害能力得到加強，同時降低通風管理人員的工作難度。

1 工程概況

單家村煤礦位于山東省曲阜市時莊鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬山東裕隆礦業(yè)集團有限公司。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力45 萬t/a，1976 年10 月建井，1989 年9 月投產(chǎn)。2008 年核定生產(chǎn)能力81 萬t/a，2017 年核定生產(chǎn)能力60 萬t/a。礦井采用一對立井、多水平開拓方式。全井共有3、16上、17 三個可采煤層，可采煤層厚度9.33 m，礦井主采煤層3 煤，煤層厚度為7.67 m，地質(zhì)構(gòu)造復雜。井田范圍內(nèi)布置一個生產(chǎn)采區(qū)（八采區(qū)）。

單家村煤礦受開采強度、開采速度和開采規(guī)模的影響，煤礦巷道不斷延伸，通風距離以及礦井用風硐室巷道不斷增多，井下需風量逐年增加，使得礦井所面臨的風阻不斷增大，井巷通風阻力升高的問題愈發(fā)嚴重。隨之帶來的一些伴生問題也越來越明顯，如礦井風路受阻，部分巷道風速超標，通風線路過長，井巷通風壓力損失大，風量調(diào)控不易，礦井抗災(zāi)能力減弱等。且受其影響，礦井熱害、煤自燃、瓦斯等諸多安全問題應(yīng)運而生，礦井通風系統(tǒng)變得越來越復雜。為解決上述問題，保障安全生產(chǎn)，本文基于先進的通風仿真系統(tǒng)Ventsim，對礦井通風網(wǎng)絡(luò)進行解算，并提出合理的優(yōu)化改造方案。

2 礦井通風系統(tǒng)測定

通風系統(tǒng)測定工作主要分為兩個部分：礦井通風阻力測定和礦井主通風機性能測定。在測定過程中主要測量參數(shù)包括巷道及工作面標高、面積、形狀、支護方式和風速，主要通風機的風量、靜壓和運行效率，以及各個測點的空氣壓力、溫濕度等。前期通過對單家村井下通風系統(tǒng)的調(diào)查、相關(guān)文字資料和圖紙的收集工作，全方位了解了通風網(wǎng)路狀況、風機配置情況、通風構(gòu)筑物位置、采空區(qū)分布區(qū)域、主要漏風地點及作業(yè)點的分布情況，并在一個月內(nèi)完成了現(xiàn)場測定工作。

圖1 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化測點布置圖

阻力測定共布置103 個測點，分3 條測試線路，其中832 工作面為一條主測路線，北翼進風巷和六采區(qū)為兩條輔測路線（見圖1）。經(jīng)測定（見表1），礦井通風阻力為2 086.7 Pa，風量為58.9 m3/s，整個井下通風路線較長，且四采區(qū)皮帶下山風速較大，礦井通風阻力較大，需對礦井通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

3 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 Ventsim 建模

首先根據(jù)單家村煤礦采掘工程圖進行編輯。主要通過繪制中心線的方式，將礦井采掘工程圖導入Ventsim 三維仿真軟件中，在編輯框里選擇實體巷道，初步繪制礦井三維圖形，后經(jīng)手動調(diào)節(jié)，將礦采掘工程圖轉(zhuǎn)換成三維模型。三維通風系統(tǒng)模型如圖2 所示。

3.2 礦井需風量計算

在礦井正常生產(chǎn)條件下，需風點數(shù)量取決于井下需風點最多（即風量最大）的用風地點個數(shù)?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，全礦所需總風量為各個采掘工作面的需風量、獨立通風硐室的風量與其他用風地點的風量之和，并給予一定的備用系數(shù)。根據(jù)礦井目前的生產(chǎn)布置情況，計算出所需總風量為48.76 m3/s。礦井通風系統(tǒng)用風地點需風量如表2 所示。

圖2 三維通風系統(tǒng)模型

表1 主要巷道解算情況表

表2 礦井用風地點需風量

3.3 優(yōu)化方案擬定

針對單家村煤礦通風系統(tǒng)存在的問題，擬定了以下3 個優(yōu)化方案。

（1）方案一

根據(jù)礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，針對局部高阻段進行巷道擴修處理，刷大-450 皮帶大巷末段及-410 回風巷巷道斷面。巷道斷面均為半圓拱，凈斷面積均為10.5 m2，錨噴支護。其中-450 皮帶大巷擴修長度約為500 m， -410 回風巷擴修長度約為55 m。

（2）方案二

從-410 皮帶巷至-410 煤倉所在的拐角巷道處（水平標高-410 m 處），新打一條水平的回風巷道。巷道斷面為半圓拱，高3.5 m，寬3.2 m，凈斷面積為10.5 m2，錨噴支護，巷道長度約為28.9m，巷道末段直通四采區(qū)皮帶下山（-410 m 標高處）。新打巷道作為回風巷與-410 回風巷形成并聯(lián)回風巷。

（3）方案三

針對局部高阻段進行調(diào)整，拆除強力皮帶機頭的密閉，使一部分回風經(jīng)過-170 皮帶機頭與總回風巷形成并聯(lián)回風。

3.4 優(yōu)化模擬解算

將單家村煤礦通風系統(tǒng)優(yōu)化方案在Ventsim 三維仿真系統(tǒng)中模擬出來并通過網(wǎng)絡(luò)解算得出模擬優(yōu)化后的通風系統(tǒng)參數(shù)，具體如表3 所示。從模擬結(jié)果來看，通風效果得到了明顯的提高，說明優(yōu)化方案有效可行。

表3 各方案解算情況表

4 優(yōu)化方案的確定

（1）在現(xiàn)有通風系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，方案一對局部高阻力巷道進行了擴修處理，減少了由通風斷面過小帶來的通風阻力，使得礦井通風阻力由之前的2 086.7 Pa 降至1 848.1 Pa，起到了一定的降阻效果，且風量由原來的58.9 m3/s 提高到60.3 m3/s，提高了礦井的排風量，滿足了各個用風地點需風量要求。但提高風量的同時，風硐風速超過規(guī)定標準，建議同時對風硐進行擴斷面處理，以使風硐風速滿足規(guī)范要求。

（2）方案二在-450 水平新打一條回風巷至四采區(qū)皮帶下山形成并聯(lián)回風。通過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示，新建回風巷道之后，礦井主要回風經(jīng)過新建的回風巷道，減少了通風距離，使得礦井通風阻力降低了186.5 Pa，起到了一定的降阻效果，且風量由原來的58.9 m3/s 提高到60.6 m3/s，提高了礦井的排風量。

（3）方案三針對總回風巷阻力過大問題進行調(diào)整，拆除強力皮帶機頭巷道的密閉，使一部分回風經(jīng)過-170 皮帶機頭與總回風巷形成并聯(lián)回風，減少通風繞道帶來的通風阻力。通過解算結(jié)果可知，礦井總回風分為兩路，一路經(jīng)-170 皮帶機頭硐室回到主井底，另一路由原來的總回風巷回至主井底，達到了并聯(lián)回風的目的，礦井風量增大了1.0 m3/s，礦井阻力減少了96.8 Pa，起到了一定的降阻效果。

（4）從施工技術(shù)方面分析，方案三無需進行較大的施工量，僅啟封密閉即可，而方案一、方案二需要進行巷道的擴修或開拓，工程量相比之下較大；但從降阻效果方面考慮，方案三整體阻力僅減少96.8 Pa，效果與方案一、方案二有著較大差距；從施工費用考慮，方案一僅需對巷道高阻力段進行擴巷維修，整體施工費用比方案二的開拓新巷道較低，且礦井阻力降低了238.6 Pa，高于開拓新巷道的186.5 Pa。

綜上所述，根據(jù)礦井實際情況，最終選擇方案一和方案三同時施工作為最佳通風系統(tǒng)改造方案。經(jīng)過施工改造，完成-450 皮帶大巷末段及-410 回風巷的擴巷工作，同時拆除強力皮帶機頭巷道的密閉，形成并聯(lián)總回風風路，解決了局部阻力過高、礦井用風地點有效風量不足、風流分配不合理的問題，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

以往制定的通風方案無法從通風網(wǎng)絡(luò)的整體性上考慮問題，造成方案實施效果無法有效評估，造成通風成本上升，風網(wǎng)可靠性降低。通過Ventsim模擬軟件，對單家村煤礦通風優(yōu)化方案進行模擬，以模擬結(jié)果來科學評估方案實施效果，并輔助技術(shù)人員完善方案，確保方案的實施效果滿足設(shè)計目標，同時結(jié)合施工技術(shù)、經(jīng)濟成本兩方面考慮，確定最終優(yōu)化方案，科學合理地解決了礦井阻力過大、局部風阻升高問題。