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。
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。
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。
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。
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
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。
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
(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)。
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。