煤礦通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)量?jī)?yōu)化研究

張海軍

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

1 概述

通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦井下安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是井下一切生產(chǎn)作業(yè)的前提。隨著我國(guó)煤礦井下開采深度的不斷增加和開采水平的延伸，礦井通風(fēng)線路也隨之不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致井下通風(fēng)阻力增大、通風(fēng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，進(jìn)而造成原有的通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)施不能滿足礦井采掘工作面作業(yè)需求[1-4]。因此，礦井必須對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)施定期進(jìn)行檢查測(cè)定，針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題及時(shí)制定合理的措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，減小通風(fēng)阻力，保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，保障礦井通風(fēng)能力滿足采掘工作面安全生產(chǎn)需求，是井下通風(fēng)工作的重要環(huán)節(jié)。

2 煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)

井下通風(fēng)系統(tǒng)是由礦井進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井布置方式，即通風(fēng)方式，礦井主風(fēng)機(jī)的工作方法，即通風(fēng)方法，完成通風(fēng)工作的各項(xiàng)設(shè)施，即通風(fēng)設(shè)備,風(fēng)流流動(dòng)形成的線路結(jié)構(gòu)形式，即通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等四個(gè)方面組合起來的總稱。它的主要任務(wù)是為井下采掘工作面、巷道硐室等用風(fēng)地點(diǎn)提供新鮮空氣，保證井下作業(yè)人員正常呼吸所需氧氣；沖走稀釋井下瓦斯、CO 等有毒有害氣體及煤巖塵，防止積聚造成災(zāi)害事故，保證井下安全生產(chǎn)；降低井下溫度，為井下人員創(chuàng)造良好的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。下面將從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)設(shè)施兩個(gè)主要方面進(jìn)行分析研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方法。

2.1 煤礦井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究過程中，為便于研究分析，經(jīng)常采用平面布置圖的方法，把通風(fēng)系統(tǒng)抽象成點(diǎn)為一個(gè)由點(diǎn)與線組合而成的網(wǎng)狀線路系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)通常稱為煤礦井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[1]。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)一般不考慮巷道的實(shí)際幾何要素（巷道的位置、長(zhǎng)度、寬度、高度等），它是利用比較簡(jiǎn)單的圖形來進(jìn)行描述。在繪制的幾何圖形中，各個(gè)線段表示實(shí)際井下用于通風(fēng)的巷道，線段上的箭頭指向表示巷道中風(fēng)流流動(dòng)的方向。見圖1，該幾何圖形代表的是一個(gè)礦井簡(jiǎn)單的并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。圖中所畫的實(shí)線段是通風(fēng)巷道風(fēng)流路線的分支，即實(shí)際通風(fēng)巷道，虛線代表的是風(fēng)流路線偽分支，即表示是虛擬的通風(fēng)巷道。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，分支與分支相交形成的交叉點(diǎn)，通常被稱為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各分支沿同一方向首尾相接組成的線路，將其稱為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通路。

圖1 礦井通風(fēng)網(wǎng)路線路圖

2.2 煤礦井下通風(fēng)設(shè)施

在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)過程中，為保證作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)量滿足生產(chǎn)作業(yè)需求，通常會(huì)在井下選定某個(gè)合適的位置構(gòu)筑一些通風(fēng)設(shè)施或安裝通風(fēng)設(shè)備用來引導(dǎo)風(fēng)流流向和調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。通常將這些用于引導(dǎo)、遮擋風(fēng)流方向和調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的通風(fēng)設(shè)施設(shè)備統(tǒng)稱為通風(fēng)構(gòu)筑物[3]。按照構(gòu)筑物能否允許井下風(fēng)流通過情況，可以將其分為允許風(fēng)流通過和隔斷風(fēng)流通過共兩種類型的通風(fēng)構(gòu)筑物。允許風(fēng)流通過的構(gòu)筑物主要有風(fēng)硐、風(fēng)橋、導(dǎo)風(fēng)板、調(diào)節(jié)風(fēng)窗、反風(fēng)裝置等；隔斷風(fēng)流通過的構(gòu)筑物主要有風(fēng)門、密閉、擋風(fēng)墻等[1]。

在井下開采過程中，由于通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)需要，在部分巷道某些位置需要構(gòu)筑阻斷或調(diào)節(jié)風(fēng)流的通風(fēng)設(shè)施，但井下人員或車輛還需從此處位置通過，這時(shí)就需要在此處構(gòu)建風(fēng)門。井下永久性風(fēng)門系統(tǒng)主要由鋼質(zhì)材料加工的風(fēng)門、用磚石砌筑而成的風(fēng)墻和用于調(diào)節(jié)巷道內(nèi)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)風(fēng)窗等部分組成（如圖2 所示）。在煤礦井下巷道內(nèi)構(gòu)筑永久性風(fēng)門時(shí)，要求一組風(fēng)門不能少于2道，主要用于運(yùn)輸車輛通過的風(fēng)門其2道風(fēng)門之間的間距要求不低于12m，主要用于井下人員通過的風(fēng)門其2 道風(fēng)門之間的間距一般要求不低于5m。有煤與瓦斯突出傾向的礦井，要求在建立風(fēng)門時(shí)必須建立反向風(fēng)門。

圖2 礦井井下永久性風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖

3 礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)

煤礦井下巷道在掘進(jìn)過程中，因巷道未貫通前其為獨(dú)頭巷道，因此不能形成獨(dú)立的全負(fù)壓通風(fēng)。為保證掘進(jìn)工作面的正常掘進(jìn)，需采用局部通風(fēng)機(jī)配合導(dǎo)向風(fēng)筒等通風(fēng)設(shè)備設(shè)施對(duì)掘進(jìn)工作面迎頭進(jìn)行供風(fēng)。根據(jù)井下局部通風(fēng)機(jī)工作方式的不同，局部通風(fēng)一般可分為壓入式（也叫正壓式）和抽出式兩種通風(fēng)方式。壓入式通風(fēng)有效射程遠(yuǎn)，對(duì)有毒有害的氣體及煤（巖）塵沖淡、稀釋作用較強(qiáng)，是目前我國(guó)煤礦井下選取的主要通風(fēng)方式[4]。

煤礦井下掘進(jìn)工作面通風(fēng)采用壓入式時(shí)，其所需要的風(fēng)量采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qkp——掘進(jìn)工作面采用壓入式通風(fēng)掘進(jìn)時(shí)所需風(fēng)量，m3/s；

A——掘進(jìn)工作面爆破時(shí)所需炸藥重量，kg；

b——掘進(jìn)迎頭爆破時(shí)產(chǎn)生CO的量，L/kg；

S——掘進(jìn)工作面巷道斷面面積，m2；

L——掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度，m；

Cp——巷道中允許CO濃度的最大值，取0.02%；

Pq——巷道漏風(fēng)系數(shù)；

t——巷道供風(fēng)時(shí)間，min。

煤礦井下掘進(jìn)工作面采用抽出式通風(fēng)時(shí)，所需風(fēng)量采用計(jì)算公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Qhe——掘進(jìn)工作面采用抽出式通風(fēng)掘進(jìn)時(shí)所需風(fēng)量，m3/s；

L1——掘進(jìn)工作面爆破時(shí)所布置的炮眼深度，m。

4 井下通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

礦井井下通過不斷對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，可以保證井下各個(gè)用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量需求，保證生產(chǎn)作業(yè)安全，同時(shí)可以節(jié)省通風(fēng)設(shè)施的耗能。優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：一是對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，減小井下通風(fēng)復(fù)雜程度，增大巷道的有效風(fēng)量；二是降低礦井井下通風(fēng)系統(tǒng)在允許過程中所受到的各種阻力，降低通風(fēng)能耗，延長(zhǎng)通風(fēng)設(shè)備使用壽命，減少礦井成本投入。下面主要從優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和減小礦井通風(fēng)阻力等方面來探討分析。

4.1 井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

當(dāng)巷道掘進(jìn)施工距離較長(zhǎng)時(shí)，原構(gòu)建的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已無法滿足掘進(jìn)工作面迎頭所需風(fēng)量，為了保障掘進(jìn)作業(yè)安全，需要對(duì)原有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理優(yōu)化。本文采用在掘進(jìn)巷道與回風(fēng)巷道之間施工巷道穿透鉆孔的方式，將掘進(jìn)巷道內(nèi)的回風(fēng)通過鉆孔流入到回風(fēng)巷道（原理結(jié)構(gòu)圖見圖3），從而有效降低通風(fēng)阻力，對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯和粉塵治理起到較好作用。

圖3 利用鉆孔優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

4.2 減小井下通風(fēng)阻力

減小通風(fēng)阻力，是提高礦井通風(fēng)效率，滿足井下通風(fēng)安全需求的有效方法。從采取減小巷道通風(fēng)摩擦阻力系數(shù)的方法來降低礦井通風(fēng)阻力進(jìn)行分析研究。減小巷道通風(fēng)阻力摩擦系數(shù)主要措施有縮短巷道距離、加大巷道通風(fēng)斷面等。煤礦井下在進(jìn)行巷道斷面及支護(hù)方式設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮巷道摩擦阻力對(duì)巷道通風(fēng)的影響，巷道施工時(shí)，要最大可能地保證巷道表面平滑，從而減少巷道通風(fēng)阻力摩擦系數(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)巷道時(shí)，合理增加巷道寬度和高度，增大巷道斷面，能有效提高礦井通風(fēng)效率。有研究表明，在巷道其他支護(hù)參數(shù)不變的情況下，巷道斷面加大33%，巷道通風(fēng)阻力將減小一半，通風(fēng)能耗降低50%。雖然加大巷道斷面會(huì)增大初期建設(shè)投資，但從礦井長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，增大巷道斷面，既能降低礦井通風(fēng)阻力，提高礦井通風(fēng)效能，保證礦井安全高效生產(chǎn)，同時(shí)也能減少礦井后期對(duì)巷道二次擴(kuò)修維護(hù)成本，減少了礦井后期的成本投入。