馬脊梁煤礦通風(fēng)壓能調(diào)控治理角聯(lián)技術(shù)應(yīng)用

張有權(quán)

(大同煤礦集團(tuán)同煤安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)井的主通風(fēng)機(jī)帶動礦井中空氣流動，為井下各工作地點(diǎn)輸送新鮮空氣，并消除和稀釋井下作業(yè)空間內(nèi)煤塵與瓦斯、一氧化碳等有害氣體，以及改善濕熱環(huán)境[1-3]。同時(shí)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通過合理設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)構(gòu)筑物等手段調(diào)節(jié)局部井巷內(nèi)風(fēng)流狀態(tài)，使井巷內(nèi)部風(fēng)流狀態(tài)、風(fēng)速等能夠滿足《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)安全、衛(wèi)生條件，確保通風(fēng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，通風(fēng)調(diào)節(jié)位置與調(diào)節(jié)量對整個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)狀況有著較為明顯的影響[4-6]。為此，需要研究角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)流特性，在此基礎(chǔ)上通過不同的調(diào)節(jié)手段有效改善角聯(lián)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)流穩(wěn)定性。

1 角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流特性

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中各類巷道的相互貫通與連接構(gòu)成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各支路間拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)關(guān)系分為串聯(lián)、并聯(lián)和角聯(lián)3類結(jié)構(gòu)形式[7-8]。串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)較為簡單，并呈現(xiàn)出等效對稱性，且符合風(fēng)量平衡定律和風(fēng)壓平衡定律；串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中改變?nèi)我庵穬?nèi)風(fēng)阻后，該風(fēng)阻會等效影響整個(gè)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)置無特定位置要求。并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中調(diào)節(jié)小風(fēng)阻支路相對其他支路對整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等效風(fēng)阻影響較大，效果也更為明顯；并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中存在某風(fēng)路與兩并聯(lián)支路相關(guān)貫通，并且該風(fēng)路的端點(diǎn)分別位于其他風(fēng)路的區(qū)間，不與并聯(lián)風(fēng)路的任意公共端點(diǎn)連接，該網(wǎng)絡(luò)形式被稱為角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多出現(xiàn)在同煤層開采、厚煤層分層開采、鄰近煤層開采的相鄰工作面各輔助巷道所形成的局部通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。角聯(lián)支路中風(fēng)流流動狀態(tài)與漏風(fēng)形式較為復(fù)雜，如圖1所示，a1、a2、b1、b2在角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中被稱為主導(dǎo)線，能夠影響角聯(lián)分支c1的風(fēng)流方向的支路被定義為正導(dǎo)線，相反則為負(fù)導(dǎo)線，即a1、a2所在支路為正導(dǎo)線，而b1、b2所在支路為負(fù)導(dǎo)線。角聯(lián)分支c1的風(fēng)流狀態(tài)由兩主導(dǎo)線間壓差決定，為增加角聯(lián)分支c1的風(fēng)量可以對a1、a2支路進(jìn)行降阻或?qū)1、b2支路增阻，相反的操作會降低角聯(lián)分支c1的風(fēng)量。

圖1 角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意Fig.1 Schematic diagram of diagonal ventilation network

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)措施

2.1 不同風(fēng)流調(diào)節(jié)方式

礦井通風(fēng)系統(tǒng)改變主風(fēng)機(jī)工況、增加局部風(fēng)機(jī)以及增加各類通風(fēng)構(gòu)筑物等手段，從而達(dá)到增壓、增阻、降阻等通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流狀態(tài)的不同調(diào)節(jié)效果[9-10]，不同風(fēng)流調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)點(diǎn)位置以及特點(diǎn)對比見表1。通常礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要進(jìn)行局部通風(fēng)系統(tǒng)的增壓調(diào)節(jié)，該方式一般多針對巷道掘進(jìn)時(shí)的供風(fēng)不足。巷道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物或減小巷道截面從而增加通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)阻，迫使主風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)出現(xiàn)向上偏移，以增加風(fēng)流能耗來提高風(fēng)壓的方式被稱為增阻調(diào)節(jié)。降阻調(diào)節(jié)與增阻調(diào)節(jié)相反，需要增加并聯(lián)巷道或擴(kuò)大巷道斷面尺寸從而為降低風(fēng)流流動阻力起到調(diào)節(jié)作用，局部通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)中該方式相對工程量與成本投入較高。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)過程一方面需要注意調(diào)節(jié)方式的選擇，另一方面需要考慮調(diào)節(jié)量與調(diào)節(jié)措施施工位置，這些都會影響系統(tǒng)優(yōu)化后的效果與穩(wěn)定性。

表1 不同風(fēng)流調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)點(diǎn)位置以及特點(diǎn)對比Table 1 The position and characteristics of different air flow regulation modes

2.2 角聯(lián)結(jié)構(gòu)風(fēng)壓調(diào)節(jié)

角聯(lián)結(jié)構(gòu)中由于正導(dǎo)線與負(fù)導(dǎo)線支路間存在風(fēng)壓差，正導(dǎo)線支路風(fēng)流會經(jīng)由角聯(lián)支路泄露至負(fù)導(dǎo)線支路，角聯(lián)支路構(gòu)成漏風(fēng)帶，而如果負(fù)導(dǎo)線支路為鄰近工作面采空區(qū)時(shí)，會增加該采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。通過在角聯(lián)結(jié)構(gòu)中設(shè)置通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施和局部通風(fēng)機(jī)調(diào)整角聯(lián)結(jié)構(gòu)中正、負(fù)導(dǎo)線支路間的風(fēng)壓壓差，改變角聯(lián)支路風(fēng)流流動狀態(tài)，該方式被稱為均壓調(diào)節(jié)，該方式能夠有效地抑制鄰近工作面漏風(fēng)、環(huán)境中粉塵以及有害氣體超限。均壓調(diào)節(jié)針對被調(diào)節(jié)區(qū)域狀態(tài)被分為開區(qū)均壓與閉區(qū)均壓，通常閉區(qū)均壓調(diào)節(jié)主要針對封閉采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃的防滅火措施，而開區(qū)均壓設(shè)置在正常回采的工作面區(qū)域，根據(jù)調(diào)節(jié)措施不同，又分為風(fēng)窗均壓調(diào)節(jié)、局部通風(fēng)機(jī)均壓調(diào)節(jié)和聯(lián)合調(diào)節(jié)。均壓調(diào)節(jié)抑制漏風(fēng)狀況的原理在于調(diào)節(jié)正、負(fù)導(dǎo)線支路的風(fēng)阻，使角聯(lián)結(jié)構(gòu)中的各支路風(fēng)壓和風(fēng)阻達(dá)到一定平衡狀態(tài)，能夠有效抑制角聯(lián)支路所形成的漏風(fēng)帶風(fēng)流泄露現(xiàn)象。角聯(lián)結(jié)構(gòu)均壓調(diào)節(jié)中增加正導(dǎo)線支路風(fēng)阻會減少通過角聯(lián)支路流向負(fù)導(dǎo)線支路的風(fēng)量，相反在負(fù)導(dǎo)線支路設(shè)置增阻措施會使流入負(fù)導(dǎo)線的風(fēng)量分支，為抑制角聯(lián)分支漏風(fēng)，應(yīng)優(yōu)先考慮對風(fēng)流風(fēng)量較大的分支設(shè)置增阻調(diào)節(jié)，即優(yōu)先利用正導(dǎo)線分支上已有通風(fēng)調(diào)節(jié)設(shè)施進(jìn)行降阻調(diào)節(jié)，當(dāng)不適于在正導(dǎo)線支路設(shè)置通風(fēng)構(gòu)筑物時(shí)，則在負(fù)導(dǎo)線方向設(shè)置必要增阻措施用來保證角聯(lián)結(jié)構(gòu)中的風(fēng)流狀態(tài)穩(wěn)定性。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

同煤集團(tuán)馬脊梁煤礦由西一回風(fēng)斜井、西三回風(fēng)立井帶動礦井正常井下通風(fēng)，其中3號煤層集中軌道巷、3號煤層皮帶巷通過8號煤層膠帶斜井與8號煤層材料斜井、1136大巷構(gòu)成角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。8號煤層材料斜井與1136大巷巷道斷面大、距離短、風(fēng)阻小、進(jìn)風(fēng)量大、壓能較大，而與進(jìn)風(fēng)斜井連接的膠帶斜井?dāng)嗝嫘　⒕嚯x長、風(fēng)阻大、進(jìn)風(fēng)量小、壓能小，導(dǎo)致有大量風(fēng)流由8號煤層材料斜井流向膠帶斜井，而集中軌道巷的風(fēng)流經(jīng)過3號煤層調(diào)車硐室，由于硐室及軌道巷內(nèi)車輛與設(shè)備原因風(fēng)阻較大，并釋放大量熱量導(dǎo)致流經(jīng)該風(fēng)路的風(fēng)流呈現(xiàn)濕熱狀態(tài)，并伴隨大量霧氣，該角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)整體呈現(xiàn)風(fēng)流不穩(wěn)定狀態(tài)需要進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)。

3.2 風(fēng)流調(diào)節(jié)方案及效果

3.2.1 方案一

由于西三回風(fēng)立井帶動石炭系一盤區(qū)用風(fēng)量的用風(fēng)，而西一回風(fēng)斜井主要通風(fēng)機(jī)供風(fēng)相對盈余，初期通過提高流經(jīng)8號煤層各巷供風(fēng)量，將供風(fēng)量由780 m3/min調(diào)整為1 225 m3/min，并降低材料斜井下部進(jìn)風(fēng)量，由原來的325 m3/min調(diào)整為210 m3/min。進(jìn)行增壓調(diào)節(jié)后，膠帶斜井下部風(fēng)量由455 m3/min變?yōu)? 015 m3/min，8號煤層材料斜井進(jìn)風(fēng)增加后由3號煤層車場流向8號煤層膠帶斜井，膠帶斜井出風(fēng)量增加，未起到調(diào)節(jié)效果。

3.2.2 方案二

為控制膠帶斜井出風(fēng)量問題，后期提出通過降阻的方式調(diào)節(jié)膠帶斜井風(fēng)流狀態(tài)。1136水平大巷與中央變電所回風(fēng)繞道設(shè)置有密閉墻，通過打開該風(fēng)路將原有密閉墻調(diào)整為調(diào)節(jié)風(fēng)窗，使1136水平大巷風(fēng)流短路，而材料斜井風(fēng)壓、進(jìn)風(fēng)量都有一定的下降，風(fēng)壓由原來180 mm H2O下降至152 mm H2O，而進(jìn)風(fēng)量由原來2 720 m3/min下降至2 395 m3/min。增大流入3號煤層各巷內(nèi)的風(fēng)量，將3號煤層一盤區(qū)皮帶頭進(jìn)風(fēng)量增大至410 m3/min。對8號煤層的回風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，將回風(fēng)量由原有的780 m3/min增大至1 000 m3/min，迫使由材料斜井下部流向8號煤層的風(fēng)量由原來的325 m3/min降至210 m3/min。后期的方案二調(diào)節(jié)后，膠帶斜井風(fēng)流風(fēng)向發(fā)生改變，由原出風(fēng)狀態(tài)改為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，而原有出風(fēng)量平均約為412 m3/min，調(diào)節(jié)后進(jìn)風(fēng)量為780 m3/min，降低原有的膠帶斜井漏風(fēng)狀態(tài)，提高8號煤層各需風(fēng)區(qū)域有效供風(fēng)量，增加了角聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)通過對角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與流動特性的研究分析，分析如何通過均壓調(diào)節(jié)手段優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和提高風(fēng)流穩(wěn)定性，對增壓、降阻、增阻等不同均壓調(diào)節(jié)方式效果和設(shè)置位置選擇進(jìn)行了討論。

(2)對馬脊梁煤礦風(fēng)井供風(fēng)方式調(diào)整后，由3號煤層集中軌道巷、3號煤層皮帶巷通過8號煤層膠帶斜井與8號煤層材料斜井、1136大巷角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的風(fēng)流不穩(wěn)定狀態(tài)，先后通過增壓和降阻方式進(jìn)行調(diào)節(jié)局部通風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)流狀態(tài)。

(3)通過對1136水平大巷進(jìn)行風(fēng)流短路，并調(diào)整3號煤層的進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)壓，以及增加8號煤層的回風(fēng)量，最終達(dá)到改變原有網(wǎng)絡(luò)中膠帶斜井風(fēng)流方向，確保了8號煤層各需風(fēng)區(qū)域有效供風(fēng)量。