古城煤礦大風(fēng)量高負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)分析及降阻優(yōu)化

＊張振彬

（山西潞安化工集團(tuán)有限公司古城煤礦 山西 046100）

通風(fēng)問(wèn)題往往是導(dǎo)致火災(zāi)、粉塵災(zāi)害產(chǎn)生的直接或間接誘因，因此為有效防止這些災(zāi)害發(fā)生，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決礦井中存在的通風(fēng)問(wèn)題。礦井通風(fēng)阻力是衡量礦井通風(fēng)能力的重要指標(biāo)[2]，同時(shí)也是優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)的根本依據(jù)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造方案的擬定原則必須嚴(yán)格遵循安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和便于管理這三點(diǎn)要求。針對(duì)古城煤礦大風(fēng)量、高負(fù)壓通風(fēng)特點(diǎn)，需要對(duì)目前通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施降阻工程以提高通風(fēng)能力和通風(fēng)富余量。為此，提出了基于MVIS通風(fēng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究的方法[1]，對(duì)古城煤礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出合理的優(yōu)化改造方案。

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

古城煤礦井田位于太行山中段西側(cè)的上黨盆地西部。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬(wàn)噸/年，服務(wù)年限71.4年。古城煤礦礦井通風(fēng)方式為混合式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為抽出式，通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖如圖1所示，礦井現(xiàn)有兩個(gè)通風(fēng)子系統(tǒng)，即中央風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)、桃園風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)。主要進(jìn)風(fēng)井有副立井、主斜井、桃園進(jìn)風(fēng)立井；兩個(gè)回風(fēng)井，中央回風(fēng)立井、桃園回風(fēng)立井。通風(fēng)方式目前實(shí)現(xiàn)了各盤(pán)區(qū)分區(qū)獨(dú)立通風(fēng)，采區(qū)大巷布置均為三進(jìn)兩回，中央回風(fēng)立井目前負(fù)擔(dān)的東翼采區(qū)和西翼采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)。桃園回風(fēng)立井目前負(fù)擔(dān)的南翼采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)。具體動(dòng)力配置為：中央回風(fēng)立井主通風(fēng)機(jī)型號(hào)AGF606/4.0-2.4-2；桃園回風(fēng)立井主通風(fēng)機(jī)型號(hào)AGF606/4.0-2.2-2，一用一備，反風(fēng)方式為反轉(zhuǎn)反風(fēng)。

圖1 古城煤礦通風(fēng)簡(jiǎn)圖

2.礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果及分析

古城煤礦通風(fēng)阻力測(cè)試采用傾斜壓差計(jì)法、精密氣壓計(jì)的同步法以及精密氣壓計(jì)的基點(diǎn)法混合測(cè)試，發(fā)揮各自測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)[3]。

(1)礦井通風(fēng)能力指標(biāo)判定

基于礦井通風(fēng)能力指標(biāo)，結(jié)合通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果，可以定量化判定礦井通風(fēng)能力[4-7]。

①等積孔A

礦井等積孔判定礦井通風(fēng)難易程度。單風(fēng)機(jī)工作礦井等積孔計(jì)算公式如式（1）所示。

多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行礦井等積孔計(jì)算公式如式（2）所示。

式（2）中：A-總等積孔，m2；Q-單臺(tái)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；h-單臺(tái)通風(fēng)機(jī)通風(fēng)能力，Pa；Qi-第i臺(tái)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；hi-第i臺(tái)通風(fēng)阻力，Pa。

有效風(fēng)量率指井下用風(fēng)地點(diǎn)總風(fēng)量Qs與礦井總進(jìn)風(fēng)量Qx。礦井有效風(fēng)量率如公式（3）所示：

②礦井網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度R

網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度可以表示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，計(jì)算公式如式（4）所示。

式（4）中：m-節(jié)點(diǎn)數(shù)目；ni-通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)；nj-角聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度可根據(jù)A值判斷復(fù)雜程度如表1所示。

表1 復(fù)雜程度判定

③阻力分布合理度s2

s2可以判斷通風(fēng)系統(tǒng)阻力分配比例是否合理，其值越小，阻力分配合理度越高，計(jì)算公式如式（6）所示。

式（6）中：Yi-實(shí)際三區(qū)阻力數(shù)值；Yj-一般認(rèn)為三區(qū)分布標(biāo)準(zhǔn)值。

④風(fēng)量供需比τ

τ可以反應(yīng)用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量供應(yīng)程度，計(jì)算公式如式（7）所示。

式（7）中：Qy-用風(fēng)地點(diǎn)供風(fēng)量，m3/s；Qx-用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量，m3/s。

⑤阻力測(cè)定誤差δ

式（8）中：δ-阻力測(cè)定誤差，%；h-測(cè)定的礦井通風(fēng)總阻力；hfs-通風(fēng)機(jī)裝置靜壓，Pa；hs-通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐測(cè)壓點(diǎn)靜壓，Pa；hy-通風(fēng)機(jī)風(fēng)硐測(cè)壓點(diǎn)動(dòng)壓，Pa；hn-礦井自然風(fēng)壓，Pa。

(2)礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定結(jié)果評(píng)價(jià)結(jié)果分析

①中央回風(fēng)井、桃園回風(fēng)立井相對(duì)誤差分別為1.55%、0.90%，測(cè)量精度可靠，滿(mǎn)足通風(fēng)阻力測(cè)定的要求，為進(jìn)一步分析提供了必要的依據(jù)。

②由于南翼和東翼采區(qū)對(duì)風(fēng)量需求較大，且古城煤礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯涌出量較大，加上系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)，現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行角度3°，下中央回風(fēng)立井、桃園回風(fēng)立井風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為27481m3/min、3350Pa，23956m3/min、3558Pa，兩回風(fēng)井風(fēng)機(jī)能力提升空間較小，容易出現(xiàn)東翼采區(qū)、南翼采區(qū)后續(xù)供風(fēng)量不足的問(wèn)題，無(wú)法保障后續(xù)安全生產(chǎn)的要求，因此需對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降阻，提升礦井通風(fēng)富余量。

③中央回風(fēng)立井沿途路線(xiàn)進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)三區(qū)阻力分配比例為32:37:31，等積孔為9.42m2，為通風(fēng)中等礦井，對(duì)于盤(pán)區(qū)式開(kāi)采，用風(fēng)消耗阻力明顯偏大。N1305回順巷道阻力消耗偏大，阻力為685Pa，這是因?yàn)橄锏垒^長(zhǎng)造成了巷道阻力過(guò)大。中央回風(fēng)井最大通風(fēng)阻力路線(xiàn)達(dá)到8645m，通風(fēng)路線(xiàn)較長(zhǎng)，一些巷道處于微風(fēng)狀態(tài)，巷道中一些雜物不及時(shí)清理，井巷老舊導(dǎo)致巷道摩擦阻力變大，均會(huì)加大礦井負(fù)荷；井底布置的通風(fēng)設(shè)施加大了通風(fēng)阻力，同時(shí)降低了通風(fēng)效率。因此，日常應(yīng)加強(qiáng)這些巷道管理。中央回風(fēng)井井底回風(fēng)大巷消耗阻力577Pa，為提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益，在充分利用現(xiàn)有井巷基礎(chǔ)上，減少通風(fēng)能耗，降低通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)中央回風(fēng)立井井底進(jìn)行降阻。

④桃園回風(fēng)立井與中央回風(fēng)井基本相同，為通風(fēng)中等礦井，用風(fēng)區(qū)消耗阻力所占比例明顯偏大，主要原因是用風(fēng)區(qū)段阻力偏大。以S1301工作面為例，用風(fēng)區(qū)回風(fēng)段阻力消耗1801Pa，超過(guò)桃園回風(fēng)立井總阻力的50%，沿空留巷巷道斷面小是造成其阻力增大的主要原因，同時(shí)部分回風(fēng)巷道內(nèi)摩擦系數(shù)較大也是造成通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻值較大的原因之一。

⑤目前古城煤礦有效風(fēng)量為目前古城煤礦有效風(fēng)量為778.63m3/s，礦井總進(jìn)風(fēng)量為848.9m3/s，用風(fēng)量占總風(fēng)量比例即有效風(fēng)量率為778.63/848.9×100%=91.72%。有效風(fēng)量率較高，繼續(xù)加強(qiáng)通風(fēng)管理，保持較高的有效風(fēng)量率。

⑥古城通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，風(fēng)門(mén)等構(gòu)筑物較多，需要加強(qiáng)管理，超過(guò)1000Pa的風(fēng)門(mén)占32%，約為1/3，風(fēng)門(mén)壓差較大的風(fēng)門(mén)占比大，壓差大的風(fēng)門(mén)需要注意維護(hù)，使正、反向均處于良好狀態(tài)，保障通風(fēng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

⑦通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，古城煤礦網(wǎng)絡(luò)分支串聯(lián)簡(jiǎn)化后共有609條，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模屬于中等，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度屬于復(fù)雜，南翼膠帶大巷、南翼輔運(yùn)大巷處于中央風(fēng)井系統(tǒng)和桃園風(fēng)井系統(tǒng)兩個(gè)大系統(tǒng)的角聯(lián)部分，屬于大角聯(lián)結(jié)構(gòu)，目前回風(fēng)點(diǎn)位于南翼西用風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)需要密切注意其風(fēng)流風(fēng)向的穩(wěn)定性，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.基于MVIS對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

為加強(qiáng)古城煤礦通風(fēng)管理，古城煤礦與遼寧工程技術(shù)大學(xué)合作，通過(guò)對(duì)全礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面普查，礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)試，通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試及數(shù)據(jù)預(yù)處理，以實(shí)測(cè)風(fēng)量和經(jīng)過(guò)計(jì)算所得巷道風(fēng)阻為基準(zhǔn)，實(shí)測(cè)風(fēng)量為目標(biāo)條件，對(duì)全礦井巷道風(fēng)阻進(jìn)行連續(xù)的優(yōu)化調(diào)整，使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)定各巷道風(fēng)量基本符合，建立近乎接近目前礦井通風(fēng)狀態(tài)的仿真系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)為礦井通風(fēng)日常管理，改擴(kuò)建等起到了非常重要的作用?，F(xiàn)基于MVIS仿真系統(tǒng)對(duì)目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化和改造。

(1)中央回風(fēng)井總回風(fēng)巷改造方案仿真

中央回風(fēng)井降阻分析，中央回風(fēng)井井底回風(fēng)大巷消耗阻力為577Pa，如果能新掘一條并聯(lián)回風(fēng)巷，保證各用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量的情況下，中央回風(fēng)井總阻力將降低150Pa，風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行工況穩(wěn)定、可靠、高效，預(yù)計(jì)通風(fēng)機(jī)功耗將降低105kW，年均節(jié)約電費(fèi)91.5萬(wàn)元。雖然方案需開(kāi)掘450m巷道，短期投資較大，但從長(zhǎng)期來(lái)看，該方案具有顯著的安全經(jīng)濟(jì)效益。

(2)中央回風(fēng)井總回風(fēng)巷改造方案仿真

以N1305工作面為例，用風(fēng)區(qū)回風(fēng)段阻力消耗偏大，為685Pa，這是系統(tǒng)優(yōu)化重點(diǎn)要考慮的地點(diǎn)。如果回風(fēng)斷面能增加2m2，如工作面風(fēng)量不變的條件下，其總阻力降低240Pa。如果系統(tǒng)不調(diào)節(jié)，工作面風(fēng)量預(yù)計(jì)增加280m3/min。

(3)南翼采區(qū)用風(fēng)區(qū)阻力分析

以S1301工作面為例，用風(fēng)區(qū)回風(fēng)段阻力消耗為1801Pa，幾乎占到整個(gè)風(fēng)井總阻力的一半，這是增風(fēng)降阻系統(tǒng)優(yōu)化首先要考慮的地點(diǎn)。沿空留巷巷道斷面小是造成其阻力增大的主要原因。其中沿空留巷阻力消耗860Pa，如果加強(qiáng)沿空留巷使回風(fēng)斷面能增加2m2，如工作面風(fēng)量不變的條件下，其總阻力能降低430Pa；如果系統(tǒng)不調(diào)節(jié)，工作面風(fēng)量預(yù)計(jì)增加280m3/min。

4.結(jié)論

（1）古城煤礦中央回風(fēng)立井、桃園回風(fēng)立井的通風(fēng)系統(tǒng)阻力測(cè)定誤差分別為1.55%、0.90%，測(cè)定精度可靠，可為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造提供實(shí)際數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）中央回風(fēng)立井回風(fēng)量為458.01m3·s-1，礦井等積孔9.42m2；桃園回風(fēng)立井回風(fēng)量為399.26m3·s-1，礦井等積孔7.97m2；礦井均為通風(fēng)容易礦井。通風(fēng)三區(qū)阻力計(jì)算及分析，得出古城煤礦兩回風(fēng)井用風(fēng)區(qū)分配阻力占比均在三區(qū)阻力中最大，需針對(duì)阻力過(guò)高區(qū)段進(jìn)行降阻?；贛VIS仿真軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改造，針對(duì)礦井存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，降低了通風(fēng)耗費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（3）應(yīng)全面檢查井下構(gòu)筑物、老舊巷道進(jìn)行維護(hù)和管理，提高礦井系統(tǒng)有效風(fēng)量利用率，保障通風(fēng)系統(tǒng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)。