礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造技術(shù)探析

馬紅龍

（山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271219）

0 前言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為建設(shè)的重要組成部分，其不僅會影響煤礦的生產(chǎn)效率和建設(shè)速度，而且保障員工礦井下作業(yè)安全，對行業(yè)后續(xù)發(fā)展有長遠(yuǎn)的影響。隨著我國發(fā)展建設(shè)速度的不斷加快，對各類資源的需求也在逐漸提高，通風(fēng)系統(tǒng)也發(fā)生重大的變化，礦井行業(yè)若想與當(dāng)前時(shí)代對接，必須要重視通風(fēng)系統(tǒng)改造，從而保障礦井安全生產(chǎn)，避免后續(xù)工作出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問題。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概述

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)組成

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是指礦井通風(fēng)方式和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的總稱，分為抽出式、壓入式及混合式3 種，為了能夠保障礦井高效安全地生產(chǎn)，需要對風(fēng)機(jī)、CO 傳感器、交通狀態(tài)檢測、火災(zāi)報(bào)警、TC 控制等方面加大關(guān)注力度，不斷提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，減少煤礦事故。礦井通風(fēng)方式分為中央式、對角式、分區(qū)式和混合式，在相關(guān)建設(shè)中需要從基本要求入手，結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際需求，優(yōu)化系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分，下面將對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行探究。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用

通風(fēng)系統(tǒng)中心計(jì)算包括TC 收集CO 檢測器，系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警級別接通風(fēng)機(jī)中心，而計(jì)算機(jī)和TC 連續(xù)地收集并分析來自隧道的數(shù)據(jù)，通風(fēng)程序在啟動該洞風(fēng)機(jī)的同時(shí)也啟動相鄰隧道洞口處風(fēng)機(jī)，根據(jù)交通流的增長趨勢在中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)定，如未能達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值則可以減少風(fēng)機(jī)啟動數(shù)量，節(jié)約能源消耗。在礦井施工中，部分煙霧可能會通過隧道內(nèi)橫穿通道進(jìn)入另外一個(gè)隧道，所以需要設(shè)置多組風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，控制風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，保證礦井下的空氣質(zhì)量。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及理論

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，系統(tǒng)的總風(fēng)阻和總阻力也不相同，可以結(jié)合“早分晚合”的原則，降低通風(fēng)系統(tǒng)總阻力。提前合理布置風(fēng)流流動線路，在風(fēng)量相同的情況下，可以計(jì)算機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)模擬參數(shù)，改變通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)合理調(diào)配風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)，提升經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在優(yōu)化過程中需要盡量采用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，采取新掘巷道或者封閉舊巷道的方法，利用鉆孔的方式從掘進(jìn)工作面打出一個(gè)300mm～500mm 的鉆孔，通過鉆孔將掘進(jìn)巷道與回風(fēng)巷接通，保證經(jīng)濟(jì)有效地供風(fēng)，達(dá)到較為理想的降阻效果。

2.2 礦井系統(tǒng)風(fēng)量

增阻調(diào)節(jié)法能夠降低巷道同一風(fēng)路風(fēng)量，執(zhí)行中需要清除巷道中局部阻力障礙物，通過降低巷道的通風(fēng)阻力改變進(jìn)、回風(fēng)路線，增加礦井總風(fēng)量。在礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造中，通過降低進(jìn)風(fēng)流溫度縮短風(fēng)流路線總長度，降低摩擦阻力系數(shù)增加風(fēng)量。礦井根據(jù)通風(fēng)保證巷道內(nèi)具有清新空氣，工作面所需風(fēng)量如公式（1）所示。

式中：Q為通風(fēng)風(fēng)量；通風(fēng)時(shí)間；為巷道長度；為巷道空氣污染物允許值；P為漏風(fēng)系數(shù)，C為通風(fēng)系數(shù)。

為此實(shí)際執(zhí)行中還可以調(diào)整離心式風(fēng)機(jī)前導(dǎo)器葉片角度，通過增大礦井或局部的自然風(fēng)壓，進(jìn)一步減少礦井風(fēng)機(jī)能耗，實(shí)際應(yīng)用中的效果明顯。如圖1 所示。

圖1 風(fēng)壓特性曲線調(diào)節(jié)

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造的問題

3.1 礦井系統(tǒng)概述

某礦井面積為27.8019km，距市中心區(qū)直距22km，礦區(qū)走向長度約8.2km，傾斜寬度3.4km，南風(fēng)井主要擔(dān)負(fù)著7 采區(qū)S2713 工作面、2701 工作面，煤系地層屬石炭系和二疊系，上覆第四系沖積層，井田內(nèi)斷層較多，造成南二輔助軌道下山風(fēng)量不足。主扇型號均為離心式通風(fēng)設(shè)備，風(fēng)流經(jīng)過各大巷石門進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域，回風(fēng)入8 個(gè)水平回風(fēng)大巷，如果只通過箕斗井進(jìn)風(fēng)不能滿足供風(fēng)要求，最后由回風(fēng)井將其排至地面導(dǎo)致風(fēng)流紊亂，下面將對現(xiàn)存問題進(jìn)行分析。

3.2 通風(fēng)側(cè)翼問題

采區(qū)的通風(fēng)問題關(guān)系到整個(gè)礦井未來生產(chǎn)的部署情況，其中9 采區(qū)2911 工作面、2902A 工作面，東翼軌道探巷和東翼皮帶探巷掘進(jìn)工作面等地區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，有箕斗井專門供給-300 水平淺部的通風(fēng)，-480 南翼運(yùn)輸大巷年久失修，所有風(fēng)量集中在-100 總回風(fēng)巷，密閉墻受到損壞，存在裂隙導(dǎo)致漏風(fēng)嚴(yán)重，因此需要解決礦井供風(fēng)困難的問題，保證施工的穩(wěn)定性。

3.3 通風(fēng)系統(tǒng)問題

上述礦井的通風(fēng)系統(tǒng)非常龐大，形成“四進(jìn)三回”的通風(fēng)系統(tǒng)，但巷道破壞導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，雖然在掘進(jìn)工作面安設(shè)了輔助通風(fēng)機(jī)，但是仍然不能解決巷道溫度高的問題，后續(xù)通過風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施提高風(fēng)阻，但相關(guān)工作的負(fù)荷也隨之增加，9 個(gè)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量短缺4000min/m。為切實(shí)解決現(xiàn)存問題，該礦井通過改造解決用風(fēng)緊張的問題，保證礦井工作安全有序地接替。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造技術(shù)的應(yīng)用策略

礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為生產(chǎn)中的重要組成部分，與效益、安全等方面有直接的關(guān)系，因此需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行改造，下面將結(jié)合上述礦井總結(jié)技術(shù)策略。

4.1 制定系統(tǒng)改造目標(biāo)

上述礦井在通風(fēng)系統(tǒng)改造前進(jìn)行了布局規(guī)劃，保證系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)相匹配，通過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和前人的總結(jié)，當(dāng)前系統(tǒng)需要增加風(fēng)量，對局部風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，為避免造成礦井通風(fēng)阻力過大的問題，風(fēng)機(jī)能力要與實(shí)際生產(chǎn)相適應(yīng)。通風(fēng)系統(tǒng)布置不合理可能在開采中出現(xiàn)風(fēng)流不穩(wěn)定的情況，為此在布局規(guī)劃中對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面加大了關(guān)注力度，斷面面積每增大33%就需要相應(yīng)地增加通風(fēng)阻力，將整體系數(shù)控制在90%以上，使通風(fēng)阻力與巷道的長度成正比，避免出現(xiàn)通風(fēng)被動局面，使通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)整工作滿足生產(chǎn)計(jì)劃的需要。

4.2 建立通風(fēng)系統(tǒng)模型

通風(fēng)井巷斷面優(yōu)化作為一項(xiàng)礦井通風(fēng)節(jié)能技術(shù)，需要結(jié)合多種因素確定最優(yōu)斷面，井巷掘進(jìn)費(fèi)、服務(wù)維護(hù)費(fèi)必須要滿足風(fēng)速極限，確定斷面后續(xù)操作的可行性。受通風(fēng)井巷的影響，在選擇斷面時(shí)需要從節(jié)能方面入手，考慮到掘進(jìn)費(fèi)和通風(fēng)動力費(fèi)主要與巷道斷面有關(guān)，在優(yōu)化中相關(guān)參數(shù)必須進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，通過C=C××進(jìn)行計(jì)算，其中C為單位體積掘進(jìn)深度；為巷道斷面積；為巷道長度，最終有效確定通風(fēng)系統(tǒng)改造信息。

對礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化來說，需要預(yù)先確定礦井的通風(fēng)阻力，公式為=×，當(dāng)?shù)V井總風(fēng)阻不變按風(fēng)量平方的倍數(shù)增加，分支阻力也需要按風(fēng)量平方的倍數(shù)增加，礦井通風(fēng)阻力越小越接近平衡。通風(fēng)巷道的風(fēng)阻（kg/m）（m）、斷面積（m）、周長（m）和風(fēng)道的支護(hù)形式等參數(shù)，礦井總阻力取決于各分支阻力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它們之間的關(guān)系如公式（2）所示。

為此需要保證消耗能量和風(fēng)阻成正比，避免出現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)優(yōu)化的情況。

4.3 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)改造過程

礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造較為復(fù)雜，且自身涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更多，因此在改造過程中，需要將工作分為2 個(gè)層次，以此合理布設(shè)通風(fēng)設(shè)施，在擬定新方案后需要送至相關(guān)部分進(jìn)行全方面審核，然后進(jìn)行調(diào)整，解決通風(fēng)系統(tǒng)的問題，改善礦井的通風(fēng)狀況。在工作時(shí)需要有目標(biāo)、有計(jì)劃、按步驟進(jìn)行，按照先挖潛后擴(kuò)建、先易后難的原則，在各方案之間選擇最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)，擬訂方案的風(fēng)網(wǎng)內(nèi)部調(diào)節(jié)優(yōu)化，如需要購置新設(shè)備則需要進(jìn)行審核，在實(shí)行最優(yōu)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，保障系統(tǒng)后應(yīng)用的安全與穩(wěn)定性，技術(shù)改造的過程如圖2 所示。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造過程

4.4 建立通風(fēng)仿真系統(tǒng)

上述礦井計(jì)算尖部通風(fēng)阻力，在巷道中兩測點(diǎn)各安置一根皮托管，用風(fēng)表在兩測點(diǎn)分別量出表速，從兩測點(diǎn)獲取對應(yīng)的讀值，測試采用電子壓差計(jì)法，將測得的基本數(shù)據(jù)與各項(xiàng)參數(shù)對照，然后查看溫度和風(fēng)流的絕對靜壓。皮托管布置于巷道中心，管軸與風(fēng)向平行，連同井巷在末點(diǎn)安放壓差計(jì)，在兩測點(diǎn)附近分別測出風(fēng)流，測算出兩測點(diǎn)的空氣密度，獲取壓差計(jì)之間的靜壓差和勢能差。

系統(tǒng)（MVIS）以解算調(diào)節(jié)為核心，內(nèi)部設(shè)有礦井需風(fēng)量計(jì)算模塊，實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，在該過程中應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)阻力測試，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行回路計(jì)算與調(diào)節(jié)，然后將通風(fēng)系統(tǒng)圖形和數(shù)據(jù)無縫連接，集成礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測試，為后續(xù)仿真系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。基于網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)，礦井與礦井通風(fēng)系統(tǒng)無縫關(guān)聯(lián)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算與調(diào)節(jié)中應(yīng)提供系統(tǒng)圖，然后在工作面推進(jìn)巷道長度變化仿真；新掘進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井仿真，在該過程中需要做好地面主扇選型與多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)分析，在應(yīng)用過程中進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)評價(jià)，獲取當(dāng)前風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，最后生成仿真分析?bào)告，為后續(xù)工作開展提供幫助。

上述礦井底圖繪制生成系統(tǒng)圖，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論，保證網(wǎng)絡(luò)圖的拓?fù)潢P(guān)系保持一致，接著檢查仿真系統(tǒng)圖的連通性，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試對比，對仿真系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)、增阻調(diào)節(jié)，將誤差降到允許范圍內(nèi)。將測量數(shù)據(jù)輸入MVIS 后，需要查看當(dāng)前系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是否缺項(xiàng)，然后將測量數(shù)據(jù)與礦井風(fēng)量報(bào)表進(jìn)行反復(fù)對比，將實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差控制在允許范圍內(nèi)，如存在問題需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試與確認(rèn)，最終得到礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)，提高后續(xù)應(yīng)用的可靠性。

4.5 通風(fēng)系統(tǒng)安全優(yōu)化

礦井通風(fēng)系統(tǒng)兼顧事故后排風(fēng)，風(fēng)量須＞5 次/h 的換氣要求，在設(shè)計(jì)中可不考慮最小新風(fēng)量，處理需要經(jīng)表冷器冷卻后送入室內(nèi)，根據(jù)傳熱公式設(shè)定參數(shù)為=15.4℃、=42.1kJ/kg，保證房內(nèi)基本沒有濕負(fù)荷，使室內(nèi)的相對濕度達(dá)到95%，從而承擔(dān)室內(nèi)全部熱負(fù)荷。室內(nèi)設(shè)定需要消除多余熱量，在該基礎(chǔ)上需要確定室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況可以選用137.4kW 的機(jī)組。

在GIS 室內(nèi)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)分為平時(shí)通風(fēng)和事故通風(fēng)兩部分，按換氣4 次/h 計(jì)算，防止因礦井下有毒有害氣體而埋下安全隱患，在設(shè)計(jì)中需要對通風(fēng)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置。GIS 室通風(fēng)可以按連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì)，日常通風(fēng)由下部排風(fēng)模式保證，在設(shè)計(jì)中也需要采用雙速風(fēng)機(jī)，如出現(xiàn)緊急事故可以開啟高速工況通風(fēng)，日常則開啟低速工況通風(fēng)。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在無風(fēng)場的狀況下，需要對進(jìn)排風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置，了解當(dāng)前礦井下的所需換氣量=/[（-）]kg/h），進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口氣流之間的空氣溫度影響大。為此需要結(jié)合實(shí)際改變氣流的方向及速度，使進(jìn)排風(fēng)氣流的流動路徑合理，一般規(guī)定進(jìn)風(fēng)量為排風(fēng)量的60%左右，可設(shè)置進(jìn)風(fēng)機(jī)為雙速風(fēng)機(jī)，盡量將排風(fēng)井對進(jìn)風(fēng)井的影響降到最低，滿足井下通風(fēng)量的實(shí)際需求。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)位于地下，在結(jié)構(gòu)安全方面應(yīng)進(jìn)行考慮，通風(fēng)換氣為設(shè)置氣體滅火啟動系統(tǒng)，在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)房間的Flail 電動防火閥，滅火后打開SPF 及補(bǔ)風(fēng)口。同時(shí)需要建立分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，保證礦井安全有序的進(jìn)行接替，使系統(tǒng)能夠在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)自動開啟并進(jìn)行報(bào)警，事故發(fā)生時(shí)啟動全部防火閥，日常防火閥可用于通風(fēng)，事故結(jié)束時(shí)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制阻止火勢蔓延。

4.6 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中包括多個(gè)系統(tǒng)，在實(shí)際改造技術(shù)應(yīng)用中需要進(jìn)行分析，掌握通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)風(fēng)流變化的規(guī)律，如果全礦風(fēng)量一定，在不考慮采用機(jī)械通風(fēng)的情況下，要解決的是主要通風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)壓和各調(diào)節(jié)分支的調(diào)節(jié)量，當(dāng)各個(gè)通風(fēng)機(jī)負(fù)壓相等時(shí)，按照自然分風(fēng)功耗進(jìn)行改造，確定安設(shè)調(diào)節(jié)風(fēng)窗的分支。在控制分風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，可采取調(diào)控措施平衡差異，對幾個(gè)子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，通過調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行全網(wǎng)阻力調(diào)平，最終采用分解解算來解決這類通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的分風(fēng)問題，使所有分支的風(fēng)量都成為已知參數(shù)，滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)需求。

5 結(jié)語

在了解礦井通風(fēng)基本理論后，需要對通風(fēng)指標(biāo)進(jìn)行測定，采用理論與實(shí)際結(jié)合的方法，得到的解算結(jié)果用于指導(dǎo)礦井的礦井通風(fēng)管理，以此進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造與優(yōu)化。為了解決礦井供風(fēng)不足以及整個(gè)礦井用風(fēng)緊張的問題，要求對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采用計(jì)算軟件對礦井各個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算風(fēng)量與風(fēng)壓誤差控制在5%以內(nèi)，經(jīng)過上述改造后能夠滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求。同時(shí)，上述礦井在改造中進(jìn)行了分區(qū)域通風(fēng)優(yōu)化，充分利用現(xiàn)有的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行改造，在礦井臨時(shí)通風(fēng)設(shè)施改造前進(jìn)行分區(qū)布局調(diào)整，盡量減少巖巷作業(yè)和揭煤作業(yè)工程，經(jīng)優(yōu)化改造后的通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以有效縮短施工時(shí)間，且能夠提高整個(gè)深部水平通風(fēng)條件，希望能夠?yàn)轭愃频墓こ烫峁﹨⒖肌?/p>