礦井井下通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配研究

和凱敏

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500）

煤炭在開采過程中會受到粉塵、瓦斯、煤層燃等多種不利因素影響，礦井生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，通過分析發(fā)現(xiàn)上述安全事故多與礦井通風(fēng)系統(tǒng)不完善、可靠性不強(qiáng)等有關(guān)[1-2]。礦井通風(fēng)涉及到通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配問題及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)動力匹配問題，上述匹配問題均與主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行有密切關(guān)聯(lián)[3]。近些年來，眾多的學(xué)者對礦井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力等方面展開研究，并取得較為豐碩的研究成果[4-6]。山西某礦建礦時(shí)間已超過30 年，具有礦井投產(chǎn)早、風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行時(shí)間長等特點(diǎn)，生產(chǎn)布局較投產(chǎn)之初有較大變化，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也較為復(fù)雜，為此本文對該礦下通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配進(jìn)行研究，以期能在一定程度上提升礦井通風(fēng)效果。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能300 萬t/a，為高瓦斯礦井，現(xiàn)階段開采深度平均為330 m，主采7#煤層。煤層原始瓦斯含量為6.5 m3/t，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性、自燃發(fā)火傾向性為Ⅱ類。井下采用分區(qū)式開采，進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井筒數(shù)量分別為3 個(gè)、2 個(gè)，總回風(fēng)量為17 590 m3/min。

2 通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配模型

通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配優(yōu)劣可通過匹配度來衡量，具體匹配度確定時(shí)需要綜合考慮風(fēng)量、實(shí)際風(fēng)壓、最高風(fēng)壓、最高效率以及實(shí)際效率等因素，具體通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配可通過公式（1）計(jì)算。

式中：M 為匹配度；η 為通風(fēng)機(jī)效率；ηmax為通風(fēng)機(jī)效率；k2為調(diào)節(jié)系數(shù)。

在地面主要通風(fēng)機(jī)合理工作范圍內(nèi)，主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)壓力應(yīng)小于最大通風(fēng)壓力的0.9 倍，從而可實(shí)現(xiàn)礦井高效通風(fēng)。

匹配度M 越大，則表面礦井通風(fēng)效率越高，有利于井下通風(fēng)。當(dāng)匹配度M＞75 時(shí)，匹配狀態(tài)為優(yōu)，表明風(fēng)機(jī)與井下通風(fēng)系統(tǒng)匹配較好，通風(fēng)機(jī)可滿足井下通風(fēng)需要；當(dāng)60≤M≤75 時(shí)，則匹配狀態(tài)為良，通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)良好，可較好的滿足井下通風(fēng)需要；當(dāng)M＜60 時(shí)，則通風(fēng)動力與井下通風(fēng)阻力間匹配狀態(tài)為劣，表明風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不合理，難以與井下通風(fēng)系統(tǒng)有效匹配。

進(jìn)一步考慮通風(fēng)機(jī)服役時(shí)間、井下煤礦生產(chǎn)任務(wù)間關(guān)系，依據(jù)礦井生產(chǎn)接替計(jì)劃并通過加權(quán)平均可獲取整體匹配度Mz，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（2）。

式中：Mz為整體匹配度；Mi為△ti時(shí)間內(nèi)的匹配度；△ti為表示持續(xù)時(shí)間。

3 匹配度研究分析

3.1 通風(fēng)阻力及通風(fēng)動力匹配計(jì)算

選擇夏季礦井回風(fēng)立井通風(fēng)為工程背景，對通風(fēng)阻力及通風(fēng)動力匹配情況進(jìn)行探討，具體繪制得到礦井回風(fēng)立井地面主要通風(fēng)機(jī)特征曲線，具體如圖1 所示。通風(fēng)阻力及動力曲線交匯點(diǎn)（A 點(diǎn)）即為該主要通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，具體見圖2 所示。

圖1 主要通風(fēng)機(jī)特征曲線

圖2 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)

根據(jù)礦井生產(chǎn)銜接規(guī)劃，礦井現(xiàn)階段生產(chǎn)屬于通風(fēng)困難階段，用Rmax表示風(fēng)阻特征曲線，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)為A 點(diǎn)，同時(shí)給出礦井通風(fēng)容易時(shí)期通風(fēng)曲線Rmin；將礦井風(fēng)阻特征曲線與風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線相結(jié)合，由A、B、C、D 點(diǎn)形成的閉合區(qū)域即為該主要通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況變化范圍。從圖2 看出，礦井回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)實(shí)際工作范圍處合理范圍內(nèi)；依據(jù)主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)效率曲線即可得到A 點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體見第105 頁表1 所示。通過公式（2）計(jì)算得到礦井通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配度M=62，綜合評定礦井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配度為良。

表1 工況點(diǎn)A 參數(shù)

3.2 匹配度提高措施

現(xiàn)階段礦井回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度已最大，不能再通過調(diào)整葉片安裝角對井下通風(fēng)風(fēng)量井下調(diào)節(jié)。隨著礦井井下二采區(qū)不斷推進(jìn)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)難度呈逐漸增加趨勢，從而會使得通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力間匹配度降低。因此，需要針對性制定措施提高通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配度。具體采取措施為：在采區(qū)新掘進(jìn)一跳專用回風(fēng)巷道，并通過調(diào)整礦井有關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)，將二采區(qū)部分風(fēng)量從礦井張家莊回風(fēng)井排出，并降低井下通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力，從而提升回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)動力、通風(fēng)阻力間匹配度。采用數(shù)值模擬方法對提出的方案進(jìn)行仿真，具體仿真結(jié)果見表2 所示。

表2 改造后模擬仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看出，在井下二采區(qū)實(shí)施降低方案后，井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻特征曲線為圖2 中R 曲線，在未改變礦井地面主要通風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行角情況下，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)為E 點(diǎn)，具體E 點(diǎn)數(shù)據(jù)見表3 所示。通過公式（2）計(jì)算得到此時(shí)礦井通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力匹配度M=79，綜合評定礦井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配度為優(yōu)。

表3 工況點(diǎn)E 參數(shù)

通過在礦井二采區(qū)重新掘進(jìn)專用回風(fēng)巷達(dá)到了降低井下通風(fēng)系統(tǒng)阻力，提高了礦井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力間的匹配度，滿足井下通風(fēng)需要并提高了通風(fēng)可靠性以及通風(fēng)風(fēng)量。

4 結(jié)語

本文采用理論分析方法對礦井通風(fēng)阻力以及通風(fēng)動力匹配情況進(jìn)行分析，并通過引入匹配度實(shí)現(xiàn)匹配情況的定量分析。依據(jù)礦井實(shí)際通風(fēng)情況，計(jì)算得到礦井回風(fēng)立井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配度為62、匹配等級為良。

根據(jù)礦井后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃發(fā)現(xiàn)隨著礦井生產(chǎn)范圍增加，礦井回風(fēng)立井通風(fēng)阻力、通風(fēng)動力匹配度會逐漸降低，難以滿足礦井后續(xù)生產(chǎn)需要。為此，提出在二采區(qū)新掘?qū)Ｓ没仫L(fēng)巷來對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造后通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力間匹配度為79、匹配等級為優(yōu)，通風(fēng)系統(tǒng)改造后可滿足井下生產(chǎn)需要。