古城煤礦鮑店風(fēng)井投運預(yù)測分析

紀 宇

(山西潞安礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

古城礦井采用斜立混合開拓方式，達到800萬t/a生產(chǎn)能力時，共布置5個井筒，即在主井工業(yè)場地布置主斜井，在副井工業(yè)場地布置副立井和中央回風(fēng)立井，在桃園風(fēng)井場地布置桃園進風(fēng)立井和桃園回風(fēng)立井。其中主斜井擔(dān)負煤炭提升任務(wù)，兼作進風(fēng)井及礦井安全出口；副立井擔(dān)負礦井全部人員、材料和設(shè)備的升降，兼作進風(fēng)井及礦井安全出口；中央回風(fēng)立井擔(dān)負北一、北二和北三盤曲的回風(fēng)任務(wù)，兼作礦井安全出口；桃園進風(fēng)立井擔(dān)負南一、南二和南三盤曲的進風(fēng)任務(wù)，兼作礦井安全出口，預(yù)留整體提升大采高綜采支架等超大件的條件；桃園回風(fēng)立井擔(dān)負南一、南二和南三盤曲的回風(fēng)任務(wù)，兼作礦井安全出口。根據(jù)采區(qū)銜接計劃，古城煤礦為解決礦井遠端北二盤曲與北四盤曲通風(fēng)問題，計劃投運一對進回風(fēng)井。在已建立好的仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對新風(fēng)井投運后形成的新系統(tǒng)，分別從通風(fēng)容易時期和通風(fēng)困難時期進行通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測分析。

1 礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)

為提高通風(fēng)管理水平，古城煤礦與遼寧工程技術(shù)大學(xué)合作，通過對全礦井通風(fēng)系統(tǒng)進行全面考查、礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力測試、通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)測試及數(shù)據(jù)預(yù)處理，以實測風(fēng)量和經(jīng)過計算所得巷道風(fēng)阻為基準，實測風(fēng)量為目標(biāo)條件，對全礦井巷道風(fēng)阻進行連續(xù)的優(yōu)化調(diào)整，使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果與實際測定各巷道風(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)[1-2]。

2 需風(fēng)量計算與新增巷道參數(shù)確定

對于新風(fēng)井投運的通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測工作，首先需要確定礦井需風(fēng)量與新增巷道的風(fēng)阻值，在此基礎(chǔ)上分別建立通風(fēng)容易時期與通風(fēng)困難時期智能通風(fēng)設(shè)計系統(tǒng)進行預(yù)測研究[3-4]。

2.1 新增巷道參數(shù)確定

由于新通風(fēng)系統(tǒng)暫未形成，無法進行通風(fēng)阻力測定，礦井各盤區(qū)大巷支護形式、巷道斷面積基本一致，新設(shè)計巷道參數(shù)參考典型巷道風(fēng)阻值進行了確定[5]，確定結(jié)果見表1.在此基礎(chǔ)上分別建立了古城煤礦通風(fēng)容易時期與通風(fēng)困難時期系統(tǒng)預(yù)測模型[6]。

2.2 容易時期通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測

2.2.1 風(fēng)量分配分析

1) 生產(chǎn)布置及用風(fēng)地點配風(fēng)量。北二采區(qū)：布置3個掘進工作面，分別為N2323掘進面輔助運輸巷(2 400 m3/min)、N2321掘進面膠帶輸送機巷(2 400 m3/min)、西翼輔助運輸大巷巖巷掘進(1 200 m3/min)。布置3個工作面，分別為N2315回采工作面(3 600 m3/min)、N2317備用工作面(2 400 m3/min)、N2319備用工作面(2 400 m3/min)。

2) 通風(fēng)容易時期仿真分析。根據(jù)以上采掘布置，為滿足以上采掘生產(chǎn)要求，進行通風(fēng)系統(tǒng)仿真。容易時期仿真系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 通風(fēng)容易時期仿真系統(tǒng)圖

3) 通風(fēng)系統(tǒng)阻力分析。鮑店風(fēng)井投運后，對通風(fēng)系統(tǒng)容易時期總阻力進行計算，總阻力為2 786 Pa，最大阻力路線在N2315采煤工作面。得到通風(fēng)容易時期鮑店回風(fēng)井參數(shù)：風(fēng)量390 m3/s，阻力2 786 Pa，等積孔8.79 m2，功耗1 086.54 kW.

通風(fēng)容易時期鮑店回風(fēng)井總阻力為2 786 Pa，符合AQ1028-2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定，經(jīng)過計算礦井等積孔為8.79 m2，屬于通風(fēng)容易礦井。根據(jù)通風(fēng)路線的長度，目前進風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)通風(fēng)路線長度分別為923 m、3 506 m和847 m，占總通風(fēng)路線的比例分別為17.49%、66.45%和16.06%，容易時期用風(fēng)區(qū)通風(fēng)路線占比較高。

2.3 困難時期通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測

2.3.1 風(fēng)量分配分析

1) 生產(chǎn)布置及用風(fēng)地點配風(fēng)量。北四采區(qū)：布置5個掘進工作面，分別為N4315掘進面輔助運輸巷(2 400 m3/min)、N4313掘進面膠帶輸送巷(2 400 m3/min)、西翼輔助運輸大巷煤巷總掘(2 400 m3/min)、西翼膠帶輸送機大巷煤巷綜掘(2 400 m3/min)、西翼進風(fēng)大巷巖巷綜掘(1 200 m3/min)。布置3個工作面，分別為N4307回采工作面(3 600 m3/min)、N4309備用工作面(2 400 m3/min)、N4311備用工作面(2 400 m3/min)。

2)通風(fēng)困難時期仿真分析。根據(jù)以上采掘布置，為滿足以上采掘生產(chǎn)要求，進行通風(fēng)系統(tǒng)仿真。通風(fēng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 通風(fēng)困難時期仿真系統(tǒng)圖

2.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)阻力分析

對鮑店風(fēng)井投運后通風(fēng)系統(tǒng)困難時期總阻力進行計算，總阻力為4 328 Pa，最大阻力路線在N4307回采工作面。

通風(fēng)困難時期鮑店回風(fēng)井總阻力為4 328 Pa，超過AQ1028-2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定408 Pa.經(jīng)過計算，礦井等積孔為10.49 m2，屬于通風(fēng)容易礦井。根據(jù)鮑店回風(fēng)井最大阻力路線對進風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)阻力大小及所占比例統(tǒng)計分析。最大阻力路線中進風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)的阻力占比分別為43.35%、20.31%和36.34%，進風(fēng)區(qū)消耗阻力明顯偏大，由于通風(fēng)路線過長，造成進風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)阻力值過高，因此后續(xù)需要對進風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)降阻。

根據(jù)通風(fēng)路線的長度，目前進風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)通風(fēng)路線長度分別為3 941 m、2 398 m和4 187 m，占總通風(fēng)路線的比例分別為37.44%、22.78%和39.78%，困難時期回風(fēng)區(qū)通風(fēng)路線占比較高。

在通風(fēng)容易時期向通風(fēng)困難時期過渡過程中，通風(fēng)路線由5 276 m增加到10 526 m，系統(tǒng)需風(fēng)量增加，總阻力呈平方關(guān)系增加，巷道維護量大，通風(fēng)阻力大，通風(fēng)安全管理困難。對于目前預(yù)測通風(fēng)困難時期不能滿足AQ1028-2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》的規(guī)定這一問題[7]，為確保困難時期通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，制定以下兩個方案進行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。

2.4 主要通風(fēng)機參數(shù)確定

礦井的自然風(fēng)壓值確定，夏季的自然風(fēng)壓一般情況下反對主要通風(fēng)機風(fēng)壓，hn是負值，礦井風(fēng)量減少；冬季的自然風(fēng)壓一般情況幫助主要通風(fēng)機運轉(zhuǎn)，hn是正值，礦井風(fēng)量增加[8]。

2.4.1 通風(fēng)系統(tǒng)容易時期

1) 主要通風(fēng)機風(fēng)量。因有外部漏風(fēng)，通過主要通風(fēng)機的風(fēng)量Qf1必大于礦井總風(fēng)量Q1，則：

Qf1=1.05Q

=1.05×390

=409.50 m3/s

=24 570 m3/min

式中：Qf1為主要通風(fēng)機風(fēng)量；1.05為抽出式通風(fēng)礦井的外部漏風(fēng)系數(shù)；Q為礦井總風(fēng)量，取390 m3/s.

2) 主要通風(fēng)機裝置靜壓。考慮礦井自然風(fēng)壓的作用，以及考慮通風(fēng)機局部阻力損失100 Pa，則通風(fēng)容易時期主要通風(fēng)機裝置靜壓(相當(dāng)于通風(fēng)機的全壓)為：

h1=hr-hn+△h

=2 768+55+100

=2 923 Pa

式中：h1為通風(fēng)機裝置靜壓；hr為風(fēng)機負壓；hn為礦井自然風(fēng)壓；△h為局部阻力損失。

2.4.2 通風(fēng)系統(tǒng)困難時期

因有外部漏風(fēng)，通過主要通風(fēng)機的風(fēng)量Qf2必大于礦井總風(fēng)量Q2。則：

Qf2=1.05Q

=1.05×580

=609.00 m3/s

=36 540 m3/min

式中：Qf2為主要通風(fēng)機風(fēng)量；1.05為抽出式通風(fēng)礦井的外部漏風(fēng)系數(shù)；Q為礦井總風(fēng)量，取580 m3/s.

2) 主要通風(fēng)機裝置靜壓?？紤]礦井自然風(fēng)壓的作用，以及考慮通風(fēng)機局部阻力損失100 Pa，則通風(fēng)容易時期主要通風(fēng)機裝置靜壓(相當(dāng)于通風(fēng)機的全壓)為：

h1=hr-hn+△h

=4 382+55+100

=4 483 Pa

2.4.3 確定通風(fēng)機裝置靜壓

通風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓根據(jù)上面論證確定，電機功率輸入功率等參數(shù)見表2.

所選風(fēng)機需滿足表2主要參數(shù)值要求，通風(fēng)主要參數(shù)是指風(fēng)量、風(fēng)壓，相應(yīng)的電機能滿足風(fēng)機需要即可，電機功率按照正常使用進行計算得出。實際使用中如果風(fēng)機效率偏低，則電機功率選擇要偏大。

表2 預(yù)選主要通風(fēng)機特征值

2.5 優(yōu)化措施

1) 降低工作面設(shè)計需風(fēng)量。根據(jù)AQ1024-2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的規(guī)定：回采工作面絕對瓦斯涌出量在大于100 m3/min時，工作面的瓦斯抽采率不應(yīng)小于70%.目前，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為138.0 m3/min，按照80%抽采率進行瓦斯抽采。經(jīng)計算，抽采后采煤工作面風(fēng)排瓦斯涌出量為27.6 m3/min.按照83%抽采率進行瓦斯抽采，抽采后采煤工作面風(fēng)排瓦斯涌出量預(yù)計為23.46 m3/min，按采煤工作面瓦斯涌出量設(shè)計需風(fēng)量為3 285 m3/min，經(jīng)風(fēng)速驗算后符合要求。同時，設(shè)計備用工作面需風(fēng)量為1 900 m3/min，其他需風(fēng)地點設(shè)計風(fēng)量保持不變。

方案模擬結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計采煤工作面需風(fēng)量為3 209 m3/min，備用工作面為1 900 m3/min時，總阻力為3 896 Pa，相較前文設(shè)計降低了432 Pa，后續(xù)需要加強工作面沿空留巷的維護。該方案可行，能夠滿足AQ1028-2006《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》的規(guī)定，調(diào)試后采煤工作面仿真風(fēng)量見圖3.

圖3 新施工并聯(lián)回風(fēng)大巷(m3/min)

2) 新施工一條并聯(lián)回風(fēng)大巷。在西翼回風(fēng)大巷1的北側(cè)新施工1條并聯(lián)回風(fēng)大巷，長度為3 069 m，斷面積為24.8 m2.具體位置與仿真結(jié)果如4所示。

方案模擬結(jié)果表明，新施工并聯(lián)回風(fēng)大巷擔(dān)負N4307采煤工作面回風(fēng)任務(wù)，仿真風(fēng)量為6 492 m3/min，此時通風(fēng)困難時期總阻力為3 886 Pa，降阻能力低于方案一。但是一般來說，按掘進費用1萬元/m計算，實施方案二將花費較高開拓巷道費用。該方案理論可行，但經(jīng)濟費用較高。

因此，選擇方案一對通風(fēng)困難時期進行降阻，方案實施后總阻力為3 896 Pa，鮑店回風(fēng)立井總回風(fēng)量為33 600 m3/min.

3 結(jié) 語

本文以古城煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，通過對古城煤礦通風(fēng)容易時期、困難時期系統(tǒng)進行預(yù)測分析，得出的主要研究結(jié)論如下：

1) 鮑店進、回風(fēng)井投運后，經(jīng)過通風(fēng)容易時期與通風(fēng)困難時期系統(tǒng)預(yù)測，仿真系統(tǒng)預(yù)測總阻力分別為2 786 Pa和4 328 Pa，其中通風(fēng)困難時期阻力超過規(guī)定范圍，需要加強工作面沿空留巷的維護，增加盤區(qū)回風(fēng)巷道，根據(jù)生產(chǎn)銜接，保證鮑店風(fēng)井能夠滿足生產(chǎn)要求。

2) 成功地建立古城煤礦礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，使古城煤礦礦井通風(fēng)管理更具有科學(xué)性、可靠性。

圖4 新施工并聯(lián)回風(fēng)大巷(m3/min)