莒山礦通風(fēng)阻力測定及優(yōu)化研究

崔李偉

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

0 引言

煤礦的開采過程中礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行十分重要。在礦井建井初期，通風(fēng)系統(tǒng)總體上在安全、經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下運(yùn)行[1-2]。隨著礦井開采的不斷進(jìn)行，煤礦井下通風(fēng)線路由于巷道變動及斷面變化、通風(fēng)面積發(fā)生變化，礦井整體通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況會逐漸變差。礦井通風(fēng)系統(tǒng)不能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行后，會對礦井的供風(fēng)能力造成一定影響，同時主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率也會大幅度降低，整體上提高了煤礦的運(yùn)行成本[3-5]。我國煤礦中《規(guī)程》明確規(guī)定：新建立的礦井投產(chǎn)前必須進(jìn)行1次礦井通風(fēng)阻力測定，以后每間隔3年至少進(jìn)行1次。同時礦井系統(tǒng)做出重大改變時，如轉(zhuǎn)入新水平生產(chǎn)或改變一翼通風(fēng)系統(tǒng)后，也需要重新進(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測定[6-8]。

通過全礦井通風(fēng)阻力的測定，能夠達(dá)到以下目的[9-11]：

1）可以提供緊密結(jié)合礦井實(shí)際情況的井巷通風(fēng)阻力系數(shù)及通風(fēng)阻力值，使全礦井通風(fēng)設(shè)計與計算更加切合實(shí)際。

2）精確了解通風(fēng)系統(tǒng)中各個分段阻力分布情況，及時發(fā)現(xiàn)通風(fēng)阻力較大的區(qū)段和地點(diǎn)。

3）能夠?yàn)榈V井通風(fēng)自動化及礦井的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和改造提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)等。

1 礦井概況

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司井田位于晉城市東北部約18 km處，澤州縣巴公鎮(zhèn)三家店村附近，井田大部劃屬巴公鎮(zhèn)管轄，井田東北部跨入高平市河西鎮(zhèn)轄區(qū)。

本區(qū)屬系黃河流域-沁河水系丹河支流，其水量受季節(jié)性影響較大，總的流向自西北至東南，河床平緩，雨季沿沖溝多有泉水溢出流入丹河支流一般流量250 m3/s。

3號煤層采用中央分列式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法?；仫L(fēng)井口安裝有2臺FBCDZ-6-NO22型軸流式通風(fēng)機(jī)總回風(fēng)量5 441 m3/min，礦井負(fù)壓為3 210 Pa。

礦井下組煤采用中央分列式通風(fēng)方式?；仫L(fēng)立井井口安裝有2臺FBCDZ-8-NO.23型軸流式通風(fēng)機(jī)，總回風(fēng)量3 833 m3/min礦井負(fù)壓為300 Pa。

2 通風(fēng)阻力測定

2.1 測定路線的確定

根據(jù)莒山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的具體情況及項(xiàng)目研究需要，針對礦井2個回風(fēng)井擔(dān)負(fù)的系統(tǒng)選擇了2條主測路線、4條輔測路線及其他主要巷道線路，主要測定路線為：

1）主測路線1（3號煤風(fēng)井擔(dān)負(fù)系統(tǒng)）：3號煤主斜井→運(yùn)輸大巷→F109聯(lián)絡(luò)巷→一采區(qū)運(yùn)輸巷→F1101開拓探巷→一采區(qū)運(yùn)輸巷→北翼運(yùn)輸巷→1161巷→116備用面→1162聯(lián)絡(luò)巷→北翼回風(fēng)巷→一采區(qū)回風(fēng)巷→復(fù)一回風(fēng)→復(fù)采聯(lián)絡(luò)巷→1號總回風(fēng)巷→1、2號總回風(fēng)巷→總回風(fēng)巷→3號回風(fēng)立井。

2）主測路線2（下組煤風(fēng)井擔(dān)負(fù)系統(tǒng)）：9號煤副斜井→9號煤甩車場→9號煤軌道大巷→2號聯(lián)絡(luò)巷→9201切眼→9201回風(fēng)順槽→9號煤回風(fēng)大巷）→回風(fēng)立井。

2.2 測定方法與儀器儀表

本次通風(fēng)阻力測定采用基點(diǎn)法，利用一臺精密氣壓計放在井口地面處，另外一臺同型號的精密氣壓計在井下確定的測定路線上風(fēng)路中的測點(diǎn)進(jìn)行測定靜壓的方法，需要測定各個溫度和濕度、測點(diǎn)風(fēng)速，依次序測完系統(tǒng)內(nèi)選定的線路，記錄數(shù)據(jù)，出井后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

該方法測定所用的儀器儀表有：DHM-2型通風(fēng)干濕表3臺，BJ-1型精密氣壓計3臺，風(fēng)表4塊，秒表2塊，皮尺2個。

2.3 結(jié)果分析

礦井通風(fēng)阻力結(jié)果沿程分布狀況如圖1、2所示。礦井三段（進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段）通風(fēng)阻力的百分比情況見表1。

圖1 莒山煤礦通風(fēng)阻力沿程分布狀況圖（3號煤風(fēng)井擔(dān)負(fù)系統(tǒng)）

圖2 莒山煤礦通風(fēng)阻力沿程分布狀況圖（下組煤風(fēng)井擔(dān)負(fù)系統(tǒng)）

表1 礦井通風(fēng)三段阻力分布情況

從圖1、2和表1可看出莒山煤礦3號煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力為3 197.1 Pa，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段的阻力占比分別為：20.5 %、13.5 %、66.0 %。整體上回風(fēng)段通風(fēng)阻力所占比例偏高，主要是由于回風(fēng)路線長且斷面較小所致；下組煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力為301 Pa，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段的阻力占比分別為：12.8 %、58.4 %、28.8 %?？傮w上三段通風(fēng)阻力分布合理。

3號煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)通風(fēng)阻力偏高，其主要原因是系統(tǒng)通風(fēng)路線較長，巷道為老巷道斷面普遍較小，其中一采區(qū)運(yùn)輸巷、一采區(qū)回風(fēng)巷、復(fù)一回風(fēng)巷1號總回風(fēng)巷、1、2號總回風(fēng)巷、行人巷、二采區(qū)輔助回風(fēng)巷為高阻力段。

3 莒山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

3.1 莒山煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造的必要性

莒山煤礦目前主采煤層為3、9號煤層，3號煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)負(fù)壓較高、風(fēng)量緊張、漏風(fēng)嚴(yán)重，根據(jù)礦方采掘部署，后期3號煤通風(fēng)路線更長，預(yù)計風(fēng)量更緊張，急需進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造。

3.2 莒山煤礦測定數(shù)據(jù)驗(yàn)證

依據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)繪制出通風(fēng)網(wǎng)路圖，根據(jù)2021年9月礦井通風(fēng)阻力測定結(jié)果，構(gòu)建現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、各分支風(fēng)阻值和目前運(yùn)行主要通風(fēng)機(jī)的特性曲線，實(shí)際測定風(fēng)量與通過網(wǎng)絡(luò)解算得到的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的風(fēng)量與對比見表2。

表2 莒山煤礦主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況表

由表2可以看出，兩者整體吻合度較高，解算結(jié)果的相對誤差均小于7 %，從而表明：通風(fēng)網(wǎng)路中各分支的風(fēng)阻值的測算結(jié)果是可靠的，能夠滿足網(wǎng)路分析的要求，可作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、改造和管理的依據(jù)。

3.3 莒山煤礦3號煤通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)分析及優(yōu)化改造方案提出

3號煤層采用中央分列式通風(fēng)方式，布置有副斜井、主斜井及回風(fēng)立井3個井筒，其中主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)?；仫L(fēng)立井安裝FBCDZ-6-NO22型軸流式通風(fēng)機(jī)1臺，總進(jìn)風(fēng)量4 188 m3/min，總回風(fēng)量5 441 m3/min，礦井負(fù)壓為3 210 Pa。3號煤層布置一、二 共2個采區(qū)，其中二采區(qū)通風(fēng)路線相對較短，供風(fēng)相對容易，而一采區(qū)通風(fēng)路線大折返距離較遠(yuǎn)（4 593.9 m），巷道斷面小風(fēng)阻大，導(dǎo)致通風(fēng)阻力大、風(fēng)量緊張，此外漏風(fēng)較大也是風(fēng)量緊張的原因之一，后期采區(qū)末端還要布置采掘頭面，屆時風(fēng)量更加緊張。因此，3號煤通風(fēng)系統(tǒng)需要優(yōu)化改造。

從3號系統(tǒng)通風(fēng)阻力分布可知，回風(fēng)段路線較長（2 461 m），占總路線長的53.6 %，阻力較大（2 110 Pa），占總阻力的66 %，故系統(tǒng)降阻的重點(diǎn)在回風(fēng)段，綜合考慮到系統(tǒng)漏風(fēng)的影響，提出以下2個系統(tǒng)優(yōu)化改造方案：

方案一：在一采區(qū)末端做一條專用回風(fēng)巷至1號總回風(fēng)巷，斷面13 m2，長約1 160 m，見圖4。

圖4 一采區(qū)新專回示意圖

方案二：在3號煤總回風(fēng)巷高阻力段巷道進(jìn)行刷巷降阻。

3.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案實(shí)施效果

方案一：可以降低一采區(qū)回風(fēng)巷至1號總回風(fēng)巷的阻力，該段累計通風(fēng)阻力為770 Pa左右，方案一實(shí)施難度較大，新作一采區(qū)專用回風(fēng)巷周圍均為采空區(qū)，巷道掘進(jìn)及維護(hù)非常困難，且工程量大。方案二考慮到一采區(qū)和二采區(qū)為兩大并聯(lián)路線，建議在1號總回風(fēng)巷實(shí)施刷巷降阻，該段累計通風(fēng)阻力為992 Pa，斷面刷大至9.75 m2。

方案二：根據(jù)建立的通風(fēng)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合目前采掘部署，3號副斜井和9號主斜井之間管子道聯(lián)絡(luò)巷貫通（控制風(fēng)量300 m3/min），一采區(qū)117工作面已回采結(jié)束封閉，二采區(qū)新增F2052巷掘進(jìn)面，建立的當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，掘進(jìn)工作面按需風(fēng)量固定風(fēng)量。方案二實(shí)施后，刷巷巷道風(fēng)阻情況見表3所示。結(jié)合方案二實(shí)施后各巷道風(fēng)阻值，更新當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，掘進(jìn)工作面按需風(fēng)量進(jìn)行掛網(wǎng)固定風(fēng)量，解算方案二實(shí)施實(shí)施后各個風(fēng)機(jī)工況見表4所示。

表3 刷巷后巷道風(fēng)阻情況

表4 莒山煤礦主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況表

由解算結(jié)果可以看出，方案二實(shí)施后可將3號風(fēng)井風(fēng)機(jī)負(fù)壓降低至2 696 Pa，一采區(qū)風(fēng)量也有所增加。

4 結(jié)論

1）莒山煤礦3號煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力為3 197.1 Pa，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段的阻力占比分別為：20.5 %、13.5 %、66 %。整體上回風(fēng)段通風(fēng)阻力所占比例偏高，主要是由于回風(fēng)路線長且斷面較小所致；下組煤風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力為301 Pa，進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段的阻力占比分別為：12.8 %、58.4%、28.8%?？傮w上三段通風(fēng)阻力分布合理。建議礦方及時對關(guān)鍵高阻力段刷巷降阻，對漏風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)行噴漿封堵。

2）針對3號煤系統(tǒng)阻力大的問題提出了2個系統(tǒng)優(yōu)化改造方案：①在一采區(qū)末端做一條專用回風(fēng)巷至1號總回風(fēng)巷，斷面13 m2，長約1 160 m；②在3號煤總回風(fēng)巷高阻力段巷道進(jìn)行刷巷降阻。分析后建議采用方案二，方案二實(shí)施后可將3號風(fēng)井風(fēng)機(jī)負(fù)壓降低至2 696 Pa，一采區(qū)風(fēng)量也有所增加。