王家?guī)X礦通風(fēng)阻力測定與優(yōu)化

畢圣昊，白廷海，李洪波，于保才

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)工程研究所，遼寧 葫蘆島 125105；2.中煤華晉集團有限公司王家?guī)X礦，山西 臨汾 041000）

0 引言

煤礦在我國能源中起著不可替代的作用[1]。我國大部分煤礦屬于井工開采，平均開采深度約600 m，未來將有更多煤礦進入深度開采階段[2]。隨著開采深度的增加，礦井內(nèi)溫度會越來越高，有毒有害氣體會越來越多，礦井需保持合理通風(fēng)，以保證井下正常工作和井工生命安全[2]。礦井通風(fēng)阻力是衡量礦井通風(fēng)性能的重要指標，其值越大表明礦井通風(fēng)越困難，礦井災(zāi)難發(fā)生的概率越大[3，4]。為此，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，新礦投產(chǎn)前需進行礦井通風(fēng)阻力測定，往后3年內(nèi)需進行至少1次通風(fēng)阻力測定。

通過對礦井通風(fēng)阻力測定與分析，發(fā)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)中存在的實際問題，并根據(jù)礦井地實際生產(chǎn)對通風(fēng)系統(tǒng)地要求，制定通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，使優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)具有技術(shù)合理、安全可靠和經(jīng)濟合理等特點。

1 礦井概況

中煤華晉集團有限公司王家?guī)X礦位于山西省鄉(xiāng)寧礦區(qū)西南部，井田位于山西省鄉(xiāng)寧縣和河津市境內(nèi)，面積約119.7 km2，地質(zhì)儲量為15.48億t，可采儲量為7.78億t，主要可采煤層為2、3、10號煤層，現(xiàn)開采煤層主要為2號煤，平均厚度為6.05 m。

根據(jù)2019年礦瓦斯涌出量測定報告，王家?guī)X礦礦井絕對瓦斯涌出量為17.98 m3/min，相對瓦斯涌出量為1.55 m3/t，屬于高瓦斯礦井。2號煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級、不易自燃，煤塵具有爆炸危險性。礦井通風(fēng)方式為中央分列式，通風(fēng)方法為機械式抽出通風(fēng)式。在碟子溝回風(fēng)斜井井口附近安裝2臺同等能力的防爆抽出式對旋軸流式通風(fēng)機，其中1臺工作、1臺備用，風(fēng)機型號為FCZ№33.5/2000，電機型號Y710-8，轉(zhuǎn)速750 r/min。全礦井采取“三進一回”的系統(tǒng)布置，進風(fēng)井為主平硐、副平硐和碟子溝進風(fēng)斜井，回風(fēng)井為碟子溝回風(fēng)斜井。

2 測定方案

2.1 測定方法

目前,國內(nèi)礦井通風(fēng)阻力主要采用的2種測定方法是壓差計和氣壓計[5]。此次測量方法選用氣壓計方法對王家?guī)X礦進行通風(fēng)阻力測定，測定設(shè)備為礦用本安型通風(fēng)多參數(shù)測定儀、激光測距儀、SSN-71大氣壓溫濕度自動記錄儀和風(fēng)速表。測量過程中將SSN-71大氣壓溫濕度自動記錄儀放在井口記錄大氣壓，測定人員攜帶其他儀器沿規(guī)劃路線依次測定各點的風(fēng)速、巷道斷面尺寸、氣壓、溫濕度、巷道斷面形狀和巷道支護形式等原始數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)可以更深入了解王家?guī)X礦通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量分配和通風(fēng)阻力分布情況，從而發(fā)現(xiàn)通風(fēng)阻力較大的區(qū)段和地點，找出通風(fēng)系統(tǒng)問題的根源，以便更經(jīng)濟、有效合理地優(yōu)化礦井的通風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 主測路線布置

為準確計算礦井通風(fēng)阻力，合理的測點布置及科學(xué)的測定路線對礦井阻力測定分析的第一步。選擇的測定路線要能夠反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)特征，包含較多的支護形式和井巷類型，主要測定路線應(yīng)包括礦井主要用風(fēng)點，使它沿主風(fēng)流方向便于測定工作順利進行，結(jié)合王家?guī)X礦巷道的具體條件和實際生產(chǎn)狀況，本次測定選擇3條測定路線，具體路線如下：

路線1：碟子溝進風(fēng)斜井→進風(fēng)煤門聯(lián)巷→2號煤中央輔運大巷→12302膠帶巷→12302工作面→12302回風(fēng)巷→2號煤中央回風(fēng)大巷→碟子溝回風(fēng)斜井。

路線2：碟子溝進風(fēng)斜井→進風(fēng)煤門聯(lián)巷→2號煤中央輔運大巷→12309膠帶巷→12309工作面→12309回風(fēng)巷→2號煤中央回風(fēng)大巷→碟子溝回風(fēng)斜井。

路線3：碟子溝進風(fēng)斜井→進風(fēng)煤門聯(lián)巷→2號煤中央輔運大巷→12313膠帶巷→12313備采工作面→12313回風(fēng)巷→2號煤中央回風(fēng)大巷→碟子溝回風(fēng)斜井。

測定路線選定后，按照通風(fēng)阻力測定的要求，結(jié)合礦井巷道布置的具體情況，測點布置在風(fēng)流穩(wěn)定、巷道斷面規(guī)整的地點，測點前、后3 m內(nèi)支護完好，巷道內(nèi)無堆積物；在風(fēng)流分風(fēng)點、匯風(fēng)點及局部阻力大的地點，測點與風(fēng)流變化點之間保持一定的距離（選在前方時不得小于巷道寬度的3倍；選在后方時不得小于巷道寬度的8倍）。設(shè)點時盡量使兩相鄰測點間的壓差不小于20 Pa，又不大于儀器的量程。測點的布置密度應(yīng)能控制住井巷主要通風(fēng)路線的阻力分布及風(fēng)量變化情況，并盡可能將測點布置在巷道內(nèi)頂板或底板標高已知的導(dǎo)線點上或其附近位置。

2.3 測定參數(shù)計算

測量工作結(jié)束后，還需進行測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理,在處理礦井通風(fēng)阻力測定數(shù)據(jù)的過程中，使用的公式較為繁多[6]。各計算公式如下：

1）井下空氣密度的計算公式如下：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；P0為測點的大氣壓力，Pa；φ為空氣相對濕度，%；Ps為測點溫度為t℃時，空氣的絕對飽和水蒸氣壓力，Pa；t為空氣溫度，℃。

2）井下風(fēng)量的計算公式如下：

式中：Vs為井巷實際風(fēng)量，m3/s;S為測風(fēng)斷面，m2；VL為井巷平均風(fēng)速，m/s，其計算公式如下：

式中：C為常數(shù)，一般取0.4;Vc為風(fēng)表測風(fēng)速，m/s;a和b為風(fēng)表校正系數(shù)。

3）通風(fēng)阻力計算公式如下：

式中：hAB為兩測點的間的通風(fēng)阻力，Pa；Δhs為兩測定間的靜壓差，Pa；Δhz為兩測點間的位壓差，Pa;hV為兩測點間的速壓差，Pa。

4）靜壓差計算公式如下：

式中：Δhs為兩測定間的靜壓差，Pa；PA、PB為兩測點上2臺儀器的同時讀數(shù)值，Pa；ΔP為2臺儀器的基準及變檔差值校正，Pa。

5）位壓差計算公式如下：

式中：Δhz為兩測點間的位壓差，Pa;ZA、ZB為兩測點的標高，m;ρA、ρB為兩測點的空氣密度，kg/m3。

6）速壓差計算公式如下：

式中：ΔhV為兩測點間的速壓差，Pa。ρA、ρB為兩測點的空氣密度，kg/m3;VA、VB為兩測點斷面上的平均風(fēng)速，m/s。

7）巷道風(fēng)阻計算公式如下：

式中：R為兩測點間的風(fēng)阻，N·S2/m8；h為兩測點間的風(fēng)阻，Pa；q為巷道通過的風(fēng)量，m3/s。

8）巷道百米標準風(fēng)阻計算公式如下：

式中：R100為巷道百米標準風(fēng)阻，N·S2/m8；R為兩測點間的風(fēng)阻，N·S2/m8；L為兩測點間的距離，m。

3 測定結(jié)果分析

3.1 礦井有效風(fēng)量率

井下人員和機器設(shè)備的正常安全生產(chǎn)需合理的礦井風(fēng)量供應(yīng)。有效風(fēng)量率作為反映礦井風(fēng)量供應(yīng)、衡量通風(fēng)技術(shù)及其管理水平的重要依據(jù)，一般而言，有效風(fēng)量率至少達到85%[7]。據(jù)表1可得，路線1、路線2和路線3的礦井有效風(fēng)量率分別為95.59%、94.52 %和94.77 %，均大于85 %，表明礦井通風(fēng)量可以保證煤礦正常安全生產(chǎn)。

表1 礦井有效風(fēng)量率

3.2 系統(tǒng)阻力分析

礦井三段（進風(fēng)段、用風(fēng)段、回風(fēng)段）通風(fēng)阻力的百分比情況是衡量通風(fēng)管理優(yōu)劣的主要標志，詳細計算結(jié)果及三區(qū)分布圖見表2、圖1。從表2、圖1可看出：3條路線進風(fēng)段阻力占總阻力的44.55 %、48.68 %、50.36 %，用風(fēng)段的阻力所占的百分比為23.22 %、19.59 %、18.94 %，回風(fēng)段的阻力占總阻力的32.19 %、32.74 %、30.65 %，三段阻力分布基本合理。從礦井百米阻力值分析，回風(fēng)段百米阻力值小于進風(fēng)段，其主要原因為近年來對井下巷道均進行了擴修和改換大斷面支護，且測定期間工作面臨近回采結(jié)束通風(fēng)距離較短，總體上看礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布基本合理。

圖1 三段分布

表2 礦井各用風(fēng)區(qū)占值比例

3.3 等積孔與風(fēng)阻分析

礦井通風(fēng)等積孔和風(fēng)阻是評判礦井通風(fēng)難易程度的重要指標[8]，其中風(fēng)阻的計算公式見公式（8），等積孔數(shù)學(xué)計算公式如下：

式中：A為等積孔;Q為礦井總回風(fēng)量;h為礦井通風(fēng)阻力，計算結(jié)果見表3。據(jù)表3可得，3條測定路線的等積孔分別為6.94、6.93、6.92 m2；3條測定路線的等積孔分別為0.029 3 N·s2/m8、0.029 4 N·s2/m8和0.025 N·s2/m8。依據(jù)《礦井通風(fēng)難易程度的分級標準》可知，3條測定路線的等積孔均大于2 m2，風(fēng)阻均小于0.35 N·s2/m8，可判定王家?guī)X礦井通風(fēng)難易程度為容易。

表3 礦井等積孔與風(fēng)阻分析

3.4 誤差分析

通風(fēng)阻力測定結(jié)果舉要進行誤差分析，誤差結(jié)果應(yīng)小于5%，通風(fēng)系統(tǒng)測定誤差計算公式如下：

式中：h為測定的礦井累計測試阻力;hfs為通風(fēng)機裝置靜壓;hv為風(fēng)硐動壓;hn為礦井自然風(fēng)壓。測定誤差結(jié)果應(yīng)小于5 %，測定誤差詳細見表4。據(jù)表4可得，3條測定路線測定誤差分別為路線1：2.07 %、路線2：2.60%、路線3：2.92 %，測定誤差全部小于5 %，說明本次通風(fēng)阻力測定結(jié)果較為精準，符合測定要求。

表4 通風(fēng)系統(tǒng)測定誤差

3.5 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

根據(jù)測定數(shù)據(jù)與結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在如下主要問題：

1）根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，礦井通風(fēng)阻力不得超過2 940 Pa，后期當(dāng)風(fēng)量超過20 000 m3/min時，不宜超過3 920 Pa，目前碟子溝回風(fēng)斜井通風(fēng)阻力高于2 750 Pa，阻力偏高。

2）碟子溝回風(fēng)斜井風(fēng)量20 524 m3/min，斷面28 m2，風(fēng)速為10.94 m/s，風(fēng)速偏大。

3）為了保證礦井持續(xù)經(jīng)營及正常生產(chǎn)，需提前保障新開采區(qū)124盤區(qū)的安全開采工作。124盤區(qū)為東翼盤區(qū)，當(dāng)124盤區(qū)投產(chǎn)后，井下形成“一井兩區(qū)兩面”模式，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2016版）第一百四十七條規(guī)定“高瓦斯礦井應(yīng)當(dāng)采用分區(qū)式通風(fēng)或者對角式通風(fēng)”，因此，需要新增回風(fēng)井筒。井田東翼124盤區(qū)移交時期，井下各用風(fēng)地點總需風(fēng)量為300 m3/s，碟子溝進風(fēng)斜井凈斷面積29.6 m2，按照風(fēng)速小于8 m/s，考慮0.9的有效斷面系數(shù)，最大進風(fēng)量為213 m2/s，現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)無法滿足通風(fēng)需要，因此，需要在井田東翼增加進、回風(fēng)井筒滿足東翼各盤區(qū)的通風(fēng)需要。

4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化改造思路

結(jié)合王家?guī)X礦通風(fēng)系統(tǒng)以及該礦實際情況，進行如下優(yōu)化：

1）根據(jù)后續(xù)開采計劃，礦井主采區(qū)將轉(zhuǎn)移至東翼，在東翼新建東翼副斜井、東翼進風(fēng)斜井、東翼回風(fēng)立井，滿足東翼盤區(qū)通風(fēng)正常需要。

其中東翼副斜井，井筒方位角32°，傾角5.5°，長度3 730 m；東翼副斜井井底聯(lián)絡(luò)巷（125盤區(qū)輔助運輸巷），長度1 890 m，與2號煤東翼輔助運輸大巷相接；東翼進風(fēng)斜井，井筒方位角32°，傾角20°，長度1 288 m；東翼回風(fēng)立井井底聯(lián)絡(luò)巷（2煤北翼回風(fēng)大巷），長度1 074 m，與2號煤東翼輔助運輸大巷相接；東翼回風(fēng)立井，井筒方位角122°，垂深485 m；東翼回風(fēng)立井井底聯(lián)絡(luò)巷（2煤北翼回風(fēng)大巷），長度2 305 m，與2號煤東翼回風(fēng)大巷相接。

2）將碟子溝回風(fēng)斜井?dāng)嗝孢m當(dāng)擴大并清理雜物，并將碟子溝風(fēng)機改為小功率風(fēng)機，從而降低風(fēng)速，滿足《煤礦安全規(guī)程》中對于回風(fēng)井風(fēng)速的要求。

4.2 優(yōu)化方案模擬

采用3DSimOpt軟件對提出的優(yōu)化方案進行模擬。3DsimOpt軟件由遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)工程研究所開發(fā)的三維通風(fēng)仿真軟件，具有解算速度快、操作簡單等優(yōu)點[9]。模擬礦井優(yōu)化方案，運行仿真系統(tǒng)觀察各個巷道風(fēng)量變化情況，詳細風(fēng)量結(jié)果見表5。由表5可得，碟子溝回風(fēng)斜井經(jīng)優(yōu)化后風(fēng)量降為9 600 m3/min。對回風(fēng)斜井道巷進行清理雜物和擴充斷面后，增加有效通風(fēng)面積，從而降低巷道風(fēng)速，也能有效降低回風(fēng)段風(fēng)阻，碟子溝回風(fēng)斜井負壓由原來的2 766 Pa，變?yōu)闉? 492.7 Pa。

表5 優(yōu)化后風(fēng)量對比表

通過在東翼新建東翼副斜井、東翼進風(fēng)斜井、東翼回風(fēng)立井，可滿足未來東翼開采正常用風(fēng)需求，優(yōu)化方案整體較為合理。

5 結(jié)論

通過對王家?guī)X礦礦井通風(fēng)阻力進行測定并優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

1）礦井三段阻力分布合理，3條測定路線的有效風(fēng)量率分別為95.59 %、94.52 %、94.77 %，表明礦井通風(fēng)狀況良好，可以進行正常安全生產(chǎn)。

2）根據(jù)對等積孔與風(fēng)阻綜合比較可得：王家?guī)X礦井屬于通風(fēng)容易型礦井。

3）3條測定路線系統(tǒng)誤差均小于5 %，在測量誤差允許范圍內(nèi)，說明測量數(shù)據(jù)具有有效性，能夠反映王家?guī)X礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況。

4）通過對礦井通風(fēng)阻力測定以及礦井后續(xù)開采計劃，分析出礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在問題并提出優(yōu)化方案。采用3DSimOpt軟件對優(yōu)化方案進行模擬，表明優(yōu)化方案可滿足礦井供風(fēng)需求，并且能夠有效降低回風(fēng)段風(fēng)阻，優(yōu)化方案較為合理。