古城煤礦“H”型通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

李斌

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100）

0 引言

古城煤礦隨著礦井生產(chǎn)不斷延伸、規(guī)模不斷的擴(kuò)大，通風(fēng)系統(tǒng)日趨復(fù)雜[1-3]，特別是工作面系統(tǒng)目前總風(fēng)量占比比較大，礦井總負(fù)壓大。隨著生產(chǎn)推移，后期通風(fēng)將更加困難。目前古城煤礦井下通風(fēng)構(gòu)筑物巷道共有159處，壓差超過(guò)1 000 Pa的風(fēng)門(mén)占29%，約1/3，風(fēng)門(mén)壓差超過(guò)2 000 Pa的有4處，風(fēng)門(mén)壓差1 500～2 000 Pa之間的有17處，高負(fù)壓帶來(lái)高風(fēng)險(xiǎn)和潛在的不安全因素。因此需要在復(fù)雜風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降阻增效，特別是阻力占比較大的工作面通風(fēng)系統(tǒng)更需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖耍瑢?duì)于目前的中央風(fēng)井、桃園風(fēng)井聯(lián)合通風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)一分析論證，保證各回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力與相應(yīng)負(fù)擔(dān)的回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配。

因此，針對(duì)古城煤礦多風(fēng)井回風(fēng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)全礦井進(jìn)行通風(fēng)參數(shù)測(cè)試，建立古城煤礦礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)古城煤礦通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行以及便于管理的目標(biāo)。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

1.1 礦井通風(fēng)阻力測(cè)定

結(jié)合古城煤礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際情況，通過(guò)采用傾斜壓差、精密氣壓計(jì)的同步法和基點(diǎn)法混合測(cè)定方法完成了通風(fēng)參數(shù)測(cè)試，完善古城煤礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的系統(tǒng)調(diào)試，使仿真系統(tǒng)誤差滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求后，進(jìn)一步開(kāi)展通風(fēng)系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)和方案模擬等工作。

如圖1為古城煤礦通風(fēng)簡(jiǎn)圖。副立井到中央回風(fēng)井：⒈副立井；⒉聯(lián)絡(luò)巷；⒊東翼輔運(yùn)大巷；⒋進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷；⒌N1305進(jìn)風(fēng)順槽；⒍N1305工作面；⒎N1305膠帶順槽；⒏8號(hào)橫貫；⒐N1305回風(fēng)順槽；⒑回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷；⒒東翼1號(hào)回風(fēng)大巷；⒓.9號(hào)橫貫；⒔東翼2號(hào)回風(fēng)大巷；⒕中央回風(fēng)立井。

桃園進(jìn)風(fēng)立井到桃園回風(fēng)立井：⒖桃園進(jìn)風(fēng)立井；⒗回風(fēng)井底管子道；⒘南翼7號(hào)貫；⒙南翼進(jìn)風(fēng)大巷；⒚S1301輔運(yùn)順槽；⒛S1301膠帶順槽；21.S1301工作面；22.S1301回風(fēng)順槽；23.S1301回風(fēng)順槽3號(hào)貫；24.S1303回風(fēng)順槽；25.南翼2號(hào)回風(fēng)大巷；26.回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道；27.南翼總回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷；28.桃園回風(fēng)立井。

圖1 古城煤礦通風(fēng)簡(jiǎn)圖

通風(fēng)阻力為風(fēng)阻和風(fēng)量的綜合作用，表現(xiàn)為通風(fēng)系統(tǒng)能量的耗損，通風(fēng)阻力路線可以反映出三區(qū)阻力的分布情況，對(duì)礦井系統(tǒng)優(yōu)化和改造具有參考價(jià)值[4-5]。對(duì)于副立井到中央回風(fēng)立井通風(fēng)阻力路線，將節(jié)點(diǎn)1～3作為進(jìn)風(fēng)區(qū)，節(jié)點(diǎn)4～10作為用風(fēng)區(qū)，節(jié)點(diǎn)11～14作為回風(fēng)區(qū)；對(duì)于桃園進(jìn)風(fēng)立井到桃園回風(fēng)立井通風(fēng)路線，15～18作為進(jìn)風(fēng)區(qū)，19～24作為用風(fēng)區(qū)，25～28作為回風(fēng)區(qū)。

圖2 中央回風(fēng)立井沿程阻力分布

圖3 桃園回風(fēng)立井沿程阻力分布

表1 通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定誤差

如圖2、3，表1所示，中央回風(fēng)立井沿途路線進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)阻力分別為1 081、1 230 Pa和1 039 Pa，三區(qū)阻力分配比例為32∶37∶31；三區(qū)長(zhǎng)度分別為：2 418、3 595、2 632 m，等積孔為9.42 m2，為通風(fēng)容易礦井，對(duì)于盤(pán)區(qū)式開(kāi)采，用風(fēng)消耗阻力明顯偏大。桃園回風(fēng)立井沿途路線進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)、回風(fēng)區(qū)阻力分別為534、1 801、1 215 Pa，三區(qū)阻力分配比例為15∶51∶34，三區(qū)長(zhǎng)度分別為：1 410、1 409、1 382 m，等積孔為7.97 m2，為通風(fēng)容易礦井。用風(fēng)區(qū)消耗阻力所占比例明顯偏大，主要原因是用風(fēng)區(qū)段阻力偏大。

2 古城煤礦H型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析

2.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，為通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造提供技術(shù)支持。通過(guò)分析各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量來(lái)源，將古城煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。通過(guò)古城煤礦通風(fēng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，可以更直觀的看出各個(gè)風(fēng)井與各個(gè)采區(qū)的風(fēng)量供需關(guān)系，其中，將主斜井和副立井主要為N1301、N1305以及南翼用風(fēng)地點(diǎn)同時(shí)供風(fēng)；桃園進(jìn)風(fēng)井主要為S1301工作面、南翼用風(fēng)地點(diǎn)同時(shí)供風(fēng)。通過(guò)明確各個(gè)風(fēng)井與各個(gè)采區(qū)的風(fēng)量供需關(guān)系，將整個(gè)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化可以得到如圖4的近H型結(jié)構(gòu)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖介紹如下：V1為中央風(fēng)井進(jìn)風(fēng)點(diǎn)；V2為桃園風(fēng)井進(jìn)風(fēng)點(diǎn)；V3為中央進(jìn)風(fēng)立井到北翼用風(fēng)地點(diǎn)與南翼用風(fēng)地點(diǎn)分風(fēng)點(diǎn)連接的節(jié)點(diǎn)；V4為連接桃園、中央供風(fēng)與南翼用風(fēng)的節(jié)點(diǎn)。e1為中央進(jìn)風(fēng)立井等效進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e2為N1305、S1301工作面等效回風(fēng)風(fēng)路；e3為中央進(jìn)風(fēng)立井向南翼采區(qū)等效進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e4為等效進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e5為桃園風(fēng)井等效回風(fēng)風(fēng)路。

通過(guò)將各風(fēng)路的等效阻力以及等效風(fēng)量可在模擬仿真圖中得到，則各等效風(fēng)路的風(fēng)阻值可以通過(guò)阻力定律公式（1）求出。

第一組，弧半徑R=140 mm 傾角φ=30°峰間距h=20 mm內(nèi)流場(chǎng)速度、溫度、壓強(qiáng)分布圖及數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

式中：Hr為各風(fēng)路的等效阻力（Pa）；Rf為各等效風(fēng)路的等效摩擦風(fēng)阻（N·s2/m8），Q2為各風(fēng)路的等效風(fēng)量（m3/s）。通過(guò)計(jì)算，得到的等效通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 等效風(fēng)路參數(shù)

對(duì)將以上等效風(fēng)路數(shù)據(jù)錄入所建立模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試得到“H型”形仿真模擬圖4。

圖4 簡(jiǎn)易通風(fēng)系統(tǒng)

2.2 回風(fēng)井風(fēng)量變化對(duì)礦井等效風(fēng)阻的影響分析

圖5 簡(jiǎn)易通風(fēng)系統(tǒng)

礦井通風(fēng)等效風(fēng)阻是在評(píng)價(jià)整個(gè)礦井通風(fēng)難易程度的重要指標(biāo)，等效風(fēng)阻越低，在風(fēng)量不變的情況下阻力越低，能量消耗越少，反之阻力越大，能量消耗越大[6-7]。但是，回風(fēng)井回風(fēng)量的變化將會(huì)使得礦井的等效風(fēng)阻發(fā)生變化。

如圖5為簡(jiǎn)易通風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)分支e0、分支e1、分支e2的摩擦風(fēng)阻分別為R0、R1、R2，風(fēng)量分別為Q0、Q1、Q2根據(jù)通風(fēng)三大定律得式。

因此回風(fēng)井e1和回風(fēng)井e2對(duì)應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)式：

此外全礦的通風(fēng)阻力見(jiàn)式：

因此全礦井的等效風(fēng)阻見(jiàn)式：

若回風(fēng)井e1回風(fēng)量發(fā)生變化，則回風(fēng)井e2回風(fēng)量必然發(fā)生變化，記回風(fēng)井e1回風(fēng)量變化ΔQ1，回風(fēng)井e2回風(fēng)量變化ΔQ2，則變化后的見(jiàn)式：

變化后的回風(fēng)井1和回風(fēng)井2對(duì)應(yīng)的礦井等效風(fēng)阻見(jiàn)式：

為了研究方便，本文在研究古城煤礦“H”型通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)井回風(fēng)量如何影響礦井通風(fēng)等效風(fēng)阻之時(shí)，使其中一個(gè)風(fēng)井的回風(fēng)量發(fā)生變化，另一風(fēng)井的回風(fēng)量不變?，F(xiàn)對(duì)2個(gè)風(fēng)井回風(fēng)量變化對(duì)礦井通風(fēng)等效風(fēng)阻的影響進(jìn)行分析。

圖6 中央回風(fēng)井回風(fēng)量變化對(duì)等效風(fēng)阻的影響

1）中央回風(fēng)立井回風(fēng)量變化對(duì)礦井等效風(fēng)阻影響分析。

如圖6所示為中央回風(fēng)井回風(fēng)量變化對(duì)等效風(fēng)阻的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，各個(gè)采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)，中央風(fēng)井回風(fēng)量為439.42 m3/s，下面研究當(dāng)中央風(fēng)井回風(fēng)量變化時(shí)，各回風(fēng)井通風(fēng)阻力以及各回風(fēng)井礦井等效風(fēng)阻是如何變化的，選擇風(fēng)量變化的范圍為350 m3/s到560 m3/s。

當(dāng)中央回風(fēng)井回風(fēng)量增加時(shí)，中央等效風(fēng)阻逐漸減小，桃園等效風(fēng)阻逐漸增大，根據(jù)曲線的角度變化可以看出中央回風(fēng)井回風(fēng)量的變化對(duì)桃園等效風(fēng)阻的影響較小。

2）桃園回風(fēng)井回風(fēng)量變化對(duì)礦井等效風(fēng)阻影響分析。

如圖7所示為桃園回風(fēng)井風(fēng)量變化對(duì)等效風(fēng)阻的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，各個(gè)采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)，桃園風(fēng)井回風(fēng)量為397.47 m3/s，下面研究當(dāng)桃園回風(fēng)量變化時(shí)，各回風(fēng)井通風(fēng)阻力以及各回風(fēng)井礦井等效風(fēng)阻是如何變化的，本論文選擇風(fēng)量變化的范圍為240～450 m3/s。

圖7 桃園回風(fēng)井回風(fēng)量變化對(duì)等效風(fēng)阻的影響

當(dāng)桃園回風(fēng)井回風(fēng)量增加時(shí)，桃園等效風(fēng)阻逐漸減小，中央等效風(fēng)阻逐漸增大，根據(jù)曲線的角度變化可以看出桃園回風(fēng)井回風(fēng)量的變化對(duì)中央等效風(fēng)阻的影響較小。

3 基于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造試驗(yàn)

根據(jù)古城煤礦采區(qū)銜接計(jì)劃，S1301工作面即將開(kāi)采完畢，2022年開(kāi)采S1303工作面，為了使得S1301順利過(guò)渡到S1303，保證通風(fēng)系統(tǒng)地點(diǎn)用風(fēng)可靠，利用古城煤礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)對(duì)工作面順利過(guò)渡進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

3.1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整布置

目前S1301工作面風(fēng)量為4 045 m3/min，S1303工作面風(fēng)量為1 658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷為264 m3/min，屆時(shí)S1303工作面開(kāi)采時(shí)，由于古城煤礦屬于高瓦斯礦井，需風(fēng)量將達(dá)到5 000 m3/min左右，因此，在目前通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)滿足S1303開(kāi)采時(shí)需風(fēng)量。

在S1301輔助運(yùn)輸順槽、S1301膠帶運(yùn)輸順槽新加2處風(fēng)門(mén)，S1301瓦斯高抽巷和S1301回風(fēng)順槽之間回撤面進(jìn)行控風(fēng)，在S1301輔助進(jìn)風(fēng)順槽與S1303回風(fēng)順槽之間增加一道風(fēng)門(mén)，拆除一道風(fēng)門(mén)，在S1303回風(fēng)順槽拆除一處風(fēng)門(mén)，新建一道風(fēng)門(mén)；在S1303膠帶順槽與S1303輔運(yùn)順槽之間拆除4處風(fēng)門(mén)，在S1303膠帶順槽上拆除一道風(fēng)門(mén)，具體位置如圖8、圖9所示。

圖8 S1303工作面投入生產(chǎn)前

圖9 S1303工作面投入生產(chǎn)后

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整布置，進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)方案能夠滿足S1303工作面正常生產(chǎn)用風(fēng)要求，巷道風(fēng)流穩(wěn)定，風(fēng)速均達(dá)到礦井規(guī)定的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)。S1303工作面投入生產(chǎn)前后巷道風(fēng)量仿真模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 等效風(fēng)路參數(shù)

基于古城通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，分析得出S1303工作面投入生產(chǎn)使用前后桃園回風(fēng)井風(fēng)量及阻力情況，S1303工作面投入生產(chǎn)前，桃園進(jìn)風(fēng)立井到桃園回風(fēng)立井最大阻力通路阻力值為3 503 Pa，風(fēng)量為23 816 m3/min；S1303工作面投入生產(chǎn)后，桃園進(jìn)風(fēng)立井到桃園回風(fēng)立井最大阻力通路阻力值為3 355 Pa，風(fēng)量為2 4551 m3/min，負(fù)壓降低148 Pa，風(fēng)量升高735 m3/min。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)方案能夠滿足S1303工作面正常生產(chǎn)用風(fēng)要求，巷道風(fēng)流穩(wěn)定，風(fēng)速均達(dá)到礦井規(guī)定的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本文基于古城煤礦現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)以及對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的普查中獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用古城煤礦通風(fēng)管理信息系統(tǒng)模擬仿真，對(duì)古城煤礦“H”形通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。

1）中央回風(fēng)立井回風(fēng)量為458.01 m3·s-1，礦井等積孔9.42 m2；桃園回風(fēng)立井回風(fēng)量399.26 m3·s-1，礦井等積孔7.97 m2；礦井均為通風(fēng)容易礦井。通風(fēng)三區(qū)阻力計(jì)算及分析，得出古城煤礦兩回風(fēng)井用風(fēng)區(qū)分配阻力占比均在三區(qū)阻力中最大，需針對(duì)阻力過(guò)高區(qū)段進(jìn)行降阻。

2）基于MVIS仿真軟件對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改造，S1303工作面投入生產(chǎn)后，負(fù)壓降低148 Pa，風(fēng)量升高735 m3/min，降低了通風(fēng)耗費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3）當(dāng)中央回風(fēng)井回風(fēng)量增加時(shí)，中央等效風(fēng)阻逐漸減小，桃園等效風(fēng)阻逐漸增大，根據(jù)曲線的角度變化可以看出中央回風(fēng)井回風(fēng)量的變化對(duì)桃園等效風(fēng)阻的影響較小。桃園回風(fēng)井回風(fēng)量增加時(shí)，桃園等效風(fēng)阻逐漸減小，中央等效風(fēng)阻逐漸增大，根據(jù)曲線的角度變化可以看出桃園回風(fēng)井回風(fēng)量的變化對(duì)中央等效風(fēng)阻的影響較小。