衰老礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化改造及實驗研究

常映輝

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030051）

引言

通風系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標準規(guī)定，要求煤礦必須有一套獨立完整的通風系統(tǒng)，其對于整個煤礦的運行狀態(tài)和安全狀態(tài)具有重要意義。對于一個礦井而言，隨著工作面的不斷深入，開采強度的不斷增加，導(dǎo)致現(xiàn)場通風結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，涉及的通風設(shè)備增多，通風距離增長，原通風系統(tǒng)無法滿足實際生產(chǎn)的需求，主要表現(xiàn)為通風阻力增大、風量不足等問題。因此，根據(jù)實際生產(chǎn)需求對通風系統(tǒng)的優(yōu)化改造，對于安全、高效生產(chǎn)是十分有必要的[1-6]。

1 衰老礦井概況

對于煤礦生產(chǎn)而言，隨著生產(chǎn)的進行，煤礦共經(jīng)歷建設(shè)期、投產(chǎn)期、達產(chǎn)期、穩(wěn)產(chǎn)期以及衰老期。尤其是在煤礦的衰老期，在長時間的開采下，工作面的開采深度不斷增加，所布置的綜采設(shè)備也不斷增加；同時，在多年的生產(chǎn)下原先設(shè)計的通風裝置工作效率降低。在上述綜合因素的作用下，導(dǎo)致衰老期礦井在通風系統(tǒng)方面存在風量不足、風阻增大等問題，嚴重威脅著工作面的安全生產(chǎn)。

對于衰老煤礦的判定，只需要依據(jù)該煤礦煤炭的可采的儲量以及可服務(wù)的時限即可，當其中一項滿足要求時即可判定為衰老礦井。其中，當煤礦的剩余可開采儲量小于其儲量的20%時，判定煤礦進入衰老期；對于年產(chǎn)量在120 萬t 的煤礦而言，其衰老期一般在9 年以后；而對于年產(chǎn)量在45 萬～120 萬t 的煤礦而言，其衰老期一般在6～10 年之間；對于年產(chǎn)量在45 萬t 以下的煤礦而言，其衰老期一般在5 年左右[7-10]。結(jié)合當前我國煤炭的開采能力，可將判定煤礦是否進入衰老期的標準總結(jié)如表1 所示。

表1 判定煤礦是否進入衰老期的標準

本文所研究煤礦設(shè)計的開采能力為1.5 Mt/年，屬于大型煤礦，該煤礦煤炭的總共儲量為99.365 Mt，在多年的開采下目前可開采的煤炭儲量僅為39.872 Mt。結(jié)合該煤礦當前的生產(chǎn)能力和剩余可開采煤炭的儲量，可服務(wù)年限小于10 年。因此，可以判定該煤礦已經(jīng)進入衰老階段。

2 通風系統(tǒng)優(yōu)化改造及模擬

本節(jié)根據(jù)煤礦的通風現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的通風優(yōu)化改造方案，并采用數(shù)值模擬手段對通風優(yōu)化改造方案的效果進行初步評估。

2.1 煤礦通風現(xiàn)狀分析

經(jīng)對煤礦當前通風現(xiàn)狀進行分析，得知該煤礦目前處于通風困難時期，其所面臨的的通風問題如下：

1）該煤礦回風巷道的斷面面積較小，導(dǎo)致煤礦的通風阻力較大。煤礦通風阻力現(xiàn)狀如表2 所示。由表2 可知，當前礦井的通風總阻力達到2511.7 Pa，該項指標遠大于《煤礦井工開采通風技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，各個風段的風阻分配不合理。

表2 煤礦通風阻力現(xiàn)狀

2）經(jīng)對現(xiàn)場關(guān)鍵用風地點的風量進行測定，發(fā)現(xiàn)存在風量不足的情況，而且已經(jīng)對現(xiàn)場的生產(chǎn)造成影響；

3）在煤礦東風井和西風井出現(xiàn)較為嚴重的漏風現(xiàn)象。

2.2 煤礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

針對煤礦當前在實際生產(chǎn)中所面臨的通風問題，擬采取如下優(yōu)化改造方案對其通風系統(tǒng)進行改造。具體如下：

總體思路：將煤礦的回風巷道拓寬，煤礦原東風井和西風井進行密閉操作處理，并將原工作面的皮帶斜井作為其回風井。

具體操作方案：將煤礦工作面380 總回風的公共區(qū)域以及工作面第四采區(qū)的總回風巷進行拓寬操作；將煤礦原東風井和西風井密閉，并將工作面的主斜井和副斜井改造為進風井，將皮帶運輸巷斜井改造為回風井。即擬改造后采用兩進一回的通風方式?；仫L巷道拓寬前后對比如表3 所示。同時，為該煤礦重新選配通風機，具體配套通風機的型號為BDK-60No20，采用一用一備的原則進行布置。

表3 回風巷道拓寬前后尺寸對比

2.3 優(yōu)化后煤礦通風系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析

本文采用ANSYS 軟件對優(yōu)化煤礦通風系統(tǒng)的效果進行初步評估。

2.3.1 仿真模型的建立

為保證所構(gòu)建的仿真模型能夠真實反映通風系統(tǒng)的能力，同時兼顧仿真計算量。在建模過程中需按照如下原則進行假設(shè)：

1）對現(xiàn)場工作面中已經(jīng)堵塞、廢棄且風速過小的巷道進行忽略；

2）將現(xiàn)場工作面的巷道均視為矩形斷面形狀，而對于豎井視為圓形斷面形狀。

根據(jù)煤礦工作面的實際情況以及優(yōu)化改造后各斷面的尺寸，基于ANSYS 軟件所構(gòu)建的仿真模型如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化改造后的通風系統(tǒng)數(shù)值模擬仿真模型

對圖1 中所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真模型設(shè)置其邊界條件，包括對空氣密度、動力黏度系數(shù)以及溫度等參數(shù)的設(shè)定；包括各個巷道的邊界類型、風量分配、湍流強度以及摩擦阻力系數(shù)進行設(shè)定。

2.3.2 數(shù)值模擬仿真結(jié)果分析

對煤礦通風系統(tǒng)改造后的風量進行測定，并與實際分配的理論風量對比，驗證優(yōu)化改造的效果。數(shù)值模擬仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 通風系統(tǒng)優(yōu)化改造效果驗證

由表4 可知，現(xiàn)場采用設(shè)計的方案對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造后，各用風點的風量均大于相應(yīng)位置的設(shè)計風量，即說明本次優(yōu)化改造方案可解決工作面風量不足的問題。

同時，對通風系統(tǒng)改造后，工作面總的通風阻力僅為1 940 Pa，滿足《煤礦井工開采通風技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，礦井的等積孔為2.074 m2，對應(yīng)的通風等級屬于容易。說明，本次優(yōu)化改造合理。

3 結(jié)論

通風系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)中不可或缺的分系統(tǒng)，其對于保證綜采工作面的瓦斯、煤塵等濃度滿足《煤炭安全規(guī)程》的標準要求非常重要。尤其是對于衰老礦井而言，由于其在多年生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通風系統(tǒng)主要面臨阻力增大、風量不足等問題，嚴重威脅著工作面生產(chǎn)的安全性。以衰老礦井為例提出優(yōu)化改造方案，并對效果進行驗證，總結(jié)如下：

1）針對風量不足和阻力增大的問題，可通過擴大回風巷道斷面面積并重新配套通風機解決；

2）對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造后，各用風點的風量大于其實際需風量；同時，工作面總通風阻力為1 940 Pa，滿足《煤礦井工開采通風技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求；

3）改造后的礦井通風等級屬于容易。