礦井“H”型通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化研究

＊張浩偉

（山西焦煤西山煤電馬蘭煤礦 山西 030200）

1.礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

(1)礦井通風(fēng)阻力測定

在全面了解該礦的實(shí)際情況，并進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究后，通過采用傾斜壓差、精密氣壓計(jì)的同步法和基點(diǎn)法混合測定方法全面地對通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了檢測，并根據(jù)效果進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)過多輪的參數(shù)優(yōu)化，使得仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差在一定的范圍內(nèi)，然后再進(jìn)行系統(tǒng)的評價(jià)。

圖1為該礦通風(fēng)簡圖。風(fēng)阻是指風(fēng)阻與風(fēng)量的復(fù)合效應(yīng)，體現(xiàn)在通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗上，風(fēng)阻路徑能夠體現(xiàn)三個(gè)區(qū)域之間的阻力分布，對于礦山的優(yōu)化與改造有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 該礦通風(fēng)簡圖

由圖2、圖3及表1可知，在中心回風(fēng)豎井線上，入風(fēng)區(qū)為1081Pa，用風(fēng)區(qū)為1230Pa，回風(fēng)區(qū)為1039Pa，三區(qū)所占的比例為32:37:31；三個(gè)區(qū)域的長為2418m、3595m、2632m，等體積的孔徑為9.42m2，屬于易通風(fēng)的礦區(qū)，在盤區(qū)型的情況下，風(fēng)耗和阻力都比較大。桃園回風(fēng)豎井沿線，其進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)的風(fēng)阻為534Pa、1801Pa和1215Pa，三區(qū)的風(fēng)阻分布比為15:51:34，三區(qū)的總長度為1410m、149m和188m，等體積的孔徑為7.97m2，屬于一種易通風(fēng)的礦山。由于在用風(fēng)區(qū)的部分存在較大的阻力，其所占的比重較大。

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)測定誤差

2.煤礦H型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析

（1）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)地分析了相應(yīng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，為該通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和改進(jìn)提供了技術(shù)支撐。在對不同用風(fēng)點(diǎn)的空氣流量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)做了簡單的設(shè)計(jì)。從本礦山的通風(fēng)結(jié)構(gòu)簡圖中，我們可以更加清晰地看到每個(gè)風(fēng)井與每個(gè)采區(qū)之間的風(fēng)量供求關(guān)系。桃園入口風(fēng)道，以51301工作面為主體，對南翼的采風(fēng)場進(jìn)行了同步送風(fēng)。在對工作面采區(qū)風(fēng)量的需求和實(shí)際供應(yīng)情況進(jìn)行分析后，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，得到了近似H形的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 簡易通風(fēng)系統(tǒng)

從該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，可知：V1是中心風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)點(diǎn)；V2是桃園風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)點(diǎn)。對其進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)V3是從中心入口豎井至北翼風(fēng)向點(diǎn)和南翼風(fēng)向點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)；V4是將桃園、中央風(fēng)場和南部風(fēng)場聯(lián)系在一起的結(jié)點(diǎn)。e1是一個(gè)相當(dāng)于中心進(jìn)氣豎井的進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e2是等效回風(fēng)風(fēng)路，即N1305和51301的等效風(fēng)路；e3為從中心進(jìn)風(fēng)豎井到南部采區(qū)的等效進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e4為等效進(jìn)風(fēng)風(fēng)路；e5是相當(dāng)于桃園風(fēng)風(fēng)路的回風(fēng)。

若能在模擬的仿真圖表中獲得每條風(fēng)路的等效阻力和等效空氣流量，那么就能由式（1）阻力定律計(jì)算出每條等效風(fēng)路的等效風(fēng)阻。

其中，Hr表示每條風(fēng)道的等效阻力，Pa；Rf是在每條等效風(fēng)路上的等效摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8；Q2是在每條風(fēng)路上的等效空氣流量，m3/s。經(jīng)分析，得出了該系統(tǒng)參數(shù)的具體數(shù)值，如表2所示。

表2 等效風(fēng)路參數(shù)

將上述等效風(fēng)路數(shù)據(jù)輸入所建的模型，并持續(xù)對模型進(jìn)行優(yōu)化處理，最終確立的模擬圖的結(jié)果如圖4所示。

（2）回風(fēng)井風(fēng)量變化對礦井等效風(fēng)阻的影響分析。為了提升研究的便捷性，在對“H”形通風(fēng)系統(tǒng)中，回風(fēng)井的回風(fēng)量對礦井等效風(fēng)阻的影響進(jìn)行研究，控制其中一個(gè)風(fēng)井的風(fēng)量改變，另一個(gè)維持不變，然后對影響風(fēng)阻的因素進(jìn)行分析。

①中央回風(fēng)立井回風(fēng)量變化對礦井等效風(fēng)阻影響分析。中心回風(fēng)井口空氣流量的改變對等效空氣阻力的作用見圖5。仿真結(jié)果表明，在所有的礦井采取同時(shí)生產(chǎn)的情況下，中心風(fēng)井的回風(fēng)量達(dá)到了439.42m3/s。當(dāng)中央風(fēng)井回風(fēng)量發(fā)生改變的時(shí)候，即當(dāng)范圍在240～450m3/s之間變化時(shí)，對各回風(fēng)井通風(fēng)阻力和各回風(fēng)井礦山等效風(fēng)阻的變化情況進(jìn)行了研究。

圖5 中央回風(fēng)井回風(fēng)量變化對等效風(fēng)阻的影響

隨著中心回風(fēng)井回風(fēng)流量的增大，中心等效的阻力降低，桃園中心當(dāng)量的阻力增大。由圖的曲線改變可知，回風(fēng)流量對中心等效風(fēng)阻力的作用不大。

②桃園回風(fēng)井回風(fēng)量變化對礦井等效風(fēng)阻影響分析。桃園回風(fēng)井風(fēng)流量的改變對當(dāng)量風(fēng)阻力的影響，見圖6。通過仿真計(jì)算得出，在各礦區(qū)同步開采的情況下，桃園礦區(qū)回風(fēng)流量為397.47m3/s當(dāng)桃園礦區(qū)回風(fēng)流量發(fā)生改變時(shí)，即當(dāng)范圍在240～450m3/s之間變化時(shí)，對各回風(fēng)井風(fēng)阻和各回風(fēng)井井底等效風(fēng)阻的變化進(jìn)行分析。隨著桃園回風(fēng)井回風(fēng)流量的增大，桃園等效風(fēng)阻力降低，而中心等效風(fēng)阻力升高。由桃園回風(fēng)井回風(fēng)流量的改變，中心等效風(fēng)阻阻力降低，由圖的曲線改變可知，回風(fēng)流量對中心等效風(fēng)阻力的作用不大。

圖6 桃園回風(fēng)井回風(fēng)量變化對等效風(fēng)阻的影響

3.基于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造試驗(yàn)

（1）工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整布置?，F(xiàn)在51301工作面的風(fēng)量是4045m3/min，S1303工作面的風(fēng)量是1658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷的風(fēng)量是264m3/s，51303工作面的采煤需求是5000m3/min，所以為了滿足51303工作面的采煤需求，必須對現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。對51301副輸送順槽、51301膠帶輸送順槽增設(shè)兩個(gè)風(fēng)門，對51301瓦斯高抽巷與51301回風(fēng)槽之間的回風(fēng)門實(shí)施控制，在51301副進(jìn)風(fēng)槽與51303回風(fēng)槽之間增設(shè)一座風(fēng)門并拆除一座風(fēng)門，并在51303回風(fēng)槽拆除一座風(fēng)閘；將51303膠帶導(dǎo)軌和51303副運(yùn)導(dǎo)軌之間的4個(gè)風(fēng)門拆下，將51303膠帶導(dǎo)軌上的一個(gè)風(fēng)門拆下。

（2）仿真結(jié)果分析。完成上述通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)后，利用仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，表明該設(shè)計(jì)方案能夠有效保障52303工作面采風(fēng)需求。同時(shí)，巷道內(nèi)的風(fēng)流也比較平穩(wěn)，其速度都可以達(dá)到礦山所需要的風(fēng)速。通過對51303采場巷道風(fēng)流量的數(shù)值計(jì)算，得出了采場巷道風(fēng)流量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

表3 等效風(fēng)路參數(shù)

以礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對51303工作面投產(chǎn)前和投產(chǎn)后的桃園回風(fēng)井風(fēng)量和阻力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在51303工作面投入使用之前，桃園進(jìn)風(fēng)到桃園出風(fēng)的最大風(fēng)阻是3503Pa，空氣流量23816m3/min。51303工作面投入使用后，桃園區(qū)進(jìn)風(fēng)到桃園區(qū)出風(fēng)的最大阻力為3355Pa，風(fēng)量為24551 m3/min，負(fù)壓下降的幅度為148Pa，風(fēng)量增加的幅度為735m3/min。

仿真結(jié)果表明，在應(yīng)用該方案后，51303工作面的采風(fēng)需求能夠有效保證，并且巷道中風(fēng)流較為平穩(wěn)，其速度都在煤礦所需的范圍內(nèi)。

4.結(jié)論

根據(jù)西山煤電集團(tuán)某煤礦已有的通風(fēng)體系，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查得到的基本資料，運(yùn)用煤礦通風(fēng)MIS進(jìn)行了“H”型通風(fēng)體系的仿真，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

（1）中心風(fēng)井空氣流量為458.01m3/s，井下鉆孔的等效面積為9.42m2；桃園回風(fēng)豎井的空氣流量為399.26m3/s，井下鉆孔的等效面積為7.97m2；這些礦山都是易于通風(fēng)的礦山。對三區(qū)的風(fēng)阻進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明：三區(qū)的風(fēng)阻中，兩個(gè)回風(fēng)井的井用風(fēng)區(qū)分布的風(fēng)阻所占比重都是最大的，需要對其進(jìn)行有效的降阻處理。

（2）在MVIS模擬軟件的基礎(chǔ)上，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，在51303工作面投產(chǎn)后，其負(fù)壓下降了148Pa，風(fēng)量上升了735m3/min，從而減少了通風(fēng)消耗，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

（3）結(jié)果表明，隨著回風(fēng)流量的增大，中央的等效風(fēng)阻會(huì)慢慢變小，而桃園等效風(fēng)阻逐漸增大，按照曲線的角度變化情況，可知中央回風(fēng)井回風(fēng)量的變化幾本不會(huì)影響桃園等效風(fēng)阻，桃園回風(fēng)井回風(fēng)量的變化幾乎也不會(huì)影響中央等效風(fēng)阻。