潤(rùn)東煤業(yè)礦井氣流穩(wěn)定性與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

路瑞軍

（山西晉煤集團(tuán)陽(yáng)城晉圣潤(rùn)東煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048006）

隨著煤礦機(jī)械化程度提高和煤炭產(chǎn)量增加，礦井出現(xiàn)氣流不穩(wěn)定等安全隱患[1-3]，造成工作面溫度升高、濕度增大，危險(xiǎn)氣體及粉塵含量增加等一系列問(wèn)題。隨著工作面埋深及開采距離的增加，工作面通風(fēng)阻力增加，氣流穩(wěn)定性變差。潤(rùn)東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)僅可滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)規(guī)模需求，隨著開采深度和規(guī)模的增加，掘進(jìn)和回采工作面的通風(fēng)壓力和通風(fēng)穩(wěn)定性顯著增大。為了滿足礦井通風(fēng)需要和安全生產(chǎn)需求，對(duì)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)該礦井的可持續(xù)和高效生產(chǎn)。

1 對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)理論

礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要有中央式、對(duì)角式、分區(qū)式和混合式，潤(rùn)東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙向?qū)峭L(fēng)式。隨著煤礦產(chǎn)量的增加和采掘工作面延深，掘進(jìn)和回采工作面的新鮮空氣紊亂問(wèn)題日益嚴(yán)重，主副井氣流逆流和巷道氣流超限嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度[4-6]。對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)部有許多對(duì)角支路的復(fù)雜系統(tǒng)，如果對(duì)角之路僅有一個(gè)，該通風(fēng)被認(rèn)為簡(jiǎn)單的對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)。

圖1 為對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖。由圖1 可知，分支5 是對(duì)角線，被節(jié)點(diǎn)2 和3 包圍。分支5 的特點(diǎn)是氣流可以根據(jù)空氣的阻力風(fēng)向相互轉(zhuǎn)向，根據(jù)對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖提出了一個(gè)氣流阻力關(guān)系來(lái)分析對(duì)角線支路氣流方向的判據(jù)：

圖1 對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

當(dāng)K＞1，風(fēng)流從節(jié)點(diǎn)3 通過(guò)5 到節(jié)點(diǎn)2；當(dāng)K=1，沒(méi)有風(fēng)流通過(guò)5；當(dāng)K＜1，風(fēng)流從節(jié)點(diǎn)2 通過(guò)5 到節(jié)點(diǎn)3。

式中：K為通風(fēng)對(duì)角線的判別系數(shù)；R為對(duì)角線的通風(fēng)阻力；Ri為各支路的空氣阻力（i=1,2,3,4），N2·S2/m8；Q為對(duì)角線總空氣量；Qi為各支路的氣流（i=1,2,3,4），m3/s。

從節(jié)點(diǎn)1 →2 →4 單對(duì)角線通風(fēng)阻力可知，當(dāng)Q1＞0 和Q3＞0 時(shí)，公式（1）、（2）成立。

復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)或多個(gè)對(duì)角分支。根據(jù)復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)包含的對(duì)角分支，結(jié)合節(jié)點(diǎn)合并原理和礦井通風(fēng)穩(wěn)定性實(shí)際需要，對(duì)礦井通風(fēng)過(guò)程中一些距離短、阻力小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并。復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化主要分為3 步：1）認(rèn)真分析對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)和各個(gè)支路的氣流方向；2）根據(jù)實(shí)際礦井生產(chǎn)需求找出氣流流向不合理的支路；3）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

2 對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

圖2 和圖3 為原通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖和優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖。復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和支路氣流不同分為不同的等級(jí)，等級(jí)不同，復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)氣流穩(wěn)定性不同。復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和支路主要由主井、副井、煤倉(cāng)、物料運(yùn)輸巷道等組成。由圖2 可知，改變支路的空氣阻力會(huì)影響對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)的氣流方向，造成氣流不穩(wěn)定，影響通風(fēng)效果。

圖2 原通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

圖3 優(yōu)化后通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

如圖3 所示，礦井通風(fēng)系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行改造和優(yōu)化，通過(guò)合并減少較短或距離較近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)。將圖2 中的節(jié)點(diǎn)10 與節(jié)點(diǎn)11 合并為圖3 的節(jié)點(diǎn)11，減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，改變復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，將礦井通風(fēng)系統(tǒng)分為兩個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)。第一個(gè)對(duì)角線由物料運(yùn)輸巷道、通風(fēng)巷道組成，另一個(gè)對(duì)角線由主井、副井和其他巷道組成。

沿著對(duì)角通風(fēng)回路對(duì)氣流和風(fēng)量進(jìn)行了多次測(cè)量。根據(jù)式（1）、（2）、圖3，計(jì)算局部對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)（節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)11）總空氣阻力方法如下：

式中：Qd是對(duì)角連接系統(tǒng)中的氣流，m3/s。

當(dāng)判別系數(shù)K＞1，將氣流方向改為反方向，節(jié)點(diǎn)12 到節(jié)點(diǎn)11。氣流反向的原因是局部對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻很高，而平行巷道風(fēng)阻較低。

根據(jù)潤(rùn)東煤業(yè)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)情況，提出了礦井氣流穩(wěn)定性與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化多種應(yīng)對(duì)措施。安裝空氣調(diào)節(jié)器是為了增加巷道中的空氣阻力。如果巷道空氣阻力增加，平行巷道（圖3 中的節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)7）空氣阻力也會(huì)增加。為解決高風(fēng)阻（圖3 中的節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)7）和降低風(fēng)速超限（圖3 中的節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)7）問(wèn)題，需要將空氣阻力（圖3 中的節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)7）的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)也調(diào)節(jié)了對(duì)角線空氣阻力的大?。▓D3 中的節(jié)點(diǎn)12、節(jié)點(diǎn)7）。

圖4 為優(yōu)化巷道通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型。當(dāng)判別系數(shù)K 小于1 時(shí)，巷道通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后，主井的氣流方向從節(jié)點(diǎn)12 到節(jié)點(diǎn)11 方向進(jìn)行。此時(shí)可以解決巷道通風(fēng)系統(tǒng)中氣流反向的問(wèn)題，從而減少了巷道（圖4 中節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)7）的積風(fēng)，降低了風(fēng)阻，有效解決了巷道（圖4 中節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)7）風(fēng)速超值問(wèn)題。優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)后，巷道風(fēng)速由11.6 m/s 降至6.1 m/s。

圖4 優(yōu)化巷道通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

3 最佳改善方案

3.1 改善措施

對(duì)潤(rùn)東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，從通風(fēng)線路、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)布置等方面進(jìn)行優(yōu)化，主要包括以下改進(jìn)措施：1）將兩臺(tái)功率為11 kW 的風(fēng)力機(jī)改為兩臺(tái)功率合計(jì)為21 kW 的風(fēng)力機(jī)，以增加巷道通風(fēng)功率。2）將直徑為300 mm 的風(fēng)管更換為直徑為500 mm 的剛性風(fēng)管，以減少風(fēng)阻力。3）將通往單頭開挖工作面的風(fēng)管改為直徑為300 mm的風(fēng)管。用剛性材料制成的風(fēng)管減少了氣流的通風(fēng)阻力。4）封閉井下通風(fēng)系統(tǒng)廢棄巷道，解決原通風(fēng)系統(tǒng)井下氣流短路、新風(fēng)損失的問(wèn)題。5）在工作面斷面中部，增加串聯(lián)的11 kW 軸向風(fēng)機(jī)，在調(diào)節(jié)風(fēng)扇功率時(shí)，必須保證進(jìn)風(fēng)扇功率小于出風(fēng)扇功率。6）在井下通風(fēng)系統(tǒng)中增加風(fēng)門等通風(fēng)結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整井下風(fēng)量的走向，按需求在不同工作面上分配風(fēng)量。

3.2 效果分析

采用比較分析法對(duì)工作面環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行了分析，圖5 所示為21150 工作面不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度和濕度效果。工作面通風(fēng)系統(tǒng)未優(yōu)化前的最高溫度為38 ℃，優(yōu)化后最高溫度為30 ℃，溫度降低了8 ℃。通風(fēng)系統(tǒng)未優(yōu)化前，21150 工作面的相對(duì)濕度高達(dá)97%，優(yōu)化后相對(duì)濕度為85%，相對(duì)濕度下降了12%左右。

圖5 優(yōu)化前后溫度濕度對(duì)比分析

4 結(jié)論

1）為了提高潤(rùn)東煤業(yè)礦井氣流穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)要求，不斷優(yōu)化對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)具有多層復(fù)雜對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)的巷道、工作面通風(fēng)系統(tǒng)存在問(wèn)題進(jìn)行了全面分析，并提出了一系列優(yōu)化方案。

2）通過(guò)對(duì)角通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的合并和通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，解決了礦井工作面氣流反向和風(fēng)速超值問(wèn)題，改變了通風(fēng)回路的阻力，為井下巷道和工作面提供了足夠的通風(fēng)。

3）工作面未優(yōu)化前的最高溫度為38 ℃，優(yōu)化后溫度為30 ℃，溫度降低達(dá)到了8 ℃。在通風(fēng)系統(tǒng)未優(yōu)化前，相對(duì)濕度高達(dá)97%，優(yōu)化后相對(duì)濕度為85%，相對(duì)濕度下降了12%左右。