東灘煤礦西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

豐云雷

（山東兗礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

東灘煤礦采用立井多水平開(kāi)拓，兩翼對(duì)角抽出式通風(fēng)，副井進(jìn)風(fēng)，主井輔助進(jìn)風(fēng)，西風(fēng)井、北風(fēng)井回風(fēng)。礦井于2018 年對(duì)北風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，更換為2 臺(tái)ANN-2650/1250C 型通風(fēng)機(jī)，主要擔(dān)負(fù)一采區(qū)、三采區(qū)、部分十四采區(qū)以及將來(lái)五、七采區(qū)回風(fēng)。西風(fēng)井目前仍使用1988 年安裝的2 臺(tái)HDR280-69 型軸流式主要通風(fēng)機(jī)，主要擔(dān)負(fù)四采區(qū)、六采區(qū)及部分十四采區(qū)回風(fēng)。

1 礦井西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)改造的必要性

1）主要通風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)施已老化，安全性能下降。西風(fēng)井裝備2 套HDR280-69 型動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，自1988 年安裝至今已連續(xù)運(yùn)行30 余年。長(zhǎng)期使用致使風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)施出現(xiàn)老化，機(jī)械磨損嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能差，能耗高，通風(fēng)安全性能降低。

2）主要通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)集控。主要通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)于1997 年進(jìn)行改造，采用歐姆龍PLC進(jìn)行程序控制，無(wú)模擬量模塊、通訊模塊、總線接口等，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集控，且升級(jí)改造工程量大、耗時(shí)長(zhǎng)，期間單風(fēng)機(jī)運(yùn)行，存在安全隱患。

3）主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率偏低，不滿足節(jié)能要求。主要通風(fēng)機(jī)雖能滿足目前礦井接續(xù)生產(chǎn)用風(fēng)要求，但風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率偏低且不滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的要求。

2 礦井風(fēng)量及阻力計(jì)算

2.1 礦井生產(chǎn)接續(xù)規(guī)劃

東灘煤礦-660 m 水平共劃分為8 個(gè)采區(qū)，即西翼四采區(qū)，北翼十四采區(qū)，南翼六、八采區(qū)，東翼一、三、五、七采區(qū)。目前，礦井生產(chǎn)采區(qū)為三、六、十四采區(qū)，其中十四采區(qū)即將回采結(jié)束。十四采區(qū)回采結(jié)束后，東翼五、七采區(qū)接續(xù)生產(chǎn)，屆時(shí)三、五、六、七采區(qū)將成為礦井后續(xù)主要生產(chǎn)采區(qū)。根據(jù)礦井生產(chǎn)接續(xù)規(guī)劃，礦井生產(chǎn)將長(zhǎng)期保持2～3 個(gè)采煤工作面同時(shí)生產(chǎn)的格局，并配8～9 個(gè)掘進(jìn)工作面。

2.2 礦井通風(fēng)時(shí)期的劃分

西風(fēng)井主要服務(wù)于礦井四采區(qū)（擴(kuò)大區(qū)）、六采區(qū)、十四采區(qū)（擴(kuò)大），按生產(chǎn)接續(xù)可劃分2 個(gè)時(shí)期。

1）六采區(qū)和十四采區(qū)同采時(shí)期。該時(shí)期西風(fēng)井主要服務(wù)六采區(qū)和十四采區(qū)生產(chǎn)，六采區(qū)布置1 個(gè)綜采工作面、4 個(gè)掘進(jìn)工作面，十四采區(qū)布置1 個(gè)綜放工作面。

2）四、六、八采區(qū)僅一個(gè)工作面回采時(shí)期。該十四采區(qū)已基本回采完畢，西風(fēng)井主要服務(wù)四采區(qū)、六采區(qū)、八采區(qū)生產(chǎn)。3 個(gè)采區(qū)之間交替生產(chǎn)，僅布置為1 個(gè)采煤工作面生產(chǎn)和3～4 個(gè)掘進(jìn)工作面。

經(jīng)分析，六采區(qū)和十四采區(qū)同采時(shí)期，2 個(gè)工作面集中在西風(fēng)井服務(wù)范圍內(nèi)，西風(fēng)井通風(fēng)風(fēng)量大，通風(fēng)距離較長(zhǎng)。經(jīng)比較，十四采區(qū)14320 綜放工作面和63上06 綜采工作面同時(shí)生產(chǎn)時(shí)期為西風(fēng)井通風(fēng)困難時(shí)期，屆時(shí)生產(chǎn)布局為六采區(qū)、十四采區(qū)各布置1個(gè)采煤工作面，4 個(gè)掘進(jìn)工作面全部集中在六采區(qū)，負(fù)責(zé)工作面順槽及聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作。

四、六、八采區(qū)僅一個(gè)工作面回采時(shí)期，西風(fēng)井僅服務(wù)一個(gè)采煤工作面，風(fēng)量較小，通風(fēng)距離較近。經(jīng)比較，六采區(qū)63上02 工作面生產(chǎn)時(shí)期為西風(fēng)井通風(fēng)容易時(shí)期，屆時(shí)六采區(qū)布置1 個(gè)采煤工作面和3個(gè)掘進(jìn)工作面，3 個(gè)掘進(jìn)工作面中2 個(gè)負(fù)責(zé)順槽掘進(jìn)工作，1 個(gè)負(fù)責(zé)下山開(kāi)拓延伸工作。

2.3 礦井風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦礦井風(fēng)量計(jì)算方法》（MT/T 634-2019）等規(guī)定，西風(fēng)井通風(fēng)容易時(shí)期及困難時(shí)期總風(fēng)量及分配詳見(jiàn)表1。

表1 西風(fēng)井各時(shí)期總風(fēng)量及其分配表

2.4 礦井通風(fēng)阻力計(jì)算

1）通風(fēng)容易時(shí)期以回采63上02 工作面為路線進(jìn)行摩擦阻力計(jì)算，通風(fēng)路線如下：

地面→副井→井底車場(chǎng)→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運(yùn)下山→63上02 輔運(yùn)順槽→63上02 工作面→63上02 膠運(yùn)順槽→南翼回風(fēng)巷→南翼總回風(fēng)巷→西翼總回風(fēng)巷→西風(fēng)井→地面。

2）通風(fēng)困難時(shí)期以回采63上06 工作面為路線進(jìn)行摩擦阻力計(jì)算，通風(fēng)路線如下：

地面→副井→井底車場(chǎng)→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運(yùn)下山→南翼輔運(yùn)巷→63上06輔運(yùn)順槽→63上06 工作面→63上06 膠運(yùn)順槽→南翼回風(fēng)巷→南翼總回風(fēng)巷→西翼總回風(fēng)巷→西風(fēng)井→地面。

3）局部通風(fēng)阻力按摩擦阻力的10%計(jì)算。

根據(jù)礦井開(kāi)拓布局和生產(chǎn)接續(xù)，礦井西風(fēng)井通風(fēng)阻力按通風(fēng)容易時(shí)期、通風(fēng)困難時(shí)期最大通風(fēng)路線分別進(jìn)行計(jì)算。利用下式計(jì)算摩擦阻力：

式中：H為摩擦阻力，Pa；A為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L為井巷長(zhǎng)度，m；U為井巷凈周長(zhǎng)，m；Q為通過(guò)井巷的風(fēng)量，m3/s；S為井巷凈斷面，m2。

經(jīng)計(jì)算，西風(fēng)井通風(fēng)容易時(shí)期、困難時(shí)期的風(fēng)量、負(fù)壓見(jiàn)表2。

表2 西風(fēng)井各時(shí)期通風(fēng)參數(shù)表

2.5 原有主要通風(fēng)設(shè)備校核

西風(fēng)井原有主要通風(fēng)機(jī)房安裝 2 臺(tái)HDR280-69 型動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，電機(jī)型號(hào)為PA100G90-70/6，功率為1 300 kW 同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，葉輪直徑2.8 m，1 臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，1 臺(tái)備用。

根據(jù)西風(fēng)井不同時(shí)期通風(fēng)風(fēng)量、負(fù)壓對(duì)原有2臺(tái)HDR280-69 型風(fēng)井進(jìn)行校核，其結(jié)果詳見(jiàn)表3?！巴L(fēng)困難時(shí)期”和“通風(fēng)容易時(shí)期”西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)滿足生產(chǎn)所需風(fēng)量和負(fù)壓滿足礦井生產(chǎn)通風(fēng)的要求，但效率偏低，不滿足目前國(guó)家的節(jié)能要求。

表3 HDR280-69 型風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)參數(shù)電動(dòng)機(jī)容量表

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 主要通風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)國(guó)內(nèi)大型煤礦主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，目前礦用軸流式主要通風(fēng)機(jī)具有提供大風(fēng)量、運(yùn)行效率高的性能，并且軸流式通風(fēng)機(jī)具有反轉(zhuǎn)反風(fēng)或調(diào)整葉片角反風(fēng)的特點(diǎn)，可節(jié)省地面反風(fēng)道的建設(shè)工程，風(fēng)機(jī)安裝布置簡(jiǎn)單，反風(fēng)調(diào)節(jié)方便可靠。故設(shè)計(jì)西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)選型為礦用軸流式通風(fēng)機(jī)。設(shè)計(jì)選用Howden ANN-2650/1250C 型和GAF25-12.5-1(GZ)型風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

方案Ⅰ：選用Howden ANN-2650/1250C 型風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，1 臺(tái)使用，1 臺(tái)備用。動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片角度改變風(fēng)量，采用電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)方式進(jìn)行反風(fēng)。每臺(tái)風(fēng)機(jī)配6 kV，990 r/min，1 000 kW 異步電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)，風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)。通風(fēng)困難時(shí)期風(fēng)機(jī)葉片角59°，通風(fēng)容易時(shí)期風(fēng)機(jī)葉片角50°。

方案Ⅱ：選用GAF25-12.5-1（GZ）型風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，1 臺(tái)使用，1 臺(tái)備用。動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片角度改變風(fēng)量，采用葉片角度反向方式進(jìn)行反風(fēng)。每臺(tái)風(fēng)機(jī)配6 kV，1 000 r/min，1 000 kW 異步電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)，風(fēng)機(jī)與電機(jī)直接傳動(dòng)。通風(fēng)困難時(shí)期風(fēng)機(jī)葉片角-1°，通風(fēng)容易時(shí)期風(fēng)機(jī)葉片角-8°。

對(duì)上述西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)2 個(gè)選型方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，具體比選詳見(jiàn)表4。方案Ⅰ選用Howden ANN-2650/1250C 型風(fēng)機(jī)相比方案Ⅱ選用GAF25-12.5-1（GZ）型風(fēng)機(jī)，雖投資高，但具有運(yùn)行可靠、故障率低、高效區(qū)域廣等優(yōu)點(diǎn)；另外礦井北風(fēng)井已更換了2 臺(tái)HowdenANN-2650/1250C 型風(fēng)井，配1 000 kW 電機(jī)，考慮風(fēng)機(jī)備品備件的通用性，推薦選用方案Ⅰ為主導(dǎo)方案，即選用Howden ANN-2650/1250C 風(fēng)機(jī)2 臺(tái)，1 臺(tái)使用，1 臺(tái)備用。

表4 西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)選型方案比選表

3.2 主要通風(fēng)機(jī)房布置

在西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)，西風(fēng)井東側(cè)為原有注漿站及黃土堆，南側(cè)為原井筒施工建筑物，西側(cè)為進(jìn)入廠區(qū)的道路，北側(cè)為現(xiàn)有主要通風(fēng)機(jī)房及地面風(fēng)硐。西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)有建、構(gòu)筑物情況詳見(jiàn)圖1。

圖1 改造前西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地布置平面圖

新選主要通風(fēng)機(jī)設(shè)備為軸流式，電機(jī)在風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口側(cè)，風(fēng)機(jī)和電機(jī)在擴(kuò)散塔一側(cè)。原有主要通風(fēng)機(jī)和電機(jī)在擴(kuò)散塔的兩側(cè)，2 種風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和布置形式不一樣，不能利用現(xiàn)有主要通風(fēng)機(jī)房，需新建主要通風(fēng)機(jī)房。

西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地南側(cè)有居民，若主要通風(fēng)機(jī)房及擴(kuò)散塔等布置在井筒南側(cè)，則噪音對(duì)居民影響較大；故設(shè)計(jì)選擇拆除井筒東部注漿站，平整東北側(cè)的部分黃土堆，在西風(fēng)井東側(cè)新建主要通風(fēng)機(jī)房、風(fēng)硐、擴(kuò)散塔等，同時(shí)重新規(guī)劃廠區(qū)內(nèi)道路，未來(lái)考慮在西風(fēng)井南側(cè)重建注漿站。改造后西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)建、構(gòu)筑物情況詳見(jiàn)圖2。

圖2 改造后西風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地布置平面圖

3.3 新、舊主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行切換

1）對(duì)現(xiàn)有鎖口改造。因新建地面風(fēng)硐，現(xiàn)有鎖口無(wú)法滿足使用要求，需對(duì)現(xiàn)有鎖口進(jìn)行改造?，F(xiàn)有鎖口內(nèi)徑6.0 m，壁厚0.8 m，設(shè)計(jì)在現(xiàn)鎖口外側(cè)新建圓形鎖口內(nèi)徑7.5 m，高6.0 m，壁厚0.8 m。新鎖口設(shè)防爆蓋，防爆蓋采用自動(dòng)壓緊裝置。

2）新、舊風(fēng)機(jī)切換。新?lián)Q主要通風(fēng)機(jī)安裝測(cè)試完畢后，封堵原有舊風(fēng)硐（距風(fēng)井不超過(guò)6 m 以免形成盲巷），起吊原有風(fēng)井防爆蓋，并貫通新風(fēng)硐，啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)完成切換。該礦西風(fēng)井新、舊主要通風(fēng)機(jī)切換用時(shí)約8～10 h。

4 運(yùn)行效果檢驗(yàn)

目前，東灘煤礦西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)已改造完畢，主要通風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)良好，風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間體積流量151.25 m3/s，負(fù)壓2 184.81 Pa，滿足井下采掘工作面等用風(fēng)要求。西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)采用智能化系統(tǒng)和新型節(jié)能技術(shù)，在井下通風(fēng)動(dòng)力不停止?fàn)顟B(tài)下，2 臺(tái)主要通風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，同時(shí)可對(duì)主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性參數(shù)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和遠(yuǎn)程自動(dòng)化管理，已達(dá)到無(wú)人值守的標(biāo)準(zhǔn)。

西風(fēng)井更換為大能力高效率的主要通風(fēng)機(jī)后，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，改善了井下作業(yè)環(huán)境得，提高了礦井抗災(zāi)能力，為礦井安全高效生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。