礦井通風系統改造的四大問題及對策

1 引言

福建省天湖山能源公司的前身是天湖山礦務局，地處閩南三角州，公司共轄四對生產礦井，最早的建于1956年，最遲的建于1995年。煤層賦存條件復雜，煤層產狀極為不穩定，地質構造十分復雜。公司建礦四十多年來，最早的礦井進行了4次通風系統改造，最遲的礦井也進行了1次改造。改造的實踐告訴人們，在煤礦生產建設中，雖然在礦井設計時已考慮了生產后期(即通風困難時期)的通風問題，但往往因設計時依據的地質資料與現場實際的出入、生產計劃的變更，特別是周邊小煤井的無序開采等諸多因素的干擾，使得預定的后期通風計劃難以實施，于是許多礦井在生產后期便采取實施通風系統改造來解決。本文以天湖巖礦的通風系統改造為例，對其通風系統改造過程中的新思路，新做法以及出現的一些失誤加以總結、分析，希望能為同行們提供一點參考。

2 問題與對策

2.1 問題之一：通風系統是否要進行改造，如何改造才能使有限資源達到優化配置。

2.1.1 天湖巖礦的生產狀況

根據天湖巖礦最新的地質儲量年報，目前尚有可采儲量50萬噸，礦井設計年生產能力為4萬噸，因煤層較薄，原煤回采率為50%左右，礦井的服務年限還有6年。因該煤礦原煤回采難度大，成本一直居高不下，造成贏利困難。

顯然，對這樣的礦井，再花巨資進行通風系統改造從經濟上和企業效益上是不合算的。但職工的再就業壓力使決策層進退兩難。

2.1.2 天湖巖礦的通風現狀

(1) 通風系統方面：平洞上山轉下山開采后，通風系統的回風道過長過多過雜，風門漏風量劇增(無效風量約占總進風量35%)。上部周邊小煤的無序開采，使礦井總長約2km的回風巷遭受嚴重破壞，使得回風巷外部漏風率高達60%以上，且破壞仍在繼續，維護相當困難，通風系統已基本處于癱瘓狀態；

(2) 局部通風方面：由于地質構造復雜，煤層賦存極不穩定，長期以來基本上是屬于邊探、邊掘、邊采的情況，難以形成較為周全的通風布局，大多是利用現成的一些廢巷與上下水平的采煤貫通點加以改造之后進行通風，造成進風、回風較為紊亂，下山水平進、回風壓差不明顯，風量少且不穩定，局部串聯通風嚴重。

根據國家2001年煤礦安全生產專項整頓工作和福建省實施方案，特別是2001版《煤礦安全規程》明確規定，生產礦井必須具有較為完善的通風系統，否則必須關停整頓。不立即進行通風系統改造，這顯然是屬于關井對象。

2.1.3 解決辦法

天湖山能源實業有限公司目前有礦井四對，高山地形。天湖巖礦處于最上部，主平峒標高+805水平，準備水平為+775水平，主平洞+825及以上水平僅剩幾個回收煤柱的零星作業點。經過幾十年的開采，公司其它礦井也都在往深部移，出現了各礦井在原劃定的井田邊界上的一些未采部分。公司領導十分重視，在煤炭資源逐漸枯竭的今天，加大了對該區段的探礦力度，隨著地質資料的進一步明確，認定該區域有較高的開采價值，并從大局出發，打破原井田邊界的塊段劃分法，并提出新建兩個采區“新村一采區和含春二采區”由天湖巖礦與含春礦就近聯合開采的構想，預計四年后可完成采區基建并投產，上部由天湖巖礦就近先下山開采，下部由含春礦以后就近上山開采，預計生產能力為6萬噸，服務年限30年。由含春礦+565主平峒和+710輔助平峒進風，回風系統由上部天湖巖礦目前的下山通風系統+含春礦二采和新一采區回風平巷+825總回風平巷、+825～+875總回風上山、+875總回風巷+風硐、抽風機構成完善的通風系統的戰略部署。

經全面的分析論證，一致認為這個方案可行，并于2001年決定立即進行通風系統改造，是時要求新系統既要考慮目前天湖巖礦的安全生產需要，也必須能滿足下部兩下新采區聯合開采的需要。

2.1.4 分析

采取新建采區而不是新建礦井，并采取分水平由現成的礦井進行聯合開采的辦法，這是個創新性較強的思路，其優點有：

(1) 采取聯合開采的形式，只是在已有的礦井內就近新建了兩個采區而已，其規模比新建礦井要節省投資近三分之二。

(2) 擴大了天湖巖礦的生產能力、延長了礦井服務年限。

(3) 一并解決了天湖巖礦、含二、新一采區的通風安全難題，通風系統改造投資更趨于合理與優化。

2.2 問題之二：如何制定出所有可能的改造方案，并通過技術、安全、經濟等方面的比較、篩選出最優方案。對于通風系統改造這是個理論與實踐交替進行，反復驗證的過程。

2.2.1 天湖巖礦通風系統改造扔復雜性

一是七十年代采用的是邊建礦邊采煤的模式，加上+825以上水平本礦的采空區，特別是小煤井的破壞十分嚴重，很難找到一條較為理想的總回風巷和地面回風井。

二是需風情況較為復雜，初期是天湖巖礦獨立用風，需要的風量較小，中期是天湖巖礦與下部聯合開采共同用風，需要的風量較大，后期是天湖巖礦停產，只有下部聯合開采用風，其間風量差別較大。

2.2.2 對策

2.2.2.1收集盡可能多的與礦井通風安全相關的技術、管理(特別是“一通三防”)方面的資料。

2.2.2.2 收集礦井的各種自然條件資料作為參考(包括交通位置、地形地貌、地質構造、煤層賦存、井下溫度、水文地質情況、氣象等)。如天湖巖礦井田屬地溫正常區，從本礦歷年開采情況表明，采掘工作面和機電洞室溫度均低于規程規定，無熱害危險；礦區內無大的地表水體，由于相對高差大，地表水、地下水排泄條件良好，因此本區無洪水危害。

2.2.2.3 詳細了解礦井瓦斯、煤塵及煤的自燃情況：根據本礦進仍至本礦區三十多年的開采資料，沒有發生過瓦斯突出、瓦斯爆炸事故及其它通風事故。煤塵亦無自燃發火和爆炸傾向，本礦歷年來的井下氣體檢測數據表明，在礦井的各個用風點從未發生瓦斯濃度超限的現象。因此只要通風良好，瓦斯危害就不大。

2.2.2.4 搜集所有已掘巷道的開拓開采平圖。因礦井開采時間較長，一些礦井往往為簡化圖紙，把一些已打上密閉或柵欄的舊巷從圖紙上省去。因此，在制訂方案時一定要在包括所有已開拓開采巷道的平面圖上進行，本著經濟合理地充分利用已有的井巷及設備，設計出安全可靠、先進合理、施工期短的最佳方案。

2.2.2.5 各礦井對周邊小煤井均進行過普查，采用最新最全面的普查圖紙作為制訂方案的參考依據。原則是遠離小煤作業區，回風系統盡量往深部移。

2.2.2.6 風井位置的交通情況，水文地質情況也不能忽視，這關系到幾噸重風機的運輸與安裝問題和日后風機及裝備的安全管理問題。

2.2.2.7 綜合考慮上述因素，天湖巖礦初選改造方案五個，經實地考察之后，精選2個方案再加以全面比較。方案一：利用+834小煤廢井筒作回風井；方案二：在+975標高處有一個原本礦臨時出風井峒，利用其作為回風井。經過反復對兩個方案的技術性、安全性、經濟性和可行性進行比較，最后選定方案二，投資量預計為60萬元左右。

2.2.2.8 方案最終的選定原則：一是必須對初步選定的方案進行實地勘察，確立可行性，并核定工程量；二是主導思想應把回風系統往礦井的深部移，往礦井的中央移，以確?；仫L巷盡可能少受小煤井的再次破壞。

2.3 問題之三：改造中一項較大的投資就是風機及其裝置的選取與安裝，是繼續使用原有的舊風機還是另行購置先進的新風機，值得全面考慮。

2.3.1 風量需求。天湖巖礦最大用風量為8.15m3/s，新村一采區與含春二采區在通風容易時期實際需風量之和為25m3/s，在通風困難時期的實際需風量之和為28.75m3/s，因聯合開采進行到困難時期時，天湖巖礦已結束生產即不再用風，所以總設計用風量應為33.15m3/s。

2.3.1.2 礦井負壓計算。因天湖巖礦的總回風道計劃與新設計的“含春二采區和新村一采區”聯合開采時共用，本礦井的服務年限僅有8年，礦井通風處在與下部聯合開采時的容易期內，采用增陰調節法對各用風點的回風道處對各用風點加以調節，使風量分配達理想的效果。根據下部聯合開采的測算數據：礦井通風容易時期要求負壓達627.30Pa，困難時期的負壓880.15Pa，(此數據由福建煤炭設計院在《天湖山礦區新村與含春井田聯合開采設計說明書》中提供，困難時期同)。

2.3.1.3 通風設備選型。根據上述計算的風量值和負壓值，原風機4-72-11№16B雖仍能適用，但機械老化，耗電多，安全性差，搬遷等輔助費用高，所以考慮新置風機。通過對市場的了解、充分結合風機技術的進步，選用改進型BD-11型彎掠組合正交型隔爆對旋軸流式通風機，可較好地擔負起該礦井下各個時期的安全通風。此風機一個最大的特點是采用兩臺相互獨立，葉片角度相反，旋轉方向相反的風扇對軸串接而成，高能高效。實踐表明，在天湖巖礦開采期間，下部聯合開采未與上部總回風貫通之前，通過對風機實際工況點的分析情況來看，采取只開其中獨立的一節來通風應該是合理而可行的。

2.3.2 對策

天湖巖礦通風系統改造對風量、負壓在前后期的需求情況：

2.3.2.1 依據《煤礦安全規程》要求進行礦井的需風量計算：天湖巖礦保持目前的生產規模，最大需風量為8.15m3/s。新村一采區與含春二采區的基建任務由下部水平的另一礦井含春礦實施。5年后的投產初期，新村一采區與含春二采區實際需風量之和為25m3/s，投產后期的實際需風量之和為28.75m3/s，因聯合開采進行到投產后期時，原天湖巖礦將不再生產用風，所以總設計用風量最大為33.15m3/s。

2.3.2.2 礦井通風負壓計算：原天湖巖礦滿足通風的礦井負壓為256.7Pa，其服務年限還有8年，通風處在與下部聯合開采的容易期內。根據新村一采區與含春二采區的聯合設計負壓測算數據：礦井通風容易時期要求負壓達627.30Pa，困難時期的負壓為880.15Pa。由于天湖巖礦最長通風線路明顯較下部兩個采區要短的多，可采用增阻調節法，使風量分配達理想的效果。

2.3.2.3 主通風機的選用、試運轉和評價情況

(1) 綜上所述，天湖巖礦選用BD-Ⅱ-6-№13軸流式抽風機。該抽風機電機功率2×30kW，出廠性能特性為靜壓71Pa至880Pa，風量(28.75～36.75)m3/s，葉片安裝角度可根據需要進行調節，選擇最佳工況點，以最大限度地提高風機效益。

(2) 天湖巖礦主通風機在安裝調試完畢后，在廠家的協同下共同對風機進行了試運轉操作，第一次啟動便成功，電流、電壓、功率均正常，風量穩定。

(3) BD-Ⅱ-6-№13型風機在天湖巖礦運行半年時間的安全性評價

a.該風機運行半年時間未出現任何故障。

b.該風機采用電機與葉輪直聯的形式，把電機裹在葉輪的芯部，結構緊湊，運轉平穩，摒棄了一般軸流主通風機的長軸轉動，可消除傳動裝置易于損壞變形的現象，使維護更方便。

c.選用隔爆型電動機，電機安裝在風機風筒中的隔流腔仙，隔流腔具有一定的密封性能，保證電機與風機流道中含有瓦斯的氣體相互隔絕，隔流腔中有偏管與大氣相通，使新鮮空氣不斷進入，流過電機使電機散熱后流出，并使腔內空氣在風機運行時保持正壓狀態。

d.該機可以直接通過風機反轉來實現反風，并且能滿足反風要，不必另設反風道，可以減少外部漏風，有反風速度快的優點。

e.當空氣流入第一級葉輪獲得能量后并經第二級葉輪排出，第二級葉輪兼備著普通軸流風機中靜葉的功能，在獲得整直圓周方向速度分量的同進，增加氣流的能量，從而達一到普通軸流式風機不能達到的高效率、高風壓。

f.該風機的葉片采用的是彎掠組合正交在維扭曲技術，改善了風機風葉與氣流的接觸面，從而提高了性能參數(與其它類型風機比效率提高6%，噪音降低了11dB)。

g.兩級風機既可聯合也可獨立運行，有較大的靈活性，從特性曲線上看與兩臺性能相同的鼓風機串聯使用有點類似，但較好地提高了性能。

(4)BD-Ⅱ-6-№13型風在天湖巖礦運行半年來的經濟性評價

a.主通風機的三分之二安裝在風峒內，只有擴散塔在外面，通過電覽，由兩個輕巧的控制柜控制其運行，不需要專人值班。具體做法是通過電纜把控制柜移到150m外的壓風機房。由壓風機司機兼任抽風機司機，可省安期投資6萬元和兩個工人工資2.5萬元/年。

b.兩級風機分開獨立運行，在通風初期，只要滿足天湖巖礦的生產用風需要就可以，因此實際只要開啟一級風機就夠用了，一年可省電費：15.767萬元。

c.風機可直接反風，不需要外設反風道，前期投資可節約3萬元。

d.該風機一個最大的缺點是一旦電機燒壞，難以在短時間內換好，因此一定要做好備用的準備。

總之，通風系統改造與新建礦井的通風設計依據的標準相同，不同的是系統改造是在礦井生產過程進行，各項可預知的因素增多，并且以盡量利用原有巷道節省投資，加快工期為原則。因此，系統改造具有更多的選擇性和靈活性，也更具挑戰性，我們切不可認為那只是在人家設計的基礎上進行修修補補而輕視做好這項工作的重要性。