整合礦井復雜通風系統的優化改造

張付濤

(中國煤炭進出口公司，北京 100011)

1 前言

中國煤炭進出口公司作為山西省煤炭企業兼并重組主體之一，負責兼并重組整合大同、朔州地方煤礦企業，其中對大同市新榮區唐山溝等14座煤礦進行兼并重組整合，將14座煤礦重組為5座煤礦企業(公司)，保有儲量1.414億 t，總計生產能力達到510萬t/a;對朔州市周邊6座地方小煤礦，相應并入東坡、楊澗、擔水溝和西沙河4座煤礦，整合保有儲量7.5億t，總計生產能力達到480萬t/a。

2 整合礦井概況

唐山溝煤礦位于山西省大同市新榮區，1983年批準開采，1988年建井投產，設計生產能力為60萬t/a。2006年整合陳家溝等4座礦井，設計能力為90萬t/a。2009年并入中國煤炭進出口公司后，又整合了張旺莊煤礦。唐山溝煤礦改擴建后產量提升至120萬t/a，采用斜井開拓方式，走向長壁法采煤，主采8號和12號煤層。8號煤層厚度為1.02～1.65 m，平均為1.48 m;12號煤層厚度為1.16～3.31 m，平均為1.82 m。

唐山溝煤礦為低瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量為1.69 m3/min，相對涌出量為1.95 m3/t，煤層的自然發火期為6個月，煤塵有爆炸危險性。礦井采用抽出式通風方法和混合式通風方法。唐山溝煤礦屬整合礦井，整合后，原有5個小井逐步井下全部連通，通風系統出現零點通風，且風流紊亂，角聯巷道較多。為了對井田內6對風井進行合理利用并保證礦井安全和高效生產，需要對唐山溝礦現有通風系統進行改造和優化。

3 生產系統和通風系統分析

3.1 采掘部署不合理，生產系統復雜

根據前期調研及收集有關資料，對整合后唐山溝煤礦通風系統進行系統分析和研究，其主要特征表現為:由于整合前各小井開采煤層和開采深度不同，造成整合礦井同時開采水平和采掘工作面數量增多，通風系統復雜，部分工作面難以實現按需供風，風流控制相當困難;同時下井人員較多，全員效率低，礦井一旦出現異常情況，撤人困難，將不利于礦井的安全生產。據統計，整合后的唐山溝礦同時生產水平達到3個，采面數量多達18個。

隨著采掘作業面推進、采空區的增加以及采掘工作面的延伸和作業面的增加，出現了部分風流短路、污風串聯、循環風現象，導致瓦斯積聚，甚至發生瓦斯爆炸，給煤礦安全生產造成嚴重威脅。

3.2 通風系統網絡復雜，抗災能力低

1)多風機聯合運轉，通風系統穩定性差。唐山溝礦屬整合礦井，兼并重組后井田內同時布置6對風井，通風系統網絡復雜。原有5個小風井逐步井下連通后，由于各風機通風能力不同，通風網絡與風機能力不匹配，導致多風機聯合運轉時相互干擾，礦井通風系統穩定性降低，能耗增加。而且部分風井配備的風機老化，效率低，造成通風管理工作十分困難。

2)風流短路、串聯現象時有存在，難以實現按需供風。如唐山溝煤礦井下新鮮風流從中一采區主井進風后，其中一股新鮮風流經1120巷后再次分風進入112北+巷道，然后通過112東巷道匯入污風，由中二采區回風井排出。新鮮風流沒有進入用風地點就被匯入污風而排出，增加了通風機的工作負擔，使通風機無用能耗變大(見圖1)。

圖1 唐山溝煤礦通風系統網絡圖Fig.1 Ventilation system network of Tangshangou Mine

3)通風系統網絡復雜，抗災能力弱。唐山溝礦采面布置較多，用風地點分散，通風設施多，通風線路長，個別巷道狹窄且頂板垮落現象嚴重，使得礦井通風阻力增大。同時，部分采區通風系統之間內部出現了角聯巷道，使得部分巷道出現無風和風流反向，對風流穩定性造成了極大的影響。由于受自然風壓或其他通風設施設置的影響，極易出現風流不穩定的情況，大大降低了通風系統的可靠性及抗災變能力。

4)通風系統內部漏風大，災害影響嚴重。唐山溝煤礦用風地點多且分散，導致通風設施(調節風門、風窗等)增多、漏風增大、維護困難，加之多處巷道內風門等調風設施質量不過關和采空區密閉不良等現象，造成礦井通風系統內部漏風增大，有效風量率較低，礦井通風系統負壓升高，風機耗能增大。同時使得采空區瓦斯涌出異常，原有火區失去平衡，自燃發火嚴重，進而導致采場空氣中CO、CH4、CO2等有害氣體超標，嚴重影響工作面的正常生產。

4 唐山溝煤礦通風系統優化

依據上述唐山溝煤礦通風系統調研及分析，原有通風系統及其設施已不能滿足礦山生產通風的要求，通風困難等問題將不斷凸現，并且隨著礦井開拓規模的增大，礦井通風系統的負壓將會加大，漏風增大，煤層自燃現象更加嚴重，礦井安全生產面臨更大困難。因此，建立合理有效的通風系統和降低礦井通風阻力直接關系到礦井的安全生產和經濟效益，必須對唐山溝礦生產系統、通風系統進行改造和優化。具體步驟如下:

4.1 優化調整開拓布局，簡化生產系統

多礦井整合后，造成通風路線長、用風地點分散、不易實現按需配風和系統整體抗災能力減弱。通過通風網絡結算軟件模擬，改變礦井開拓布局，改進其通風方式，即:整合前5個進風井和6個回風井的通風系統，改為三進兩回通風系統。整合后保留1#回風井和陳家溝回風井，將唐山溝回風井變為進風井，封閉陳家溝進風井，礦井變為唐山溝主副井及行人斜井(即唐山溝回風井)進風、1#回風井和陳家溝回風井回風的三進兩回通風系統，通風方式改為兩翼對角式。

4.2 優化采掘部署，提高機械化水平

唐山溝礦現有的開拓部署采掘布局不合理，原單個礦井均部署采掘工作面，采用炮采工藝，單產單進低，資源浪費嚴重。通過系統優化，減少開采水平數量及采掘面的數量，改變開采工藝、采煤方法，提高了生產效率，增加了工作面單產，使礦井從原來的3個水平12掘6采改變為2個水平4套綜掘2套綜采，提高了礦井生產能力(見圖2)。同時，使得通風路線長和因用風地點分散而不易實現按需配風的問題也會得到很好地控制。

圖2 唐山溝煤礦綜合機械化采煤工作面Fig.2 Comprehensive mechanization coalface of Tangshangou Mine

4.3 優化通風系統，加強巷道管理工作

原有通風系統中布置6對風井，通風系統網絡復雜，通風設施多，通風控制困難。因此，在保證礦井正常生產的基礎上，通過關閉效率低的井巷，開掘新巷道，改變礦井的通風方式，以簡化通風系統，提高通風管理工作的效率。對礦井通風系統中部分阻力較大的巷道采取了擴大巷道斷面、修整損壞巷道、清理巷道堆積物或采用并聯巷道(利用已有巷道)等措施，降低礦井通風系統阻力，簡化通風系統網絡。

1)通風阻力測定。依據礦井通風阻力測定測點布置原則［1］，結合唐山溝煤礦生產采區布置情況、采空區分布、各主要進回風井位置及其擔負采區情況，礦井通風系統阻力測定采用基點法利用精密氣壓計進行測定［2］。由解算結果不難發現，唐山溝煤礦風量供給能滿足目前生產需要。礦井等積孔均為1～2 m2，通風難易程度屬中等水平，自然風壓均幫助主通風機通風。由誤差分析可知，測定誤差均小于5%，滿足精度要求(見表1)。

2)礦井主要通風機性能測定。煤礦主要通風機是保證礦井安全生產的重要設備，且唐山溝礦屬整合礦井，井田內同時布置6對風井，為了解各風機運行狀況及各風機間的相互影響，保證礦井的安全生產及節能降耗，提高通風機效率，需要對礦井主要通風機進行性能測定。通過對礦井主要通風機性能測定發現，原唐山溝回風井和陳家溝回風井主通風機的運行靜壓效率均小于60%，且處于高區運行，運行工況不合理，能耗較大［3，4］。

表1 解算結果及誤差檢驗表Table 1 Computed results and error checking

4.4 整合礦井通風合理可靠性分析

評價礦井通風系統合理可靠性的目的在于:及時發現礦井通風系統中存在的問題和安全隱患，調整和改造系統;優化通風設計，準確編制事故預防與處理方案，同時，指導現場通風安全管理。具體來說，礦井通風系統的合理可靠性應滿足下列要求:結構合理、完備，整套系統穩定可靠;各用風地點的風量滿足要求，可控性強;利于排除瓦斯、礦塵、熱源和防止煤炭自燃;具有控制各種自然災害的能力，既能抑制事故的發生，又可在由其他原因引起事故時及時地控制和消除事故。針對唐山溝整合后礦井通風系統現狀，利用通風系統安全合理性評價方法，判斷通風系統穩定性較差，抗災變能力較弱。結合礦井通風阻力測定過程及解算結果，分析唐山溝煤礦整合后通風系統存在問題原因及解決方案如下:

1)礦井通風系統進風段、用風段、回風段阻力分布很不合理，3對回風井擔負的系統回風段阻力均超過50%［5］(見表2)。其原因主要為:回風段巷道斷面普遍偏小且支護復雜，部分巷道局部垮落嚴重，年久失修，致使巷道風流受阻，通風不暢，風壓損失嚴重。采取擴大巷道斷面、修整損壞巷道、清理巷道堆積物或采用并聯巷道(利用已有巷道)等措施，降低礦井通風系統阻力，尤其是回風段阻力，使礦井通風阻力分布合理。

表2 礦井通風阻力分布表Table 2 Ventilation resistance distribution of mine

2)主要通風機工況點在高區運行，靜壓效率低，能耗增大。在降低礦井通風系統阻力的基礎上，改變主要通風機工作參數，提高主要通風機運行靜壓效率，降低礦井通風成本，保證主要通風機穩定運轉。

3)隨著開采規模的增大，原有通風系統及其設施已不能滿足礦山生產通風的要求，出現部分風流短路、串聯現象，實現獨立通風困難。采取優化、調整部分通風線路及設施實現獨立分區通風，避免通風系統中出現串聯、角聯風路，增強通風系統的抗災能力。

5 結語

1)通過對整合礦井唐山溝煤礦通風系統調研分析、現場通風阻力測定和風機性能測試，查找出影響唐山溝煤礦現有通風能力的主要因素，提出唐山溝煤礦通風系統和主要通風機運行的優化、改造方案。經過實施后，原有兩套主要通風機能夠滿足礦井用風需求，不需更換主要通風機，降低了改造投資。主要通風機運轉穩定，滿足了安全生產的需要，大幅度增強了該礦通風系統的抗災能力。

2)在唐山溝煤礦通風系統優化、改造中，特別注重煤礦井巷開拓部署的優化，注重煤礦采掘布局的優化調整。開拓和采掘布局優化、改造后，大幅度簡化了礦井通風系統。其中，整合前5個進風井6個回風井，改為三進兩回通風系統;采掘布局由原來的3個水平12掘6采，優化為2個水平4套綜掘2套綜采。2011年9月將試驗薄煤層自動化綜采工作面，進一步提高機械化程度，減少采掘面個數以簡化系統。

3)注重技術路徑的優化，形成了“通風系統調研、分析、研究制定解決方案—通風阻力測定及主要通風機性能測試—通風網絡解算—通風系統優化及經濟、社會效益分析—解決礦井通風問題”的路徑，該技術路徑可用于解決類似礦井通風系統問題，并且給其他多礦井整合煤礦的通風系統優化改造提供了指導和參考。

［1］程紹仁，程建軍.礦井通風阻力測定及對幾個問題的分析［J］. 煤礦開采，2006，11(1):72－74.

［2］陳開巖，陳發明.礦井通風測量數據處理方法的集成與應用［J］.中國礦業大學學報，2002，31(6):600－604.

［3］范 杰，張學博，郭飛鵬.鶴壁十礦通風系統優化改造［J］.煤礦安全，2006(4):16－19.

［4］王德明.礦井通風與安全［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2007.

［5］張國樞.通風安全學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2007.