孟津煤礦通風系統優化改造

魯忠良，李玉江，楊楠珂

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454003)

孟津煤礦通風系統優化改造

魯忠良1，2，3，4，李玉江1，楊楠珂1

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室，河南 焦作 454003；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454003)

針對孟津煤礦通風總阻力偏大、東翼回風大巷風速超限，礦井采掘部署不合理，風量浪費嚴重的問題，通過對通風阻力測定和主要風機性能鑒定的結果進行分析，制定了優化方案，主要措施包括：巷道降阻、合理配風、后期通風系統確定，利用VNT軟件數據解網，驗證了優化方案的效果。并針對礦井后期的生產部署，制定了二水平的通風系統方案，通過評價對比，選擇了合理方案。結果表明，對東翼回風大巷斷面擴修可有效降低礦井通風阻力，大大降低風機能耗，通風系統穩定、可靠，為礦井安全生產提供了保障。

礦井；通風系統；優化方案；改造

1 孟津煤礦通風系統優化的必要性

孟津煤礦位于河南省孟津縣橫水鎮境內，礦井設計生產能力1.2Mt/a，采用立井兩水平上下山開拓。礦井東一采區布置1個綜采工作面和1個抽放工作面6個掘進工作面，西二采區布置8個掘進工作面。礦井瓦斯含量為3.20～9.80m3/t，平均6.97m3/t。礦井通風方式為中央并列式，主要通風機的通風方式為抽出式，副井進風，風井回風。中央風井位于工業場地內，服務一水平上、下山采區，服務年限37.2年。礦井總進風量215.8m3/s，礦井總回風量218.39m3/s。礦井外部漏風率1.19%。中央風井布置兩臺同型號對旋式通風機，一臺正常工作，另一臺備用，型號為：FBCDZ NO.34/2×560。

孟津煤礦為新建礦井，處于試運轉階段，井下掘進巷道較多，礦井需風量較大，通風系統雖然不復雜，但是由于管理不完善，施工不標準等原因，通風系統仍然存在較多問題。如東翼回風大巷風速已接近8m/s，風速較高的問題；礦井的通風總阻力偏大，在目前主通風機-3°運行狀態下，井下通風系統如果發生突然變化(阻力升高)，風機極易超負荷，影響井下的通風系統的穩定性，同時降低了礦井通風系統的抗災變能力。還有隨著礦井的開采，礦井向二水平延伸，通風線路較長，仍然采用中央并列式通風方式能否滿足礦井二水平的生產要求等這一系列的問題都是孟津煤礦亟需解決的問題，礦井的通風系統優化勢在必行。

2 通風技術測試分析及現行通風系統網絡模擬

2.1 通風現狀技術測定

礦井通風是煤礦井下多個生產環節中非常重要的一個環節，隨著礦井的生產延伸，礦井的通風系統也在不斷變化，要對礦井進行系統優化，必須及時獲取礦井的重要通風技術參數，主要包括礦井通風網絡的阻力分布情況和各分支巷道的風阻值、摩擦阻力系數[1-3]。采用氣壓計法中的雙基點同時測定法對礦井進行了全面的通風阻力測定，并對通風阻力、風阻、摩擦阻力系數進行了計算。

2.2 測定結果分析

礦井通風阻力沿程分布狀況如圖1、圖2所示。礦井三段(進風段、用風段、回風段)通風阻力的百分比情況見表1。

表1 礦井通風三段阻力分布情況

圖1 孟津煤礦礦井通風阻力三段分布圖(主測路線)

圖2 孟津煤礦礦井通風阻力三段分布圖(輔測路線)

從阻力分布圖1、圖2和表1看出：義煤集團孟津煤礦進風段、用風段和回風段的阻力分別占總阻力的27.64%、39.62%、32.74%。三段阻力分布狀況根據現狀較合理。從礦井百米阻力值來看，回風段百米阻力值偏大，主要是回風路線長，且回風巷道斷面小，底板雜物多增加摩擦阻力。從阻力分布圖可以看出，水平東翼回風大巷阻力是435.707Pa，阻力偏大主要原因是回風巷斷面小風量大而且底板不平整、部分巷道形狀不規則造成的。用風段阻力偏大主要原因是，工作面的膠帶順槽和軌道順槽中間部分巷道支護形式發生改變，并且斷面變小，所以局部阻力偏大。

2.3 現行系統通風網絡解算

礦井通風系統現狀網絡解算是礦井通風系統優化的基礎[4]，通過當前通風網絡和實測各分支風阻值，2#主通風機在-3°運行條件下，掛網解算，解算結果見表2和表3。

由表1、表2知，解算的主要巷道風量與實測風量較吻合，測量結果的相對誤差均小于5%，從而表明，通風網絡各分支的風阻值測算結果準確、可靠?？勺鳛橥L系統優化、改造和通風日常管理的依據。

3 孟津煤礦通風系統優化

3.1 巷道降阻

3.1.1 改造方案

擴修東翼回風大巷，斷面增大至16m2，工作面的軌道順槽和膠帶順槽中間支護形式和巷道斷面發生突然改變處，增加擋風簾遮擋，避免巷道突然增大或減小導致的局部阻力過大。

3.1.2 解網條件

降阻工作完成后，根據礦井通風阻力各項實測數據，1#風機-3°運行，掘進工作面和硐室按固定風量分風。采煤工作面自然分風，掛網解算，解算結果見表4和表5。

表2 主要通風機運行工況表

表3 礦井主要用風地點通過風量表

表4 孟津煤礦主要通風機運行工況表

表5 孟津煤礦主要用風地點通過風量表

東翼回風大巷斷面擴修和工作面局部阻力降低后，礦井總阻力降低至2720.7Pa，小于2940Pa，各高阻力段的阻力值都有不同程度的降低，井下重要用風地點的風量滿足要求。主通風機功率由693.435kW，降低至606.808kW，同時風機效率又80.65%增至82.74%。東翼回風大巷斷面經擴修后，雖然回風風量有所增加，但是風速卻降低至7.1m/s，滿足規程規定。表明此方案對礦井的通風系統啟到顯著的調節作用。

但是，解算結果顯示礦井工作面的風量超過1500m3/min的配風標準793.2m3/min。礦井的風量浪費較嚴重，建議進一步優化。

3.2 合理配風優化

通過方案一的優化，礦井的風量、負壓各項指標均正常，可以滿足礦井的正常的生產需要。孟津煤礦處于生產的初期階段，礦井主通風機能力較強，井下風量充足，但是井下用風地點的配風量遠遠超過配風標準。這就造成很大一部分風量的浪費，風機能耗較高。并且井下掘進巷道有14條，部分掘進工作面回風流交匯，由于孟津煤礦為煤與瓦斯突出礦井，這種布置存在一定的安全隱患，并且降低了礦井的抗災變能力。

3.2.1 礦井采掘部署分析

礦井目前布置11011綜采工作面長度120m，煤層平均厚度3.5m，年推進度1900m，煤的視密度為1.44t/m3，工作面回采率取0.97，工作面生產能力：Q綜=120×1900×3.5×1.44×0.97×10-4=1.115 Mt/a。

掘進煤量0.105 Mt/a，礦井生產能力為1.22Mt/a。礦井目前開采11011工作面，西翼布置12011工作面，目前剩余掘進巷道360m，3個月可以完工，可以滿足正常采掘更替。因此，10個掘進工作面，4個煤巷6個巖巷，可以滿足礦井的正常生產需要。3.2.2 礦井需風量

采煤工作面1500m3/min，抽采工作面720 m3/min，煤巷掘進600 m3/min，巖巷掘進510 m3/min，井下所有硐室960 m3/min，其他巷道300 m3/min。

則礦井的需風量為：Q礦=(25+12+10×4+6×8.5+16+5)×1.2=178.8 m3/s。

3.2.3 解網條件

根據礦井通風阻力測定結果及合理的生產部署，解網分析。主通風機-9°運行，掘進工作面，硐室按固定風量，采煤工作面，抽采工作面風阻值自然分風，進行掛網結算。結算結果見表6和表7。

表6 孟津煤礦主要通風機運行工況表

表7 孟津煤礦主要用風地點通過風量表

3.2.4 結果分析

通過合理的配合和采掘布置，礦井總回風量降低至182.6 m3/s，井下各主要用風地點風量均滿足要求。通過降低礦井的風量，礦井的總阻力大大降低，阻力值降低1810.39Pa。主通風機-9°運行，風機效率可以滿足要求，風機的功率降低至425.342kW。大大降低礦井能耗，并且降低了通風的成本。

3.3 孟津煤礦后期通風系統的確定

3.3.1 后期礦井通風狀況分析及方案提出

礦井目前開采一水平，采用中央并列式的通風方式，副井進風，中央風井回風。礦井二水平投產后，整個通風線路大大加長，阻力增大，礦井的通風系統將更加復雜，需要合理的通風方案，來保證礦井的安全生產。通過對礦井各個方面因素的綜合分析，制定礦井的通風系統方案。切實可行的方案有兩個：①仍然采用原來的中央并列式通風，副井進風，風井回風；②在井田南部重新布置風井，負擔二水平的回風任務。

3.3.2 后期通風系統方案評價

礦井通風系統優化方案的優劣評價主要從技術可行、安全可靠、經濟合理三個方面考慮[5]。礦井通風系統多個評價指標，各個指標間存在著不可公度性和矛盾性，為綜合考慮各項指標，科學評價通風系統必須采用多目標決策法[6-7]。針對孟津煤礦后期的通風系統方案采用多目標決策法中的最高積分法。

最高積分法即：設一個問題目標有m個，被評價的方案有n個，對于每一方案的每一目標，皆有一評價值，所有的評價構成一個評價矩陣(式(1))。

(1)

式中，Eij為第j個方案的第i項指標的評價值。

Eij是根據各項指標的原始評價值計算得出的。若第i項指標為定性指標，由專家給定其原始評價值，當為定量指標時，直接作為原始評價值。

設各項指標的原始評價值為fij，當第i個指標要求越小越好時，則在第n個方案中，以第i項指標最小作為一個標準(式(2))。

(2)

然后計算Eij(式(3))。

(3)

當第i項指標要求越大越好時，令

(4)

然后計算Eij(式(5))。

(5)

由于各項指標重要程度不同，各個目標的權重也不同，則將個目標的評價值與權值的成績之和作為綜合指標(式(6))。

(6)

式中Wi為第i項指標的權值。

最后的評價結果認為Mj最大的為最優的方案[8，10]。

利用此方法對孟津煤礦后期通風系統的兩套方案進行綜合評價，各項指標及權重見表8。

表8 評價指標各項評價值及權重

最后計算得方案1的M為25.1，方案2的M值為34.5。方案2明顯優于方案1。

3.3.3 后期通風系統方案選取

方案1的優點是避免了重新設計回風立井和風機設備。缺點是礦井生產后期的通風線路將達到5400m，整個礦井通風阻力較大，通風困難。并且二水平較深，瓦斯含量大，地溫也將增高，礦井的各種自然災害將更加嚴重，深部沒有安全出口，礦井的抗災變能力和穩定性較低。

方案2的優點是礦井增加了一個回風口，礦井的阻力較小，通風也相對容易，并且增加一個安全出口，提高了礦井通風系統的穩定性和抗災變能力。缺點是投資較大。

以技術可行、經濟合理、安全可靠的原則，綜合對比，確定二水平的通風系統采用中央分列式的通風方式。

4 結 語

1)通過通風阻力測定與vnt模擬結果，系統分析了礦井通風阻力過大的原因，制定了通風系統優化的方案：對東翼回風大巷斷面進行了擴修，斷面積擴修至設計斷面16m2，礦井的阻力降低至2720.7Pa，有效的降低了礦井的通風阻力。

2)通過對礦井生產能力和采掘部署的合理分析，最終確定，井下在10個掘進工作面的前提下就可以保持礦井的正常生產。據此，調整主通風機的葉片角度至-9°，調整了礦井的配風，礦井各個地點的用風可以滿足要求，通風系統綜合評價指標由3.7提升到34.5，提高了礦井通風系統的穩定性，風機的功率由原來的693.435kW降低到425.342kW，大大降低了風機能耗。

3)提出了孟津煤礦生產后期，二水平的通風系統方案，通過對技術可行、經濟合理和安全可靠等方面的分析，采用最高積分法對后期方案進行評價，選擇了礦井二水平的通風系統方案。

[1] 吳建輝.嵩山礦通風系統優化研究[D].焦作：河南理工大學，2011.

[2] 田學起.礦井高效低耗通風系統的構成模式研究[D].青島：山東科技大學，2005.

[3] 魯忠良，郭華巍，齊金龍.孟津煤礦通風系統優化[J].煤礦安全，2013(11)：137-138.

[4] 王海寧，彭斌，彭家蘭，等.大型復雜礦井通風系統的共性問題分析與優化實踐[J].安全與環境學報，2014(3)：24-27.

[5] 郭一鵬，陳開巖.烏蘭煤礦通風系統方案優化決策研究[J].煤炭技術，2012(1)：106-108.

[6] 刁明富，王洪良.基于廣義回歸神經網絡GRNN的礦井通風系統可靠性評價[J].煤炭工程，2008(8)：75-78.

[7] 張黔生，謝賢平，吳劭星.多風機多級機站通風系統優化的模糊群體決策法[J].中國安全生產科學技術，2009(5)：88-92.

[8] 徐義勇.礦井通風系統優化決策支持系統的研發[J].礦業研究與開發，2005(4)：85-88.

[9] 顏友，姚茂文.多目標決策法在中晚期礦井通風系統優選中的應用[J].湖南有色金屬，2008(2)：1-4.

[10] 王燕杰，郭勇義，吳世越.礦井通風系統方案優選[J].煤炭技術，2011(10)：83-85.

Optimization for ventilation system of Mengjin Coal Mine

LU Zhong-liang1，2，3，4，LI Yu-jiang1，YANG Nan-ke1

(1.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2.Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control，Jiaozuo 454003，China；3.Collaborative Innovation Center of Central Plains Economic Region for Coalbed /Shale Gas，Jiaozuo 454003 China；4.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province，Jiaozuo 454003，China)

In view of the Mengjin Coal Mine’s large total ventilation resistance，east wing main return way wind speed out of gauge，coal mining deployment is not reasonable，and the wind-waste problem is getting serious.The optimization scheme is made up，which is analyzed by measuring the resistance of the ventilation and the main fan performance appraisal results.The main measures include：reducing the tunnel resistance、reasonable distribution of air quantity、determine the later ventilation system，through the solution of network by using VNT，verified the effect of the optimization schemes.And according to the mine’s later production deployment，developed a ventilation system of the second level.By evaluating contrast，chose the reasonable solution.The results showed that expand the section of the air return roadway can effectively reduce the resistance of mine ventilation system，greatly reduce the energy consumption of the fan，and the ventilation system will be stable and reliable，provide guarantee for production safety of the mine.

coal mine；ventilating system；optimization scheme；reform

2015-02-27

國家自然科學基金資助項目“基于有源風網力學模型的煤與瓦斯突出礦井通風系統災變過程研究”資助(編號：51174109)

魯忠良(1964-)，男，吉林鎮賚人，教授，碩士研究生導師，研究方向為通風與除塵。E-mail：zhonglianglu@ 126.com。

TD728

A

1004-4051(2015)08-0105-05