檸條塔煤礦多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

延光生

摘 要：為解決檸條塔煤礦北翼后期通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足的問題，使用網(wǎng)絡(luò)解算研究了礦井近期及長遠(yuǎn)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。分析了礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀與兩翼主要通風(fēng)機(jī)的性能，得到以增大風(fēng)機(jī)葉片安裝角與電機(jī)頻率來增加風(fēng)量的短期優(yōu)化措施。通過分析遠(yuǎn)期優(yōu)化方案，得到北翼必須新建2#進(jìn)回風(fēng)井，同時確定了新風(fēng)井的合理位置、數(shù)量與主要通風(fēng)機(jī)的型號。模擬了新風(fēng)機(jī)運(yùn)行后南北兩翼主要風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，結(jié)果表明礦井形成了穩(wěn)定可靠的分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。文章為礦井中長期通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行、系統(tǒng)優(yōu)化和礦井保障礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)系統(tǒng)；通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)解算；風(fēng)量

中圖分類號：TD722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）02-0178-03

1 概 述

檸條塔煤礦是陜北礦區(qū)的特大型礦井，多煤層同采，一水平開采1-2煤、2-2煤、3-1煤層，二水平開采4-2煤、5-2煤，目前開采一水平，北翼開采1-2煤、2-2煤，南翼開采2-2煤。礦井沿南北兩翼形成分區(qū)式雙風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過多年的開采，通風(fēng)路線長達(dá)16 km，目前礦井北翼一號風(fēng)井已經(jīng)到了服務(wù)邊界，再往北延伸，風(fēng)量就不能滿足安全生產(chǎn)要求，因此開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化十分有必要。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個動態(tài)變化的系統(tǒng)[1]，隨著礦井向深部延伸、開采范圍的擴(kuò)大，礦井風(fēng)量往往不能滿足生產(chǎn)的需要，大量的研究表明適時開展通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要措施[2-5]。多風(fēng)機(jī)礦井通風(fēng)系統(tǒng)除具有復(fù)雜的風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，風(fēng)機(jī)之間還存在復(fù)雜的相互影響，檸條塔煤礦隨著開采范圍向北的擴(kuò)展，通風(fēng)系統(tǒng)將面臨的主要問題是現(xiàn)有一號風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不足，因此將主要從風(fēng)井和主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化[6-9]。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算是量化分析各種通風(fēng)問題的主要方法[10-11]，本文將以此為工具對檸條塔礦井通風(fēng)系統(tǒng)展開優(yōu)化研究。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬

2.1.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算原理

礦井風(fēng)網(wǎng)解算是求解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)方法，其數(shù)學(xué)模型包括回路風(fēng)壓平衡方程、節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡方程。對于有n條邊，m個節(jié)點(diǎn)的風(fēng)網(wǎng)，這兩個方程分別為：

bij等于0表示節(jié)點(diǎn)i與分支j不相連，等于1表示分支j風(fēng)流流入i節(jié)點(diǎn)，等于-1表示j分支風(fēng)流流出i節(jié)點(diǎn)。Rj、Qj分別為分支j的風(fēng)阻與流量。

hfj是j分支風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，是風(fēng)量的函數(shù)，單位是Pa。

本文采用西安科技大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)解算軟件[12]開展相關(guān)模擬分析。

2.1.2 礦井現(xiàn)狀模擬

檸條塔煤礦分南北兩翼分區(qū)開采，礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示，主采煤層1-2煤、2-2煤，各煤層均布置兩進(jìn)一回三條大巷，形成兩翼分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，目前礦井北翼最遠(yuǎn)通風(fēng)路線約16 680 m。南、北翼風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)型號分別為BD-II-8-№28、FBCDZ-8-№28型的對旋軸流式通風(fēng)機(jī)，南翼風(fēng)機(jī)葉片安裝角位于31 °、電機(jī)頻率32 Hz，北翼葉片是0度、電機(jī)頻率39 Hz。采用網(wǎng)絡(luò)解算軟件模擬得兩翼主要通風(fēng)機(jī)工況，如圖2所示。南北兩翼工況點(diǎn)分別為（143.4 m3/s，529.5 Pa）、（169.0 m3/s，1129.2 Pa）。

2.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問題

根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)情況，礦井將在北翼布置兩個采煤工作面，兩個備用工作面，八個掘進(jìn)工作面，兩個盤區(qū)變電所和其它用風(fēng)巷道，其它用風(fēng)巷道包括稀釋膠輪車尾氣用風(fēng)。按《采礦設(shè)計手冊》計算得出采煤工作面需風(fēng)量為80 m3/s，備用工作面需風(fēng)量為40 m3/s，掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為56 m3/s，硐室需風(fēng)量為6 m3/s，其它巷道需風(fēng)量為41 m3/s，礦井風(fēng)量富余系數(shù)取1.2，經(jīng)計算礦井北翼總需風(fēng)量將達(dá)到268 m3/s。可見當(dāng)前礦井存在的主要問題是北翼風(fēng)量不足。

3 當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)的增風(fēng)潛力

3.1 主要通風(fēng)機(jī)的增風(fēng)潛力

調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)是改變礦井總風(fēng)量的主要方法。從圖2（b）可知，可通過增加北翼主要通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)與葉片安裝角來增加北翼風(fēng)量，但對于多機(jī)風(fēng)系統(tǒng)對角并聯(lián)運(yùn)行時，當(dāng)增加一翼風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量時，另一翼風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)會上移，需要注意避免將另一翼風(fēng)機(jī)工況置于不穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)段。

為此通過網(wǎng)絡(luò)解算模擬北翼風(fēng)機(jī)葉片安裝角調(diào)整為+2.5 °，不帶變頻裝置（工頻50 Hz）運(yùn)行時，南翼風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)將上移、風(fēng)量會減小，為保證南翼供風(fēng)量不受影響，需將其頻率調(diào)至35 Hz，此時兩翼工況，如圖3所示。

從以上模擬可以得到：

①北翼總風(fēng)量增加了79.5 m3/s，南翼風(fēng)機(jī)工況略有升高，工況點(diǎn)仍處于低阻力區(qū)，表明北翼的增風(fēng)調(diào)節(jié)不會影響南翼風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；

②北翼增風(fēng)79.5 m3/s后，總風(fēng)量達(dá)到248.5 m3/s，雖不能滿足礦井需風(fēng)量268 m3/s的要求，但是有效的增加了礦井現(xiàn)狀風(fēng)量。

3.2 北翼回風(fēng)井通風(fēng)能力

更換主要通風(fēng)機(jī)的可行性。通過對兩年后礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算得出，當(dāng)北翼總回風(fēng)量達(dá)到268 m3/s時，北翼通風(fēng)總阻力將達(dá)到3 402 Pa，超過了2 940 Pa的規(guī)定，且當(dāng)?shù)V井向北延伸到井田邊界時，總阻力將達(dá)到4 052 Pa。因此直接更換主要通風(fēng)機(jī)不能解決北翼未來風(fēng)量不足的問題。

擴(kuò)大回風(fēng)巷道斷面。檸條塔礦在用系統(tǒng)井巷斷面均在20 m2左右，該斷面的巷道保證了井巷風(fēng)速均符合規(guī)程要求，再擴(kuò)大斷面不現(xiàn)實(shí)且工程量巨大，也影響正常生產(chǎn)，因此擴(kuò)巷措施也不可行。

綜上，當(dāng)前可以通過調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)為礦井增加風(fēng)量，但不能實(shí)現(xiàn)礦井最大需風(fēng)量的要求，且通過在北翼風(fēng)井更換主要通風(fēng)機(jī)與擴(kuò)巷等措施來增風(fēng)均不能在合理的通風(fēng)阻力內(nèi)將總風(fēng)量增至268 m3/s的要求。因此建設(shè)北翼二號新風(fēng)井就成為解決礦井北翼深部風(fēng)量不足的必須和唯一的選擇。

4 新風(fēng)井位置的選擇

4.1 新風(fēng)井位置與數(shù)量

由圖1可知，礦井進(jìn)回風(fēng)井之間主要呈對角式通風(fēng)，但當(dāng)開采區(qū)域（如當(dāng)前布置）超過回風(fēng)井位置后，用風(fēng)點(diǎn)與風(fēng)井之間便更多的表現(xiàn)為中央式通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。中央式通風(fēng)系統(tǒng)隨著通風(fēng)路線的增加，礦井阻力會有明顯的增加，而當(dāng)前表現(xiàn)出的中央式通風(fēng)系統(tǒng)，比普通中央式通風(fēng)系統(tǒng)的阻力還要大。通過計算表明，若在當(dāng)前北翼回風(fēng)井以北僅建二號新回風(fēng)井，現(xiàn)有的主、副井筒表現(xiàn)的進(jìn)風(fēng)功能將逐漸減弱，因此新風(fēng)井應(yīng)采取進(jìn)回風(fēng)井雙井建設(shè)方案，如圖4所示。

4.2 主要通風(fēng)機(jī)選型

經(jīng)計算，新風(fēng)井排風(fēng)量為268m3/s時、距井田邊界2 700 m處，可保證礦井通風(fēng)困難時期的要求，且計算得到北翼風(fēng)機(jī)通風(fēng)容易與困難時期的設(shè)計工況點(diǎn)分別為（268 m3/s，1 602 Pa）、（268 m3/s ，2 888 Pa）。根據(jù)設(shè)計工況點(diǎn)選擇的新風(fēng)機(jī)型號為FBCDZ№34/710×2（B），n=580 r/min，容易、困難時期風(fēng)機(jī)實(shí)際工況，如圖5、圖6所示。

5 結(jié) 語

通過研究確定了礦井近期和中長遠(yuǎn)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，其中近期方案實(shí)施后，取得了預(yù)期效果，中遠(yuǎn)期方案為礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全提供了技術(shù)支撐。研究的主要結(jié)論如下：

①采用網(wǎng)絡(luò)解算模擬了礦井通風(fēng)現(xiàn)狀，得到當(dāng)前主要通風(fēng)機(jī)尚有較大增風(fēng)能力，確定了礦井近期以調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)增風(fēng)的優(yōu)化方案。

②分析兩翼主要通風(fēng)機(jī)之間的相互影響，通過模擬得到北翼風(fēng)機(jī)能力增大不會對南翼風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

③北翼通風(fēng)困難時期，進(jìn)回風(fēng)井主要表現(xiàn)中央式通風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)井應(yīng)選擇一進(jìn)一回雙風(fēng)井建設(shè)方案。

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