多風井集約化鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造*

張鴻斌　趙曉濤　高軍軍

(1.山西晉城煤業(yè)鳳凰山煤礦；2.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室)

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多風井集約化鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)優(yōu)化改造*

張鴻斌1趙曉濤2,3高軍軍2,3

(1.山西晉城煤業(yè)鳳凰山煤礦；2.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室)

針對鳳凰山煤礦通風距離長、有效風量率低等問題，顧及多風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)及其復雜網(wǎng)絡的特點，對鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)存在的問題進行了解析，并提出了將北回風斜井改造為進風斜井，僅由南回風斜井單風井回風的系統(tǒng)改造方案。該通風系統(tǒng)優(yōu)化改造后，井下風量充足，負壓約2 550 Pa，較改造前上升3%。改造后的通風系統(tǒng)在確保該礦安全生產(chǎn)的同時可節(jié)約各項成本500余萬元，經(jīng)濟效益顯著，可供類似礦山參考。

多風井集約化通風系統(tǒng)優(yōu)化改造

煤礦井下通風系統(tǒng)簡單，便于通風管理，通風經(jīng)濟合理，可節(jié)約通風費用，而通風系統(tǒng)的安全可靠狀況直接決定著整個礦井的安全程度，是煤礦安全工作的重中之重[1-3]。因此優(yōu)化設計礦井通風系統(tǒng)，開展集約化生產(chǎn)，成為一個亟待解決的問題[4-7]。故本研究以鳳凰山煤礦為例，對該礦井下通風系統(tǒng)存在的問題進行分析，并對優(yōu)化改造方案進行探討。

1　礦井概況

鳳凰山煤礦井田東西寬約4.3 km，南北長約7.5 km，面積29.35 km2，2006年核定生產(chǎn)能力為400萬t/a。礦井采用斜井片盤開拓方式，普通炮掘綜掘，綜采工藝，走向長壁后退式采煤方法。礦井現(xiàn)主要開采151、152、153盤區(qū)煤層，151、152盤區(qū)位于井田南翼，153盤區(qū)位于井田北翼，全部垮落法管理頂板，在每個盤區(qū)配置2個綜掘面，以一井兩區(qū)兩面四綜掘滿足礦井設計生產(chǎn)能力。礦井通風方法為抽出式，通風方式為分區(qū)混合式通風。礦井現(xiàn)有5個進風井，2個回風井，經(jīng)實測，各進風井風量見表1，各主要通風機參數(shù)見表2。

m3/min

表2　各主要通風機運行參數(shù)

鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)共包括7個進出風井，多風井復雜風網(wǎng)是其顯著特征，南回風井供風區(qū)域較多、通風線路長、角聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)多，通風阻力大，導致主要通風機已達最大工作能力，通風系統(tǒng)管理工作困難。根據(jù)鳳凰山煤礦開采特點，礦井未來2 a內(nèi)將逐步轉(zhuǎn)入15#煤層一盤區(qū)、二盤區(qū)、三盤區(qū)進行相對集中生產(chǎn)，盤區(qū)不斷收縮、封閉，并聯(lián)風路減少，由此將導致礦井通風阻力、井巷風阻進一步升高，同時北回風斜井服務區(qū)域資源枯竭，不利于實現(xiàn)集約化生產(chǎn)，因此可考慮關閉北回風斜井。隨著礦井整合工作的進行、盤區(qū)巷道的不斷收縮和封閉，將導致南回風井通風阻力進一步增大，無法保證南回風井主扇穩(wěn)定運行，滿足不了未來在15#煤層開展集約化生產(chǎn)的通風需求，因此，對鳳凰山煤礦進行通風系統(tǒng)改造，降低通風阻力，對該礦安全生產(chǎn)和集約化生產(chǎn)具有重大意義。

2　礦井通風現(xiàn)狀

2.1礦井通風系統(tǒng)阻力分布狀況

為準確掌握礦井通風系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)各阻力測定方法的優(yōu)缺點，采用傾斜壓差計法和氣壓法相結(jié)合的方法對鳳凰山煤礦進行了阻力測試[8-9]。對測試數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，礦井三區(qū)(進風段、用風段、回風段)的通風阻力測試數(shù)據(jù)見表3，礦井通風阻力沿程分布狀況如圖1所示[10]。由表3、圖1可知：①鳳凰山煤礦南回風斜井用風段阻力占總阻力的34.4%，回風段阻力占總阻力的50.74%，超過了50%，百米阻力值偏高，為100.78 Pa；②北回風斜井用風段阻力占總阻力的41.65%，較合理，而進風段阻力占總阻力的42.98%，百米阻力值為34.46 Pa，阻力較大。可見，該礦井阻力分布不甚合理，主要表現(xiàn)為鳳凰山煤礦南回風斜井回風段由于通風路線長、部分巷道斷面偏小導致阻力過高，北回風斜井擔負區(qū)域進風段單一通風路線長、集中進風導致進風段阻力偏高。

表3　礦井通風三區(qū)阻力相關參數(shù)

圖1　礦井通風阻力沿程分布●—南回風斜井測試路線；■—北回風斜井測試路線

2.2礦井風量分配

經(jīng)實測，礦井各主要進風井筒風量、用風地點風量和回風井筒過風量分配見表4。通過各回風井實測風量和風機排風量計算可知：①南回風斜井漏風率為5.28%，北回風斜井漏風率為8.22%，兩回風井均無提升設備，漏風率均超過規(guī)程要求；②礦井總進風量為280.13 m3/s，礦井用風段風量為231.6 m3/s，由此可知礦井內(nèi)部漏風率為17.3%，有效風量率為82.7%，故需加強通風管理，減少內(nèi)部漏風，增加有效風量。

3　優(yōu)化改造方案

3.1礦井回風系統(tǒng)

鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)的回風系統(tǒng)確定的基本思路是根據(jù)各風井主干風路的過風能力，確定是否該由單一風井(南回風斜井)承擔回風任務，若滿足，則對北回風斜井進行改造，本著降低通風總阻力、節(jié)約成本、滿足全礦通風需要的原則，確定北回風斜井的改造方案為：①關閉北回風斜井(2水平主回風巷變?yōu)檫M風巷)；②將北回風斜井改造為進風斜井(2水平主回風巷變?yōu)檫M風巷)。礦井各盤區(qū)、硐室理論需風量及各風井系統(tǒng)的過風能力如表5所示。由

表4　礦井實測風量統(tǒng)計

于井底巷道分支相對較多，當過風能力不足時，可采取巷道并聯(lián)或擴面改造的方式提升主干風路的過風能力。因此本研究僅考慮各井筒的過風能力與礦井風量的匹配，得到風井系統(tǒng)的組合方案如表5所示。

表5　風井系統(tǒng)組合方案

由表5可知：風井系統(tǒng)組合共有3種方案，回風系統(tǒng)的總回風能力分別達到15 120，10 440，25 560 m3/min，而礦井理論總需風量為10 890 m3/min，方案3通風能力過剩，浪費資源，方案1、方案2接近所需風量要求，故本研究對方案1、方案2進行進一步分析。

由表2數(shù)據(jù)計算可知：北回風斜井回風量96.67 m3/s，總阻力1 520 Pa；南回風斜井回風量188.33 m3/s，總阻力2 470 Pa。若采用方案1，礦井總回風量為181.5 m3/s，風阻可認為近似不變，預計風井負壓為5 358.5 Pa，遠超出風機能力；若采用方案2，預計風壓為2 294 Pa，具有較大調(diào)節(jié)可能性，故本研究選用方案2，即單一使用南回風斜井回風。

3.2優(yōu)選方案效果分析

對鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)進行改造及分析，確定由南回風斜井單獨回風，此時對北回風斜井改造方法有：①直接封閉北回風斜井；②將北回風斜井改造成進風斜井。鳳凰山煤礦通風系統(tǒng)復雜，人工解算基本無法實現(xiàn)，并且無法靈活地對用風地點的風量進行調(diào)配，故需運用計算機輔助程序進行系統(tǒng)仿真。

3.2.1直接封閉北回風斜井

北回風斜井關閉時，各主要巷道需風量與模擬風量對比以及風速分布見表6。由表6可知：當北回風斜井關閉時，大部分巷道模擬風量與需風量相差較小，風速滿足規(guī)程要求，此時南回風斜井風機負壓為2 744 Pa，風量為10 243 m3/min，考慮5%的誤差，風機負壓范圍為2 744～2 881 Pa，此時風機負壓臨近風機喘振狀態(tài)，不利于風機運行，故北回風斜井關閉方法(方法1)不可行[6]。

表6　北風井關閉時各主要過風地點風量

3.2.2北回風斜井改造成進風斜井

北回風斜井改為進風斜井時各主要過風巷道需風量與模擬風量對比以及風速分布見表7。由表7可知：當北回風斜井改為進風斜井時，大部分巷道模擬風量與需風量非常接近，風速符合規(guī)程要求，此時南回風斜井風機負壓為2 550 Pa，風量為10 437 m3/min，考慮5%誤差，風機負壓范圍為2 550～2 678 Pa，此時風機工況點在合理工作范圍內(nèi)，并且能夠滿足井下用風需求。

表7　北回風斜井改為進風斜井時各主要過風點風量

經(jīng)過通風系統(tǒng)改造，通風系統(tǒng)角聯(lián)結(jié)構(gòu)減少、通風網(wǎng)絡較改造前簡單，有效風量率由改造前的82.3%提高至88.4%，內(nèi)部漏風率下降；北回風斜井風機運行功率為630kW，節(jié)約電費成本約441.5萬元，改造后停用北回風斜井風機，系統(tǒng)管理簡單，故本研究選擇方法2(北回風斜井改造成進風斜井)。

4　結(jié)　語

根據(jù)鳳凰山煤礦采掘銜接及生產(chǎn)實際情況，對該礦通風系統(tǒng)進行了分析研究，確定對北回風斜井進行改造，僅由南回風斜井單風井回風即可滿足需要。經(jīng)論證，將該礦北回風斜井改造為進風斜井后各用風點的風量滿足需求，南回風斜井風機負壓僅為2 550Pa，較改造前僅上升3%，仍有較大調(diào)節(jié)空間，符合生產(chǎn)實際要求。該礦通風系統(tǒng)改造后，系統(tǒng)簡單可靠，有效風量率上升，每年可節(jié)約各項成本約500 萬元。

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Optimization and Transformation for the Ventilation System of Fenghuangshan Coal Mine with the Characteristics of Multi-shaft and Intensification

Zhang Hongbin1Zhao Xiaotao2,3Gao Junjun2,3

(1.Fenghuangshan Coal Mine, Shanxi Jincheng Anthracite Mining;2.College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University;3.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention, Ministry of Education)

In view of the defects of the long ventilation distance and low rate of effective air volume of Fenghuangshan coal mine,based on the characteristics of joint operation of multi-fan and its complex network,the problems of the ventilation system of Fenghuagnshan coal mine are analyzed in detail,the optimization and transformation scheme of the ventilation system of Fenghuagnshan coal mine is proposed,it concludes that the north return air inclined shaft is transformed to the inlet air inclined shaft,return air of the ventilation system is conducted by the single air shaft.After the optimization and transformation of the ventilation system of Fenghuangshan coal mine,the underground air volume is sufficient,the fan negative pressure is about 2 550 Pa，which is increased 3% compared with the original ventilation system.The safety production of Fenghuagnshan coal mine can be ensured by the optimization and transformation of the ventilation system,besides that,the products costs of Fenghuagnshan coal mine can be saved more than 5 million yuan,therefore,the economic benefits is remarkable,it can provide some reference for the similar coal mines.

Multi-shaft,Intensification,Ventilation system,Optimization and transformation

2016-06-14)

*國家自然科學基金項目(編號：51204089)；遼寧省教育廳科研項目(編號：L2014131)。

張鴻斌(1976—)，男，工程師，048007 山西省晉城市。