南溝煤礦通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定原因分析及對(duì)策研究

侯宇杰

(山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

1 工程概況

南溝煤礦進(jìn)入二期工程施工時(shí)，于2016年10月份，主、副、回風(fēng)斜井相繼落底并貫通，在回風(fēng)斜井井口安裝了兩臺(tái)臨時(shí)抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，砌筑兩道風(fēng)門封閉回風(fēng)斜井上井口，兩臺(tái)臨時(shí)抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)通過(guò)一段風(fēng)道與回風(fēng)斜井上口合茬，通風(fēng)方式采用機(jī)械抽出式通風(fēng)，形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，主、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井出風(fēng)，井下乏風(fēng)通過(guò)回風(fēng)斜井井口安裝的臨時(shí)抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)排至大氣中。臨時(shí)抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)開(kāi)一級(jí)電機(jī)工作，經(jīng)測(cè)定，副斜井進(jìn)風(fēng)量1 200 m3/min，主斜井進(jìn)風(fēng)量800 m3/min，回風(fēng)斜井出風(fēng)量2 000 m3/min，臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量2 500 m3/min。

南溝煤礦二期工程施工時(shí)，于2017年1月份出現(xiàn)了原進(jìn)風(fēng)的主斜井出風(fēng)或微風(fēng)等情況。主斜井最大出風(fēng)量達(dá)到450 m3/min，副斜井進(jìn)風(fēng)量2 250 m3/min，回風(fēng)斜井出風(fēng)量1 800 m3/min，充分表明通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題，必須有針對(duì)性地采取對(duì)策，保障井下開(kāi)采的安全性。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定原因分析

進(jìn)入冬季，南溝煤礦出現(xiàn)的主斜井出風(fēng)或微風(fēng)等情況，即主斜井風(fēng)流反向問(wèn)題，造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，進(jìn)行原因分析，主次原因如下[1-5]。

2.1 回風(fēng)斜井井口存在漏風(fēng)現(xiàn)象

回風(fēng)斜井安裝帶式輸送機(jī)運(yùn)輸出殲，皮帶機(jī)頭探出井口，因回風(fēng)斜井上井口砌筑的兩道風(fēng)門墻體過(guò)路皮帶處過(guò)風(fēng)面積大，封閉不嚴(yán)實(shí)，加之人員上、下井時(shí)經(jīng)常開(kāi)啟該處風(fēng)門，造成部分風(fēng)流短路，井口漏風(fēng)量達(dá)500 m3/min，漏風(fēng)率為20%，井口漏風(fēng)率較大，井下有效風(fēng)量小。回風(fēng)斜井井口存在漏風(fēng)情況是造成主斜井無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的一個(gè)次要原因。

2.2 臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力不足

南溝煤礦二期工程施工時(shí)，永久主要通風(fēng)機(jī)未安裝投入使用，依據(jù)《南溝煤礦二期工程施工通風(fēng)設(shè)計(jì)》中的臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)選型計(jì)算，選擇型號(hào)為FBCDZ-8-No18D型防爆抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)(功率：2 kW×90 kW，轉(zhuǎn)速：740 r/min，風(fēng)量1 320 m3/min～4 200 m3/min，風(fēng)壓2 535 Pa～911 Pa)。井下正常施工時(shí)有3個(gè)～4個(gè)掘進(jìn)工作面，進(jìn)入冬季前，抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)開(kāi)一級(jí)電機(jī)工作，葉根安裝角度調(diào)至中間角度30°，能夠滿足當(dāng)時(shí)礦井施工通風(fēng)安全需要。進(jìn)入冬季，抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)開(kāi)一級(jí)電機(jī)工作，未開(kāi)雙級(jí)電機(jī)工作，加之葉根安裝角度調(diào)至中間角度30°，未調(diào)至最大安裝角度，臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力有限，未適時(shí)調(diào)整臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，當(dāng)時(shí)通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的風(fēng)壓不能有效克服冬季反向的自然風(fēng)壓，出現(xiàn)了主斜井出風(fēng)情況。臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力不足是造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個(gè)重要原因。

2.3 冬季自然風(fēng)壓反向造成主斜井出風(fēng)情況

1) 自然風(fēng)壓概述及其形成。南溝煤礦二期工程冬季施工時(shí)，采用地面燃煤暖風(fēng)爐為進(jìn)風(fēng)主斜井供熱風(fēng)，由于主斜井井壁溫度逐漸升高，導(dǎo)致主斜井側(cè)的空氣柱的平均密度逐漸小于回風(fēng)斜井側(cè)的空氣柱的平均密度，造成礦井自然風(fēng)壓反向并逐漸加大，促使主斜井出風(fēng)。同時(shí),該礦井的自然風(fēng)壓隨季節(jié)性變化而變化，冬季自然風(fēng)壓作用方向與主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)壓方向相反，礦井自然風(fēng)壓反向并較大，其中1月份礦井自然風(fēng)壓最大，加之為主斜井供暖風(fēng)，主斜井空氣柱的平均密度較小，促使主斜井風(fēng)流反向，主斜井出風(fēng)。冬季自然風(fēng)壓反向并較大是造成礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的一個(gè)主要原因。

2) 自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向理論計(jì)算。自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意圖如圖1所示，進(jìn)入冬季前，DB副斜井和AB1主斜井進(jìn)風(fēng)，冬季主斜井自然風(fēng)壓作用方向與主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)風(fēng)壓方向相反，主斜井風(fēng)流反向，主斜井出風(fēng)量450 m3/min。

圖1 自然風(fēng)壓使風(fēng)流反向示意圖

對(duì)回風(fēng)斜井來(lái)說(shuō)冬季存在兩個(gè)系統(tǒng)自然風(fēng)壓：

AB1B11CFA系統(tǒng)的自然風(fēng)壓HNA=Zg[ρ(CBI11)-ρ(FAB1)]；DBB1B11CFED系統(tǒng)的自然風(fēng)壓為HND=Zg[ρ(CB1)-ρ(EDB)]，式中，ρ(CB11)、ρ(FAB1)和ρ(EDB1)分別為CB11、FAB1和EDB1空氣柱的平均密度，kg/m3。

自然風(fēng)壓與主要通風(fēng)機(jī)作用方向相反，相當(dāng)于在副斜井口D和主斜井口A各安裝一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)。設(shè)AB1風(fēng)流停滯，對(duì)回路AB1和AB1B11CFA分別列出壓力平衡方程，見(jiàn)式(1)、式(2)。

HNA-HND=RDQ2

(1)

HS-HNA=RCQ2

(2)

式中：HS為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；Q為DBB1B11C風(fēng)路風(fēng)量，m3/s；RD、RC為分別為DBB1和B1B11C分支風(fēng)阻，Ns2/m3。

式(1)和式(2)相除，得AB1段風(fēng)流停滯條件式見(jiàn)式(3)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)=RD/RC

(3)

AB1段風(fēng)流反向條件式見(jiàn)式(4)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)>RD/RC

(4)

從AB1段風(fēng)流反向條件式(4)可知，進(jìn)入冬季施工時(shí)，由于主、副斜井各通風(fēng)回路系統(tǒng)均產(chǎn)生反向的自然風(fēng)壓且主斜井通風(fēng)回路系統(tǒng)自然風(fēng)壓較大，加之副斜井進(jìn)風(fēng)段DBB1與回風(fēng)斜井出風(fēng)段B1B11C分支風(fēng)阻的比值小，同時(shí)通風(fēng)機(jī)工作靜壓小，造成主斜井出風(fēng)情況，即主斜井風(fēng)流反向，通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3 防治礦井通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定對(duì)策

3.1 減少回風(fēng)斜井井口漏風(fēng)量

封堵回風(fēng)斜井上井口漏風(fēng)處，減少井口漏風(fēng)量，井口漏風(fēng)率控制在10%以下。回風(fēng)斜井上井口兩道風(fēng)門墻體過(guò)路皮帶處均增設(shè)擋風(fēng)板，盡可能減少該處過(guò)風(fēng)面積。兩臺(tái)臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)(一主、一備)切換閘門處漏風(fēng)地方，采用鋼板焊接封堵漏風(fēng)。為防止風(fēng)流短路，不允許工作人員從回風(fēng)斜井入井、出井，保證上井口兩道風(fēng)門處于常閉狀態(tài)。

3.2 提高臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力

調(diào)整回風(fēng)斜井地面FBCDZ-8-No18D型主要通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，增大葉根角度，將葉根安裝角度調(diào)至最大角度54(°)/36(°)，開(kāi)啟主要通風(fēng)機(jī)的一級(jí)電機(jī)和二級(jí)電機(jī)，即開(kāi)雙級(jí)電機(jī)工作，提高臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力，增加主要通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量和工作風(fēng)壓，使其能滿足礦井通風(fēng)需要。使主要通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的風(fēng)壓能夠進(jìn)一步克服冬季反向的自然風(fēng)壓。從AB1段風(fēng)流反向條件式(4)可知，通過(guò)增加主要通風(fēng)機(jī)的工作靜壓，減小(HNA-HND)/(HS-HNA)值，使主斜井AB1段風(fēng)流反向條件式(4)趨向不成立。因臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力有限，采取該對(duì)策后，對(duì)主斜井進(jìn)風(fēng)起到一定作用。

3.3 在副斜井進(jìn)風(fēng)段增加局部風(fēng)阻

在進(jìn)風(fēng)的副斜井井巷多處增加局部風(fēng)阻，即設(shè)臨時(shí)風(fēng)障和調(diào)節(jié)風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施。從AB1段風(fēng)流反向條件式(4)可知，通過(guò)增加副斜井井巷局部風(fēng)阻，來(lái)增大副斜井進(jìn)風(fēng)段DBB1與回風(fēng)斜井出風(fēng)段B1B11C分支風(fēng)阻的比值，即增大RD/RC值，使主斜井AB段風(fēng)流反向條件式(4)不成立，促使主斜井進(jìn)風(fēng)。采取該對(duì)策后，效果立竿見(jiàn)影，主斜井進(jìn)風(fēng)，有效解決了主斜井風(fēng)流反向問(wèn)題，保證了通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)定風(fēng)量，副斜井進(jìn)風(fēng)量為1 800 m'/min，主斜井進(jìn)風(fēng)量為900 m3/min，回風(fēng)斜井出風(fēng)量為2 700 m3/min。在副斜井進(jìn)風(fēng)段增加局部風(fēng)阻后，南溝煤礦二期工程通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如第69頁(yè)圖2所示。

圖2 南溝煤礦二期工程通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入冬季，南溝煤礦二期工程施工時(shí)，針對(duì)主斜井出風(fēng)情況，即主斜井風(fēng)流反向問(wèn)題，進(jìn)行原因分析和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，采取了減少回風(fēng)斜井井口漏風(fēng)量、提高臨時(shí)主要通風(fēng)機(jī)工作能力(增大HS)、在副斜井進(jìn)風(fēng)段增加局部風(fēng)阻(加大RD)等對(duì)策，促使主斜井進(jìn)風(fēng)，防止了主斜井風(fēng)流反向，確保了礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，保證了礦井安全生產(chǎn)。總之，冬季施工，要掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律，防止因自然風(fēng)壓作用造成某些巷道無(wú)風(fēng)或反向而發(fā)生事故。為了防止井巷風(fēng)流反向，必須做好調(diào)查研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，進(jìn)行原田分析和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，掌握礦井通風(fēng)系統(tǒng)和各回路

的自然風(fēng)壓和風(fēng)阻等情況，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取相應(yīng)的措施對(duì)策，做到通風(fēng)安全可靠。