煤礦通風系統運行效能的優化探析

張 磊

（霍州煤電集團金能煤業有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

礦井通風系統主要在煤礦中用來調節井下環境，該系統主要是作用在煤礦的開采階段，其可稱為煤礦作業中最重要的輔助系統，包括通風機、通風網絡以及通風巷道。在整個通風系統中，通風機是運行的動力，通風網絡對風量的分配方式起決定性的作用，通風巷道則為空氣流動提供了通道。上述三個部分均會影響到礦井通風系統的運行狀況。由于通風巷道會隨著時間而發生變形，故通風系統在建設初期處在最佳狀態下。但伴隨著巷道使用時間的推移，巷道也會產生相應的變形，使得通風網絡相比初期會更加復雜些，同時也降低了風機的運行效率，這就會對整個系統的運行狀態產生不好的影響。根據資料統計，在整個礦井所消耗的電能中，礦井通風系統的通風機消耗電能占比一半還多。如果加上巷道變形使系統運行工況變差的情況，將會白白耗費更多電能。因此，為了提高礦井通風系統的安全和經濟性能，對礦井通風系統進行持續合理的優化是十分必要的[1]。

1 影響礦井通風系統運行效能的因素

本文提出以下指標來確保系統的優化合理有效，主要包括有全局指標和局部指標兩類，全局指標比如礦井的等積孔參數，局部指標包括有巷道的摩擦力大小。為了詳細闡述，將分別對指標進行一一介紹，并探究其影響因素。

1.1 礦井等積孔

礦井等積孔作為一項重要指標，它是用來衡量礦井通風的難易程度的，等積孔面積可以由礦井通風量和通風阻力的大小來表示，其表達式如（1）式所表示：

式中：A 為礦井等積孔面積，m2；Q 為礦井通風量，m3/s；hRm為通風機的風壓，正比于礦機通風阻力，Pa。

從式（1）可以清晰地看出，礦井等積孔面積大小A 與礦井通風量Q 和通風機的風壓hRm這兩個因素相關。表1 是展示出了礦井系統的通風阻力、通風效果與等積孔面積的大致對應關系。

表1 煤礦通風情況難易程度標準表

根據礦井通風難易程度標準表可以看出，隨著礦井的等積孔面積的增大，礦井的風阻會相應減小，風阻等級也產生了相應變化，兩者是呈相反的增減趨勢。對應地，礦井通風的難易程度也可以通過等積孔的面積變化來進行判定。當然這只是判斷系統通風阻力的其中一個指標。為了準確探究導致礦井通風阻力增加的原因，還需要對巷道的通風阻力進行進一步的分析[2]。

1.2 巷道通風阻力

在地下的煤礦井中，通風都是必須通過固定的巷道來實現。巷道作為空氣流動的通道，風在巷道中的阻力是衡量礦井通風能力的重要部分。對于簡單單一的巷道，它通風時產生的摩擦阻力可以由式（2）表示：

式中：hf為摩擦通風阻力，Pa；α 為巷道阻力系數，kg/m3；L 為巷道長度，m；U 為巷道斷面周長，m；S 為巷道斷面面積，m2。

從式（2）中可以看出，巷道的通風阻力hf與五個因素相關，巷道阻力系數α、巷道長度L、巷道斷面形狀（包括巷道斷面的周長U 和面積S），同時也與巷道風速有一定的關系。由式中的指數關系可知，巷道斷面面積與巷道風速這兩個因素對巷道的通風阻力影響相比其他的較大些。由此不難看出，如果巷道中堆積過多的雜物，會使巷道斷面的面積降低，從而使巷道風阻增大，影響通風效果。另外，對風速的分配也應該合理科學，風速大巷道阻力會減小，但考慮到經濟安全等各方面因素，風速不能過大。因此，應當將風速保持在一定的范圍中。

上述只是對單一巷道的通風阻力進行了分析，而在實際的礦井通風系統中，是由一定復雜程度的通風網絡來構成的。而通風網絡則是由很多條巷道以串聯或者并聯的形式連接而成的。由于通風網絡各不相同，因此只有對已確定的通風網絡才能計算復雜的巷道通風阻力，進而衡量礦井的通風情況。

1.3 礦井通風網絡

礦井的通風網絡是由若干條的通風巷道以一定方式連接而成。如圖1 所示，礦井通風系統中常見的礦井通風網絡有三種類型，串聯型、并聯型和角聯型。串聯型通風網絡的通風阻力計算相對簡單，將各單一巷道的通風阻力直接相加即可；對于后兩個并聯型和角聯型，通風阻力的計算比較復雜，往往需要利用數學軟件來分析計算[3]。

圖1 常見的礦井通風網絡示意圖

在礦井開采的初期，一般是使用串聯型或者并聯型礦井通風網絡。到了開采后期，于通風巷道增多，常采用角聯型通風網絡。通風阻力的調節會隨著通風網絡的復雜而變得更加困難，因此通風系統設計過程中要盡可能避開復雜的通風網絡。

1.4 主通風機工況點

礦井的主通風機是礦井通風系統運行的動力。通風機需要在通風系統的運行過程中滿足礦井作業生產所需要的風量，同時還要保證一定的生產效率。如圖2 所示，不同的主通風機工作的工況會影響通風機的運行效率。從圖2 可以看出，通風阻力、通風機的機械特性和通風量均會對主通風機運行的全壓效率產生影響。主通風機的全壓效率也會隨著運行工況的變化而產生變化。因此，將風量選擇在合適的范圍以及選擇合適的風機，會使通風機處在一個較佳的運行狀態下。

圖2 主通風機工況點與運行效率的關系

2 礦井通風系統優化措施

通過對上述提出的幾個指標可以分析得出，對礦井通風系統的優化重點措施可以在巷道通風阻力、礦井的通風網絡以及主通風機的運行工況這三個方面來進行。特別說明的是，等積孔面積雖說是作為礦井通風難易程度的一項指標，但它是通風阻力、通風網絡及風機工況點的綜合指標，不能對等積孔進行直接優化。

2.1 降低巷道通風阻力

據式（2）的巷道通風阻力的表達式可以看出，若風量一定，巷道通風阻力是與巷道斷面的周長、面積以及阻力系數相關。尤其是，式（2）中表明，巷道的通風阻力和通風巷道的斷面面積的三次方是成反比的，因此在其他條件不變的情況下，提高巷道斷面面積能在很大程度上降低系統的通風阻力。所以，在通風系統中，應該盡可能增大通風巷道斷面的面積。由數學關系可知，在同周長的情況下，圓形面積大于拱形面積大于矩形面積。對于新開掘巷道，盡可能采用圓形的巷道斷面，但與之會增加施工難度。對于已經投入使用的巷道，不能堆積過多的雜物使通道被占用，要有效保證通風巷道的斷面面積。另外要定期檢修清理，保證巷道通道的干燥整潔完整性。

2.2 優化礦井通風網絡，改善主通風機工況點

礦井的通風網絡在通風系統中對通風阻力起決定性作用，它不僅對通風系統的運行產生影響，還會對主通風機的工況點產生一定的影響。礦井通風系統在礦井的開采初期階段，通風網絡相對比較簡單，只服務一個回采工作面。而在開采礦井的中后階段，礦井的整體通風面積會逐漸變大，通風路線也會有所增加，礦井的通風網絡也會隨之變得復雜很多，與之同時也會相應增加漏風量。在礦井開采中后期的通風系統，可以通過改善通風網絡來進行系統的優化。中后期的礦井通風網絡比較復雜，風量也會隨著通風網絡的變化而變化，不能通過簡單改變而優化，需要結合數值分析來對通風網絡進行一定程度的優化，從而找到最佳優化措施。

對于不同類型的通風網絡的優化要區分開來分析。并聯型的通風網絡相比串聯型的通風網絡的通風阻力要小一些，故可以通過采用并聯型的通風網絡來應用到部分通風阻力較大的巷道中。一些礦井可以利用廢棄不用的巷道很容易就可以增加巷道的斷面面積，這樣一來降低了廢棄巷道中瓦斯的積聚，同時還可以增加巷道的利用率。

而由于礦井通風阻力和風量的大小還會影響主通風機工況點。因此，對礦井的通風系統采取了一系列的優化措施之后，還要考慮對工況點的影響，此時對礦井的通風量進行重新計算，從而控制調節主通風機的工況點，這也能增高了風機的運行效率。

3 結語

作為煤礦生產作業中重要的輔助系統，礦井的通風系統運行的可靠性和安全性至關重要，他會直接影響著礦井生產的高產高效。從巷道使用初期到中后期，巷道會產生一定的變形，系統的通風網絡也不會像初期那樣簡單，同時也降低了風機的運行效率，從而影響了整個礦井的通風狀況。本文分析了巷道的礦井通風阻力變化的影響因素，進而科學合理地提出要降低整個礦井通風系統阻力的措施，包括減小巷道的通風阻力、改善通風網絡的形式、變化礦井通風工況點等，這些均可達到優化礦井的通風系統的目的。