單家村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

彭玉鑫 顏亞民 魏軍軍

（山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司單家村煤礦，山東 曲阜 273100）

礦井通風(fēng)系統(tǒng)由三部分組成，即通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)構(gòu)筑物和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。一套完善的通風(fēng)系統(tǒng)是保證礦井安全生產(chǎn)的前提，而通風(fēng)系統(tǒng)的合理與否受多方因素的制約，如整個(gè)礦井的安全性、穩(wěn)定性、抗自然災(zāi)害能力、經(jīng)濟(jì)效益等。因此，在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，僅依靠人的主觀意識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)害能力得到加強(qiáng)，同時(shí)降低通風(fēng)管理人員的工作難度。

1 工程概況

單家村煤礦位于山東省曲阜市時(shí)莊鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45 萬(wàn)t/a，1976 年10 月建井，1989 年9 月投產(chǎn)。2008 年核定生產(chǎn)能力81 萬(wàn)t/a，2017 年核定生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/a。礦井采用一對(duì)立井、多水平開(kāi)拓方式。全井共有3、16上、17 三個(gè)可采煤層，可采煤層厚度9.33 m，礦井主采煤層3 煤，煤層厚度為7.67 m，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。井田范圍內(nèi)布置一個(gè)生產(chǎn)采區(qū)（八采區(qū)）。

單家村煤礦受開(kāi)采強(qiáng)度、開(kāi)采速度和開(kāi)采規(guī)模的影響，煤礦巷道不斷延伸，通風(fēng)距離以及礦井用風(fēng)硐室巷道不斷增多，井下需風(fēng)量逐年增加，使得礦井所面臨的風(fēng)阻不斷增大，井巷通風(fēng)阻力升高的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。隨之帶來(lái)的一些伴生問(wèn)題也越來(lái)越明顯，如礦井風(fēng)路受阻，部分巷道風(fēng)速超標(biāo)，通風(fēng)線路過(guò)長(zhǎng)，井巷通風(fēng)壓力損失大，風(fēng)量調(diào)控不易，礦井抗災(zāi)能力減弱等。且受其影響，礦井熱害、煤自燃、瓦斯等諸多安全問(wèn)題應(yīng)運(yùn)而生，礦井通風(fēng)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。為解決上述問(wèn)題，保障安全生產(chǎn)，本文基于先進(jìn)的通風(fēng)仿真系統(tǒng)Ventsim，對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解算，并提出合理的優(yōu)化改造方案。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定

通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定工作主要分為兩個(gè)部分：礦井通風(fēng)阻力測(cè)定和礦井主通風(fēng)機(jī)性能測(cè)定。在測(cè)定過(guò)程中主要測(cè)量參數(shù)包括巷道及工作面標(biāo)高、面積、形狀、支護(hù)方式和風(fēng)速，主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、靜壓和運(yùn)行效率，以及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的空氣壓力、溫濕度等。前期通過(guò)對(duì)單家村井下通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)查、相關(guān)文字資料和圖紙的收集工作，全方位了解了通風(fēng)網(wǎng)路狀況、風(fēng)機(jī)配置情況、通風(fēng)構(gòu)筑物位置、采空區(qū)分布區(qū)域、主要漏風(fēng)地點(diǎn)及作業(yè)點(diǎn)的分布情況，并在一個(gè)月內(nèi)完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置圖

阻力測(cè)定共布置103 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分3 條測(cè)試線路，其中832 工作面為一條主測(cè)路線，北翼進(jìn)風(fēng)巷和六采區(qū)為兩條輔測(cè)路線（見(jiàn)圖1）。經(jīng)測(cè)定（見(jiàn)表1），礦井通風(fēng)阻力為2 086.7 Pa，風(fēng)量為58.9 m3/s，整個(gè)井下通風(fēng)路線較長(zhǎng)，且四采區(qū)皮帶下山風(fēng)速較大，礦井通風(fēng)阻力較大，需對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 Ventsim 建模

首先根據(jù)單家村煤礦采掘工程圖進(jìn)行編輯。主要通過(guò)繪制中心線的方式，將礦井采掘工程圖導(dǎo)入Ventsim 三維仿真軟件中，在編輯框里選擇實(shí)體巷道，初步繪制礦井三維圖形，后經(jīng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，將礦采掘工程圖轉(zhuǎn)換成三維模型。三維通風(fēng)系統(tǒng)模型如圖2 所示。

3.2 礦井需風(fēng)量計(jì)算

在礦井正常生產(chǎn)條件下，需風(fēng)點(diǎn)數(shù)量取決于井下需風(fēng)點(diǎn)最多（即風(fēng)量最大）的用風(fēng)地點(diǎn)個(gè)數(shù)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，全礦所需總風(fēng)量為各個(gè)采掘工作面的需風(fēng)量、獨(dú)立通風(fēng)硐室的風(fēng)量與其他用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量之和，并給予一定的備用系數(shù)。根據(jù)礦井目前的生產(chǎn)布置情況，計(jì)算出所需總風(fēng)量為48.76 m3/s。礦井通風(fēng)系統(tǒng)用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量如表2 所示。

圖2 三維通風(fēng)系統(tǒng)模型

表1 主要巷道解算情況表

表2 礦井用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量

3.3 優(yōu)化方案擬定

針對(duì)單家村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，擬定了以下3 個(gè)優(yōu)化方案。

（1）方案一

根據(jù)礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，針對(duì)局部高阻段進(jìn)行巷道擴(kuò)修處理，刷大-450 皮帶大巷末段及-410 回風(fēng)巷巷道斷面。巷道斷面均為半圓拱，凈斷面積均為10.5 m2，錨噴支護(hù)。其中-450 皮帶大巷擴(kuò)修長(zhǎng)度約為500 m， -410 回風(fēng)巷擴(kuò)修長(zhǎng)度約為55 m。

（2）方案二

從-410 皮帶巷至-410 煤倉(cāng)所在的拐角巷道處（水平標(biāo)高-410 m 處），新打一條水平的回風(fēng)巷道。巷道斷面為半圓拱，高3.5 m，寬3.2 m，凈斷面積為10.5 m2，錨噴支護(hù)，巷道長(zhǎng)度約為28.9m，巷道末段直通四采區(qū)皮帶下山（-410 m 標(biāo)高處）。新打巷道作為回風(fēng)巷與-410 回風(fēng)巷形成并聯(lián)回風(fēng)巷。

（3）方案三

針對(duì)局部高阻段進(jìn)行調(diào)整，拆除強(qiáng)力皮帶機(jī)頭的密閉，使一部分回風(fēng)經(jīng)過(guò)-170 皮帶機(jī)頭與總回風(fēng)巷形成并聯(lián)回風(fēng)。

3.4 優(yōu)化模擬解算

將單家村煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案在Ventsim 三維仿真系統(tǒng)中模擬出來(lái)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算得出模擬優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，具體如表3 所示。從模擬結(jié)果來(lái)看，通風(fēng)效果得到了明顯的提高，說(shuō)明優(yōu)化方案有效可行。

表3 各方案解算情況表

4 優(yōu)化方案的確定

（1）在現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，方案一對(duì)局部高阻力巷道進(jìn)行了擴(kuò)修處理，減少了由通風(fēng)斷面過(guò)小帶來(lái)的通風(fēng)阻力，使得礦井通風(fēng)阻力由之前的2 086.7 Pa 降至1 848.1 Pa，起到了一定的降阻效果，且風(fēng)量由原來(lái)的58.9 m3/s 提高到60.3 m3/s，提高了礦井的排風(fēng)量，滿足了各個(gè)用風(fēng)地點(diǎn)需風(fēng)量要求。但提高風(fēng)量的同時(shí)，風(fēng)硐風(fēng)速超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，建議同時(shí)對(duì)風(fēng)硐進(jìn)行擴(kuò)斷面處理，以使風(fēng)硐風(fēng)速滿足規(guī)范要求。

（2）方案二在-450 水平新打一條回風(fēng)巷至四采區(qū)皮帶下山形成并聯(lián)回風(fēng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示，新建回風(fēng)巷道之后，礦井主要回風(fēng)經(jīng)過(guò)新建的回風(fēng)巷道，減少了通風(fēng)距離，使得礦井通風(fēng)阻力降低了186.5 Pa，起到了一定的降阻效果，且風(fēng)量由原來(lái)的58.9 m3/s 提高到60.6 m3/s，提高了礦井的排風(fēng)量。

（3）方案三針對(duì)總回風(fēng)巷阻力過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，拆除強(qiáng)力皮帶機(jī)頭巷道的密閉，使一部分回風(fēng)經(jīng)過(guò)-170 皮帶機(jī)頭與總回風(fēng)巷形成并聯(lián)回風(fēng)，減少通風(fēng)繞道帶來(lái)的通風(fēng)阻力。通過(guò)解算結(jié)果可知，礦井總回風(fēng)分為兩路，一路經(jīng)-170 皮帶機(jī)頭硐室回到主井底，另一路由原來(lái)的總回風(fēng)巷回至主井底，達(dá)到了并聯(lián)回風(fēng)的目的，礦井風(fēng)量增大了1.0 m3/s，礦井阻力減少了96.8 Pa，起到了一定的降阻效果。

（4）從施工技術(shù)方面分析，方案三無(wú)需進(jìn)行較大的施工量，僅啟封密閉即可，而方案一、方案二需要進(jìn)行巷道的擴(kuò)修或開(kāi)拓，工程量相比之下較大；但從降阻效果方面考慮，方案三整體阻力僅減少96.8 Pa，效果與方案一、方案二有著較大差距；從施工費(fèi)用考慮，方案一僅需對(duì)巷道高阻力段進(jìn)行擴(kuò)巷維修，整體施工費(fèi)用比方案二的開(kāi)拓新巷道較低，且礦井阻力降低了238.6 Pa，高于開(kāi)拓新巷道的186.5 Pa。

綜上所述，根據(jù)礦井實(shí)際情況，最終選擇方案一和方案三同時(shí)施工作為最佳通風(fēng)系統(tǒng)改造方案。經(jīng)過(guò)施工改造，完成-450 皮帶大巷末段及-410 回風(fēng)巷的擴(kuò)巷工作，同時(shí)拆除強(qiáng)力皮帶機(jī)頭巷道的密閉，形成并聯(lián)總回風(fēng)風(fēng)路，解決了局部阻力過(guò)高、礦井用風(fēng)地點(diǎn)有效風(fēng)量不足、風(fēng)流分配不合理的問(wèn)題，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

以往制定的通風(fēng)方案無(wú)法從通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的整體性上考慮問(wèn)題，造成方案實(shí)施效果無(wú)法有效評(píng)估，造成通風(fēng)成本上升，風(fēng)網(wǎng)可靠性降低。通過(guò)Ventsim模擬軟件，對(duì)單家村煤礦通風(fēng)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬，以模擬結(jié)果來(lái)科學(xué)評(píng)估方案實(shí)施效果，并輔助技術(shù)人員完善方案，確保方案的實(shí)施效果滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)結(jié)合施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本兩方面考慮，確定最終優(yōu)化方案，科學(xué)合理地解決了礦井阻力過(guò)大、局部風(fēng)阻升高問(wèn)題。