煤礦通風(fēng)系統(tǒng)分析及風(fēng)量優(yōu)化探析

郭力強(qiáng)

（潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西長治046032）

對(duì)于礦山開采作業(yè)而言，通風(fēng)工作是其過程中的重要環(huán)節(jié)。一般而言，目前通風(fēng)的方式和途徑主要分為兩種，分別是自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)。其中，自然通風(fēng)具體是指通過自然風(fēng)力通風(fēng)，機(jī)械通風(fēng)具體是指通過機(jī)械能作為動(dòng)力產(chǎn)生通風(fēng)的效果。出于機(jī)械通風(fēng)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，比如具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，比較容易調(diào)節(jié)和控制，因此，在目前的礦井作業(yè)通風(fēng)工作中，主要以機(jī)械通風(fēng)的方式為主。在煤礦礦井生產(chǎn)作業(yè)過程中，煤礦的通風(fēng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高作業(yè)安全系數(shù)的重要環(huán)節(jié)，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性是煤礦井下防范安全事故發(fā)生的重要保障。并且，隨著如今煤礦開采工作日益復(fù)雜性，在已投入生產(chǎn)的煤礦井作業(yè)過程中，對(duì)地下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)要求更高。因此，作為煤礦企業(yè)應(yīng)充分通過一系列的解決辦法和優(yōu)化措施提高礦井下的通風(fēng)效率，比如對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)通風(fēng)阻力進(jìn)行有效降低，以此來提高通風(fēng)系統(tǒng)工作的效率。本文以良好的通風(fēng)系統(tǒng)能有效提高煤礦井下作業(yè)的生產(chǎn)效率為基礎(chǔ)，對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)構(gòu)筑物進(jìn)行了充分的探究，以期提高煤礦生產(chǎn)的安全保障和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)具體包括向巷道以及各生產(chǎn)工作面排送新鮮的空氣，并且能夠排除一些煤礦井下毒害氣體的通風(fēng)設(shè)備和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。本節(jié)內(nèi)容將詳細(xì)地分析和探究通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)構(gòu)筑物，以期全面剖析礦井的通風(fēng)系統(tǒng)。

1.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

在對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的分析過程中，首先，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)由眾多的通風(fēng)管路構(gòu)成，一般會(huì)借助平面圖的方法將通風(fēng)系統(tǒng)簡化成一個(gè)由線與點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也稱通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通常采用直觀的幾何圖形予以描述，其中，實(shí)際的通風(fēng)巷道由圖形上的線段分支表示，巷道中風(fēng)流流向由圖形上的線段方向表示。一個(gè)比較簡單的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，圖中的實(shí)線是分支，其表示的巷道具備一些實(shí)際的參數(shù)，比如風(fēng)阻、風(fēng)量等，圖中的虛線表示的是偽分支，也就是說并不是實(shí)際的巷道，這種情況一般是介于主巷道進(jìn)風(fēng)口和通風(fēng)設(shè)備出風(fēng)口之間的虛擬分支。具體而言，圖中的2、3、4、5、6表示實(shí)際的分支，具備實(shí)際巷道，7表示偽分支，不具備實(shí)際巷道。通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)則是指通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中由兩條或者兩條以上的分支相交形成的點(diǎn)，比如在圖1中具備①～⑤這5個(gè)交點(diǎn)。通路是指通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中由多條方向相同，首尾相連的分支互相圍繞形成的線路，比如圖1當(dāng)中的1-2-5、1-3-6以及1-2-4-5均是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的通路。

當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)中時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)將遵守風(fēng)量平衡定律，具體而言是指在相同的時(shí)間內(nèi)流出的空氣質(zhì)量和流進(jìn)某節(jié)點(diǎn)的空氣質(zhì)量相等，公式如下所示：

式中：i——某節(jié)點(diǎn)中的分支數(shù)量；

Mi——流過第i個(gè)分支的空氣質(zhì)量，kg。

1.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)筑物

通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)筑物具體是指在煤礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，在某些位置設(shè)置的一些通風(fēng)設(shè)施，其重要的作用是控制風(fēng)流，并且保證風(fēng)流流向生產(chǎn)地點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)流是否通過，通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)筑物還被分為隔斷風(fēng)流構(gòu)筑物以及通過風(fēng)流構(gòu)筑物，具體而言，隔斷通風(fēng)構(gòu)筑物是指風(fēng)簾、風(fēng)門以及擋風(fēng)墻等；通過風(fēng)流構(gòu)筑物是指通風(fēng)橋、反風(fēng)裝置以及風(fēng)機(jī)風(fēng)筒等。

在部分通風(fēng)系統(tǒng)中，會(huì)有出現(xiàn)既需要隔斷通風(fēng)構(gòu)筑物，也需要通過風(fēng)流構(gòu)筑物的情形，并且一般是在該位置設(shè)置風(fēng)門。通常情況下風(fēng)門的結(jié)構(gòu)如圖2所示，一個(gè)完整正常狀態(tài)下的風(fēng)門系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)一般包括風(fēng)門、電纜孔、調(diào)節(jié)風(fēng)窗以及逆流鐵筒等等。在煤礦井下的通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置風(fēng)門的時(shí)候，應(yīng)至少設(shè)置兩道風(fēng)門，并且，當(dāng)風(fēng)門要求通車的時(shí)候，其相互之間的距離應(yīng)比運(yùn)輸車的長度長；當(dāng)風(fēng)門只要求通過人的時(shí)候，其相互之間的距離應(yīng)該超過5m。除此之外，為了避免瓦斯過量時(shí)逆流進(jìn)通風(fēng)設(shè)施，一般需要在主要進(jìn)、回風(fēng)巷之間相應(yīng)地設(shè)置兩道反向的風(fēng)門。

2 局部通風(fēng)系統(tǒng)分析

一般而言，當(dāng)煤礦正在處于新建或者生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，要求開采挖掘大量的工作面或者巷道，并在此基礎(chǔ)上建立準(zhǔn)備新的采掘工作面。在這個(gè)過程當(dāng)中，需要對(duì)工作面的持續(xù)通風(fēng)提供保障，以確保能夠?qū)⒚簬r產(chǎn)生的有毒害氣體充分排出，并盡可能地抑制巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的煙塵，然而，在采掘時(shí)，往往只有一個(gè)井巷的出口，沒有辦法形成風(fēng)流貫穿，因此需要借助局部通風(fēng)的方法充分實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的目的。

目前，在煤礦作業(yè)過程中通常采用風(fēng)筒、局部通風(fēng)機(jī)等設(shè)施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煤礦井下的局部通風(fēng)，其作用原理是將局部通風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力，進(jìn)而通過風(fēng)筒引導(dǎo)至掘進(jìn)工作面等相關(guān)用風(fēng)的場所。具體而言，其中依據(jù)通風(fēng)式的不同，局部通風(fēng)將被分為抽出式和壓入式通風(fēng)。壓入式通風(fēng)具有較高的安全性，以及較大的射程，通常可以用于以排除瓦斯為主的巷道作業(yè)當(dāng)中；抽出式通風(fēng)具有較高的通風(fēng)效率，能夠充分保證巷道內(nèi)充滿清新的空氣，通常可以用于以排除粉塵為主的巷道作業(yè)當(dāng)中。

當(dāng)采用壓入式通風(fēng)的時(shí)候，工作面所需的風(fēng)量計(jì)算過程如下所示：

式中：Qkp——進(jìn)行壓入式通風(fēng)時(shí)所需要的風(fēng)量，m3/s；

b——一氧化碳產(chǎn)生的當(dāng)量，L/kg；

A——爆炸時(shí)使用的炸藥量，kg；

L——巷道的長度，m；

S——工作面巷道的截面積大小，m2；

CP——一氧化碳允許值，取0.02%；

t——通風(fēng)時(shí)間，min；

pq——漏風(fēng)系數(shù)。

當(dāng)采用抽出式通風(fēng)的時(shí)候，掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量計(jì)算過程如下所示:

式中：Qhe——采用抽出式通風(fēng)時(shí)所需的風(fēng)量，m3/s；

L1——炮眼長度，m。

3 優(yōu)化礦井風(fēng)量的相關(guān)策略

通常而言，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的目標(biāo)包括兩方面:一方面是通過優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)來降低通風(fēng)的困難和復(fù)雜程度，有效地增加煤礦井下作業(yè)過程中的通風(fēng)量，進(jìn)一步保障煤礦生產(chǎn)的安全；另一方面是進(jìn)一步通過降低通風(fēng)系統(tǒng)所受的阻力，進(jìn)而減少通風(fēng)的能耗，增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)，可以有效提高礦井作業(yè)過程中各地點(diǎn)的用風(fēng)需求，充分保障礦井安全，同時(shí)可以降低通風(fēng)設(shè)備的損耗。因此，本節(jié)內(nèi)容將針對(duì)如何優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)以及如何降低通風(fēng)阻力這兩方面著重分析，以提供有效的優(yōu)化策略。

3.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

在特殊情況下，可能由于掘進(jìn)巷道較長的原因，導(dǎo)致通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)布局沒有辦法有效地向工作地點(diǎn)進(jìn)行通風(fēng)，因此，應(yīng)優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)以保障煤礦生產(chǎn)的安全需求。本文將采用鉆孔方法，來達(dá)到掘進(jìn)巷道向回風(fēng)巷的回風(fēng)功能，其作用原理如圖3所示。

首先，在掘進(jìn)工作面打出一個(gè)鉆孔（300～500mm），依靠鉆孔接通掘進(jìn)巷道和回風(fēng)巷，在掘進(jìn)的過程中可以借助鉆孔進(jìn)行有效通風(fēng)，并降低工作面中的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.2 通風(fēng)阻力的降低

降低礦井通風(fēng)過程中受到的阻力能夠有效保障生產(chǎn)的安全，并提高經(jīng)濟(jì)效益。本文利用減小摩擦阻力系數(shù)原理來降低通風(fēng)阻力，比如增大巷道斷面或者減小巷道長度等。在礦井設(shè)計(jì)的初期階段，應(yīng)盡量保證施工時(shí)巷道壁面的光滑，同時(shí)結(jié)合考慮摩擦阻力的影響來選用支護(hù)方式。當(dāng)巷道其他參數(shù)固定不變時(shí)，斷面面積每增大33%，通風(fēng)阻力則降低50%，風(fēng)量流過巷道時(shí)需要的能耗也將降低一半。盡管斷面面積的增大也會(huì)增加在基礎(chǔ)建設(shè)中的投資，但考慮長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益還是更加有效的。基于巷道產(chǎn)生的通風(fēng)阻力與其長度成正比關(guān)系，因此，在符合工作面通風(fēng)需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量縮短各風(fēng)路長度。