礦井通風系統的改造與優化設計研究

鄧 敏

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

礦井通風系統指的是以風機為動力，由各種通風設備構成的通風網絡。通風系統的作用是將新鮮空氣輸送至井下各工作面，降低井下采區溫度和瓦斯濃度，防止因井下瓦斯濃度過高而引起爆炸。由于通風系統關系到煤礦生產的安全性，因此《煤炭安全規程》對通風系統的各類指標作出了嚴格的規定。隨著礦井發展，井下工作面越來越多，巷道結構也越來越復雜，原有的通風網絡被破壞，降低了通風系統的安全性和可靠性，主通風機的運行年限接近服務年限，各類故障頻繁出現，直接威脅了生產和人身安全。綜上所述，為了提高通風系統的安全性和可靠性，滿足新增工作面對新增風量的要求，滿足礦井長遠發展規劃，對礦井通風系統進行改造優化具有重要意義。

1 改造目標與流程

1.1 改造目標

由于礦井發展和技術標準的提高，礦井通風系統的風量大小、覆蓋范圍和使用壽命與現有生產系統或未來生產布局不匹配，需要對其進行改造。在安全可靠、技術先進、資源節約總體目標的指導下，不同的改造措施實現的效果不同。

1）增加風量。由于工作面增加、煤層瓦斯含量增多、產量提高都會對通風量產生更高的需求，因此總風量不足是礦井通風系統的常見狀況。

2）節能減排。通風系統的電能浪費來源于風阻和風機兩方面，巷道斷面小、風路距離長都會導致風阻變大。風機型號老舊，機械磨損導致風機耗電量增加。

3）穩定風流。通風系統網絡結構不合理，主通風機或局部通風機性能老化，都會導致風流不穩，因此需要優化網絡結構和風機性能，提高系統的安全性和穩定性。

1.2 優化流程

相比于新建礦井通風系統的設計與建設，生產礦井的通風網絡更加復雜，通風機和通風設施數量眾多、型號多樣、性能差別較大，導致通風系統的技術改造更加復雜。在改造目標的基礎上，為了充分利用現有條件，挖掘礦井潛力，提高礦井生產力，滿足礦井長遠需求，通風系統改造工程必須在一套科學的工作流程下進行。如圖1所示，首先對風機性能、系統阻力和系統風量進行調查，根據調查結果分析原因，并根據不同的原因采取不同的改造措施。通風系統的問題可分為三類：第一類為配風不合理，可采用的具體改造措施包括調整通風系統、調整采區布局、封堵漏風、提高通風設施質量等；第二類為巷道通過能力不足，可采用的具體改造措施包括清理檢修井巷、增加并聯風道、調整系統縮短風路、新開風道或風井；第三類為風機能力不足，可采用的具體改造措施包括調整葉片安裝角、調整風機裝束、更換電機、更換通風機、風機聯合運行。將所有可能采取的改造措施進行綜合，形成擬定方案，將擬定方案轉化為仿真模型，在計算機上進行模擬，根據模擬結果與改造目標的差距對改造措施進行調整，直到滿足改造目標，得到最優的技術改造方案[1-2]。

圖1 基于目標的最優改造方案工作流程

2 某礦井通風系統現狀

1）主通風機故障頻發。主通風機輪轂、鉚釘、銅帶、軸承等部件頻繁出現故障，導致運行時振動和噪音大，在檢修時風機只能單臺運行，導致性能下降明顯，一旦出現重大故障，將導致整個礦井停產，影響生產產能和人員安全。

2）通風巷道繁多，可靠性低，安全性差。多個采區共用同一臺主通風機，流程長短差距很大，通風網絡復雜，在主通風機和局部通風機調控過程中，經常出現滿足某一采區風量，破壞另一采區風量的現象，管理上難度較大。

3）采面和回風溫度高。井下工作場所溫度普遍較高，采面溫度最高在35℃以上，風流溫度最高達33℃以上，迎頭出水溫度最高達41℃以上，上述高溫環境急需采取多種降溫措施，并提高井下配風量。

4）服務年限無法滿足正常接替。去年該礦井新增了3個掘進工作面和1個采備面，新增的工作面和采備面需要風量為2 800 m3/min，對主通風機的工作風量提出了更高的要求，主通風機的最大運行角度為40°，但是目前只能運行在35°，增加運行角度將會導致異常振動和聲音。

5）風機效率低，電能消耗大，無法對風機運行工況進行監控。風機的運行靜壓效率不到50%，目前風機的發展方向為自動化和節能化，未配置風機監控系統導致風機需要人工調節，驅動也未采用變頻技術，電能消耗非常可觀，無法滿足企業節能減排的要求。

3 改造與優化措施

1）投運新風井。由于工作面預測風量與實際工作風量的差距很大，無法通過舊風井改造滿足生產要求，因此必須在工作面封閉前投運新風井和主通風機，新風機可按照-3°或-6°運行，根據風壓特性曲線和主通風機的工況點解算主要永豐巷道的風量，同時降低風機葉片安裝角，提高礦井風量[3-4]。

2）擴大風硐斷面。對于開采時間長、工作面多的礦井，風硐斷面小、風速大的特點導致通風系統的阻力過大。礦井的回風井承擔了所有的回風量，對于直徑2.1 m的井筒，總排風量為3 600 m/min，負壓小于2 900 Pa。根據相關文獻研究，風硐內的摩擦阻力與風硐斷面的立方成反比關系，因此保持巷道摩擦系數較低，減少岔口和彎道，降低局部阻力，擴大風硐斷面，改造后的風硐設計如圖2所示。

圖2 風硐改造示意圖

3）提高主風機性能。主風機的性能很大程度上影響整個通風系統的通風效率，原通風機使用FBCDZ54-No28型通風機，這款通風機葉片單個可調，但是風機效率較低，不具有在線監控裝置。改造工程中，主通風機型號選擇ANN-2509，這款通風機控制自動化程度高，工況點調節方便，效率更高，通風機可在葉片全閉合位置啟動，電機運行至全速時自動調整葉片角度，而且配套有風機監控系統。

4 改造與優化效果

根據改造措施對改造前后的通風網絡進行風量和風阻解算，新風井投運前后主要巷道風量情況和風硐斷面擴大前后主要巷道風阻情況如表1、表2所示。計算結果表明，新風井投運后進風斜井、總進風巷和進風下山巷的風量明顯增大，風硐斷面擴大前后進風斜井、總進風巷和進風下山巷的風阻明顯減小，改造方案滿足改造[5-7]。

表1 新風井投運前后主要巷道風量情況（部分）m3/min

表2 風硐斷面擴大前后主要巷道風阻情況（部分）kg/m7

5 結語

為了科學有效地對礦井通風系統進行改造與優化設計，分析了通風系統改造增加風量、節能減排、穩定風流的目標，建立了完整的改造最優方案工作流程。結合現在通風系統主通風機帶病工作、通風網絡復雜、采區溫度等現狀，給出了投運新風井、擴大風硐斷面、優化風機性能的改造措施。實際改造效果表明，本次改造提高了礦井通風系統的安全性和有效性，對提高煤礦產能，保障人身安全具有重要意義。