煤礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流穩(wěn)定性影響因素分析

張亞龍

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

引言

通風(fēng)系統(tǒng)是確保煤礦井下生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)，其構(gòu)成包括地面主要通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)巷道、通風(fēng)設(shè)施、相關(guān)的風(fēng)流監(jiān)測及控制系統(tǒng)等[1-2]。在正常生產(chǎn)期間，通風(fēng)系統(tǒng)是為井下各用風(fēng)點(diǎn)提供足夠的新鮮空氣并稀釋瓦斯、粉塵等有害物質(zhì)濃度，為井下作業(yè)人員提供相對良好的工作條件；當(dāng)井下出現(xiàn)安全事故時，通過控制通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流方向及大小，并與其他措施相配合，可避免事故擴(kuò)大化[3-5]。

1 煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 動態(tài)性

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨著煤炭的開采逐漸發(fā)生變化，采掘作業(yè)不斷推進(jìn)、接替，采區(qū)準(zhǔn)備、開拓、生產(chǎn)、封閉等會使通風(fēng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)動態(tài)變化。同時煤炭采掘作業(yè)時產(chǎn)生的瓦斯、高溫及煤塵等均會給通風(fēng)系統(tǒng)造成一定的影響。此外，在采掘作業(yè)中采動動壓不斷地變化，通風(fēng)系統(tǒng)中的巷道在采動壓力下斷面出現(xiàn)變化、部分區(qū)域出現(xiàn)冒頂，都會給通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來影響；通風(fēng)設(shè)施在采動影響下出現(xiàn)變形，造成漏風(fēng)率增加；通風(fēng)設(shè)備銹蝕、磨耗及性能衰減等會使通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)變化[6]。因此，通風(fēng)系統(tǒng)會隨著礦井生產(chǎn)動態(tài)發(fā)生變化，具有動態(tài)性特征。

1.2 復(fù)雜性

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時受到諸多因素的影響，是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)。

特別是對于開采范圍大或者進(jìn)入后期開采的老礦而言，井下通風(fēng)巷道長度達(dá)到200 km、通風(fēng)設(shè)施數(shù)量達(dá)到100 個以上、用風(fēng)點(diǎn)超過40 個、網(wǎng)絡(luò)分支可達(dá)600 條以上、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在500 個以上，通風(fēng)系統(tǒng)整體較為復(fù)雜[7]。

2 影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素

影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素有多種，重點(diǎn)從通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及自然風(fēng)壓等方面進(jìn)行了分析。

2.1 通風(fēng)設(shè)備

通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)設(shè)備包括主要通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)等，主要通風(fēng)機(jī)工作性能的變化會導(dǎo)致整個通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量、穩(wěn)定性出現(xiàn)波動；井下巷道內(nèi)布置的局部通風(fēng)機(jī)數(shù)量、工作性能出現(xiàn)變化會導(dǎo)致鄰近通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中其他分支風(fēng)量出現(xiàn)變化，并影響風(fēng)網(wǎng)內(nèi)其他通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)中其他設(shè)施不經(jīng)濟(jì)或者無法滿足需要時，可通過局部通風(fēng)機(jī)給通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支中增加動力，從而改變通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支中某風(fēng)量，進(jìn)而確保通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中各用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量滿足需要。

2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

井下掘進(jìn)的巷道構(gòu)成了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，風(fēng)流在巷道中流動滿足煤礦生產(chǎn)需要。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)構(gòu)包括通風(fēng)構(gòu)造物、巷道等。

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分之一，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是分析通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖是由分支的集合及點(diǎn)的集合組成。當(dāng)部分巷道年久失效或者在地壓、動壓或者地質(zhì)條件等因素影響下出現(xiàn)斷面嚴(yán)重收縮變形時，會明顯增加通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)阻力，嚴(yán)重時會導(dǎo)致井下用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量不足，通風(fēng)能耗增加。

2.3 自然風(fēng)壓

煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)與大氣直接連通，大氣氣壓出現(xiàn)變化會直接影響井下通風(fēng)系統(tǒng)。特別是地面空氣溫度出現(xiàn)變化后會影響井下通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流溫度，從而影響井下空氣密度，在不同巷道位置形成由于空氣密度差異而引起的重力差，從而給通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行帶來一定影響。一般情況下，在夏季由于地面空氣溫度較高、自然風(fēng)壓為負(fù)，對井下通風(fēng)系統(tǒng)造成一定的不利影響；在冬季時由于空氣溫度較低，從而自然風(fēng)壓為正，可在一定程度上有助于礦井通風(fēng)。

2.4 井下事故

當(dāng)生產(chǎn)時巷道、采場等出現(xiàn)大面積坍塌，井下出現(xiàn)火災(zāi)、瓦斯爆炸等安全事故時，會給通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成較大威脅，同時通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性出現(xiàn)變化會進(jìn)一步加劇對井下安全事故的影響。井下出現(xiàn)的安全事故會導(dǎo)致通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)阻發(fā)生變化、通風(fēng)設(shè)施漏風(fēng)等，同時部分事故會直接摧毀通風(fēng)回路嚴(yán)重時導(dǎo)致的主要通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.5 井下生產(chǎn)

煤礦井下生產(chǎn)包括采掘、運(yùn)輸、巷道密閉等。大型機(jī)械設(shè)備在巷道、采場內(nèi)運(yùn)行時會在設(shè)備前后方形成負(fù)壓，從而形成渦流。巷道內(nèi)的大型設(shè)備不僅會形成通風(fēng)阻力，而且會給通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流、風(fēng)向造成一定影響。此外，井下掘進(jìn)巷道或者采面內(nèi)采用的松動爆破，會給通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定影響。爆破后形成的沖擊波會降低巷道圍巖穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會導(dǎo)致巷道坍塌，從而使得某一通風(fēng)風(fēng)支中風(fēng)阻出現(xiàn)明顯變化，同時爆破后產(chǎn)生的有毒氣體會使井下空氣質(zhì)量明顯惡化。

3 通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷依據(jù)

當(dāng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中某條分支通風(fēng)風(fēng)阻Ri出現(xiàn)一定增量△Ri時，通風(fēng)阻力的增加給鄰近通風(fēng)分支中風(fēng)量Qj帶來的影響fj滿足公式（1）：

式中：fj直接表征風(fēng)路的穩(wěn)定程度。

設(shè)定

式中：Qj'表示通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中通風(fēng)阻力發(fā)生變化后第j條通風(fēng)支路風(fēng)流量；Qj為通風(fēng)阻力無變化時第j 條通風(fēng)支路風(fēng)流量；n 為通風(fēng)支數(shù)。

從公式（1）（2）可看出，當(dāng)fj接近1 時，通風(fēng)分支風(fēng)流穩(wěn)定性相對較好；當(dāng)fj接近0 時，通風(fēng)分支風(fēng)流穩(wěn)定性相對較差；當(dāng)fj值小于0 時，則表明該通風(fēng)分支風(fēng)量方向逆轉(zhuǎn)，該通風(fēng)分支通風(fēng)穩(wěn)定性最差。通過上述分析，可對通風(fēng)系統(tǒng)中各通風(fēng)分支穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而掌握穩(wěn)定性較差的通風(fēng)回路，針對性地進(jìn)行改造。

4 結(jié)論

1）影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素繁多，在煤礦通風(fēng)管理中應(yīng)考慮通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜性、動態(tài)性特征，采取必要的措施將通風(fēng)系統(tǒng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)，從而為煤礦井下采掘作業(yè)創(chuàng)造良好的工作條件。

2）在通風(fēng)管理中避免在主要進(jìn)、回巷道中布置增加通風(fēng)阻力的通風(fēng)設(shè)施，主要是主要進(jìn)、回風(fēng)巷對井下通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性有顯著影響。當(dāng)通風(fēng)設(shè)施出現(xiàn)故障或者損壞后，會給井下其他用風(fēng)點(diǎn)造成顯著的不利影響。

3）在日常通風(fēng)管理中定期對通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，拆除后續(xù)不再使用的通風(fēng)設(shè)施，從而降低煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)阻力，提升通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；定期對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，降低通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時降低通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)次數(shù)，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。