煤礦分區(qū)開采通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

管 箐

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督查大隊(duì)， 山西 大同 037003）

煤炭是我國(guó)的主要能源形式，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。我國(guó)的煤礦開采大多采用井下開采的方式，隨著開采機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，煤礦的開采深度及長(zhǎng)度不斷增加。在井下礦井的作業(yè)中，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)是保證煤礦安全的重要部分[1]，通風(fēng)系統(tǒng)為井下的工作面提供新鮮的空氣，并將井下產(chǎn)生的有毒有害氣體排出。礦井的通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)保證井下的煤礦開采具有重要的作用。在對(duì)分區(qū)抽出式開采的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，存在著不同分區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)相互影響[2]，造成通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性不足的問題。針對(duì)這一問題，對(duì)某煤礦分區(qū)開采通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]，從而對(duì)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證礦井的通風(fēng)安全。

1 礦井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試路線

以進(jìn)行分區(qū)抽出開采的某煤礦為例進(jìn)行分析，礦井主要分為南北區(qū)進(jìn)行開采，南區(qū)的主煤層平均厚度為37 m，煤層的平均傾角為87°，北區(qū)的主煤層平均厚度為23 m，煤層的平均傾角為45°。南區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)通過副立井及副斜井進(jìn)風(fēng)，通過回風(fēng)立井回風(fēng)[4]，南區(qū)風(fēng)井的總回風(fēng)量為6 900 m3/min；北區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)通過主斜井及副斜井進(jìn)風(fēng)，通過回風(fēng)立井回風(fēng)，北區(qū)的總回風(fēng)量為7 200 m3/min。

對(duì)南北分區(qū)中通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過采用精密氣壓計(jì)進(jìn)行工作面內(nèi)逐點(diǎn)測(cè)定的方式來對(duì)通風(fēng)的阻力進(jìn)行測(cè)量[5]，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在礦井的各工作面上選擇較長(zhǎng)的通風(fēng)路線，且風(fēng)量足夠反映通風(fēng)系統(tǒng)特征的路線作為測(cè)量的路線。將測(cè)量點(diǎn)布置在風(fēng)流穩(wěn)定、巷道穩(wěn)定的位置[6]，并保證測(cè)量點(diǎn)的支護(hù)安全，且沒有其他設(shè)備影響。依據(jù)礦井的走向，選擇測(cè)量的通風(fēng)路線布置如圖1 所示。

圖1 不同分區(qū)礦井測(cè)試路線的布置

2 礦井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試分析

依據(jù)圖1 中選定的測(cè)試路線對(duì)礦井的通風(fēng)阻力分布進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行分析。將礦井內(nèi)整體的測(cè)試路線分為進(jìn)風(fēng)段、用風(fēng)段及回風(fēng)段，在常規(guī)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，三者之間的阻力保持在3∶3∶4[7]。對(duì)南北區(qū)的測(cè)試路線的阻力進(jìn)行分析，得到表1 中所示的測(cè)試路線的阻力分布。

表1 不同分區(qū)的通風(fēng)阻力分布表

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試路線1 的回風(fēng)段阻力值占比較高，達(dá)到56.5%，這是由于測(cè)試路線1的回風(fēng)段的長(zhǎng)度較長(zhǎng)導(dǎo)致的[8]；測(cè)試路線2 的回風(fēng)段阻力值占比達(dá)到了74.4%，這是由于測(cè)試路線2 的回風(fēng)段的通風(fēng)面積較小導(dǎo)致的[9]。

對(duì)不同分區(qū)的通風(fēng)阻力及百米風(fēng)阻進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)定，得到測(cè)試路線1 的阻力坡度分布如圖2 所示。從圖2 中可以看出，測(cè)試路線1 在中間段位置的回風(fēng)阻力坡度的上升較為均勻，通風(fēng)的阻力值由320 Pa上升至390 Pa，在測(cè)試路線的末端，總回風(fēng)立井前端通風(fēng)的阻力值的上升較快，通風(fēng)的阻力值由390 Pa上升至620 Pa。這是由于隨著通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道的逐漸延長(zhǎng)，使得有效的通風(fēng)斷面面積減小[10]，增加了風(fēng)流的密度，隨著巷道粗糙度的增加，通風(fēng)系統(tǒng)的摩擦阻力系數(shù)增加，引起通風(fēng)阻力值的快速上升[11]。

圖2 測(cè)試路線1 的通風(fēng)阻力變化曲線

對(duì)測(cè)試路線2 通風(fēng)阻力及百米風(fēng)阻進(jìn)行測(cè)定，得到測(cè)試路線2 的阻力坡度分布如圖3 所示。從圖3 中可以看出，測(cè)試路線2 的通風(fēng)阻力在末端位置急劇上升，通風(fēng)阻力由190 Pa 上升至620 Pa，此處為高阻力的位置，其余位置的阻力值整體較低[12]。

圖3 測(cè)試路線2 的通風(fēng)阻力變化曲線

通過上述的分析可知，在礦井分區(qū)式開采的通風(fēng)系統(tǒng)中，2 個(gè)分區(qū)的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓變化相互影響，在400 m 水平大巷道內(nèi)的風(fēng)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)少峰或者回流的情況，對(duì)煤礦的通風(fēng)安全不利，同時(shí)也造成在礦井內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)中主通風(fēng)機(jī)的效率值較低，南區(qū)通風(fēng)機(jī)的效率為40%，北區(qū)通風(fēng)機(jī)的效率為38%，通風(fēng)效果不理想。

3 礦井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在礦井的通風(fēng)系統(tǒng)中，由于分區(qū)通風(fēng)的設(shè)置，使得分支系統(tǒng)的通風(fēng)失穩(wěn)，自然風(fēng)壓對(duì)北區(qū)的主要風(fēng)機(jī)影響嚴(yán)重，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定，且效率較低。針對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中考慮將分區(qū)的回風(fēng)改為單側(cè)的集中回風(fēng)，從而利用礦井巷道及風(fēng)井較大的斷面來保證風(fēng)速不會(huì)過大，變?yōu)閱我环较虻牧鲃?dòng)，提高穩(wěn)定性；同時(shí)，考慮自然風(fēng)壓的作用，對(duì)北區(qū)的風(fēng)阻進(jìn)行一定調(diào)節(jié)，改變通風(fēng)機(jī)的阻力分布曲線，提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，從而保證風(fēng)量的相對(duì)穩(wěn)定。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造，對(duì)北區(qū)各水平位置的風(fēng)墻、風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行施工，增大北區(qū)的通風(fēng)阻力，并提高南區(qū)的通風(fēng)量，增加礦井的負(fù)壓值，在礦井的大巷中增加風(fēng)量調(diào)節(jié)的裝置，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。依據(jù)改造后的巷道各支點(diǎn)數(shù)據(jù)編制數(shù)據(jù)解算表，采用相似巷道的參數(shù)對(duì)各支點(diǎn)賦值，對(duì)優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)解算的結(jié)果，對(duì)分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造后，解決了礦井內(nèi)的角聯(lián)風(fēng)網(wǎng)，提高了礦井的負(fù)壓值，北區(qū)的負(fù)壓值增加了260 Pa，有利于對(duì)自然風(fēng)壓的變化進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)，通風(fēng)機(jī)的效率也得到了提升。對(duì)北區(qū)的各水平風(fēng)阻進(jìn)行增壓后，礦井的阻力值分布相對(duì)平衡，風(fēng)流的穩(wěn)定性得到提高。同時(shí)，進(jìn)一步在南北區(qū)負(fù)壓差的作用下，進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施的應(yīng)用，從而進(jìn)一步提高大巷道風(fēng)量的穩(wěn)定性，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）在分區(qū)開采的礦區(qū)中，對(duì)南北區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，分區(qū)內(nèi)的配風(fēng)量大，總阻值較小，但阻力的分布不均勻，分區(qū)之間通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，且巷道內(nèi)的風(fēng)量不穩(wěn)定，礦井的通風(fēng)機(jī)效率較低。

2）對(duì)礦井分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在北區(qū)內(nèi)的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)增加調(diào)節(jié)風(fēng)墻、風(fēng)門等通風(fēng)設(shè)備，提高了北區(qū)的通風(fēng)阻力，并依據(jù)礦井的實(shí)際風(fēng)量提高南區(qū)的配風(fēng)量，提高礦井內(nèi)的負(fù)壓值，并對(duì)巷道內(nèi)的風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

3）經(jīng)過優(yōu)化后的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，北區(qū)內(nèi)的高負(fù)壓值可以應(yīng)對(duì)自然風(fēng)壓的變化，提高了礦井內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可以提高通風(fēng)機(jī)的效率，保證系統(tǒng)風(fēng)量的穩(wěn)定性，為煤礦的安全開采提供保障。