王家嶺礦通風阻力測定與優化

畢圣昊，白廷海，李洪波，于保才

（1.遼寧工程技術大學系統工程研究所，遼寧 葫蘆島 125105；2.中煤華晉集團有限公司王家嶺礦，山西 臨汾 041000）

0 引言

煤礦在我國能源中起著不可替代的作用[1]。我國大部分煤礦屬于井工開采，平均開采深度約600 m，未來將有更多煤礦進入深度開采階段[2]。隨著開采深度的增加，礦井內溫度會越來越高，有毒有害氣體會越來越多，礦井需保持合理通風，以保證井下正常工作和井工生命安全[2]。礦井通風阻力是衡量礦井通風性能的重要指標，其值越大表明礦井通風越困難，礦井災難發生的概率越大[3，4]。為此，根據國家相關規定，新礦投產前需進行礦井通風阻力測定，往后3年內需進行至少1次通風阻力測定。

通過對礦井通風阻力測定與分析，發現礦井通風系統中存在的實際問題，并根據礦井地實際生產對通風系統地要求，制定通風系統優化方案，使優化后的通風系統具有技術合理、安全可靠和經濟合理等特點。

1 礦井概況

中煤華晉集團有限公司王家嶺礦位于山西省鄉寧礦區西南部，井田位于山西省鄉寧縣和河津市境內，面積約119.7 km2，地質儲量為15.48億t，可采儲量為7.78億t，主要可采煤層為2、3、10號煤層，現開采煤層主要為2號煤，平均厚度為6.05 m。

根據2019年礦瓦斯涌出量測定報告，王家嶺礦礦井絕對瓦斯涌出量為17.98 m3/min，相對瓦斯涌出量為1.55 m3/t，屬于高瓦斯礦井。2號煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級、不易自燃，煤塵具有爆炸危險性。礦井通風方式為中央分列式，通風方法為機械式抽出通風式。在碟子溝回風斜井井口附近安裝2臺同等能力的防爆抽出式對旋軸流式通風機，其中1臺工作、1臺備用，風機型號為FCZ№33.5/2000，電機型號Y710-8，轉速750 r/min。全礦井采取“三進一回”的系統布置，進風井為主平硐、副平硐和碟子溝進風斜井，回風井為碟子溝回風斜井。

2 測定方案

2.1 測定方法

目前,國內礦井通風阻力主要采用的2種測定方法是壓差計和氣壓計[5]。此次測量方法選用氣壓計方法對王家嶺礦進行通風阻力測定，測定設備為礦用本安型通風多參數測定儀、激光測距儀、SSN-71大氣壓溫濕度自動記錄儀和風速表。測量過程中將SSN-71大氣壓溫濕度自動記錄儀放在井口記錄大氣壓，測定人員攜帶其他儀器沿規劃路線依次測定各點的風速、巷道斷面尺寸、氣壓、溫濕度、巷道斷面形狀和巷道支護形式等原始數據。通過這些數據可以更深入了解王家嶺礦通風系統中風量分配和通風阻力分布情況，從而發現通風阻力較大的區段和地點，找出通風系統問題的根源，以便更經濟、有效合理地優化礦井的通風系統。

2.2 主測路線布置

為準確計算礦井通風阻力，合理的測點布置及科學的測定路線對礦井阻力測定分析的第一步。選擇的測定路線要能夠反映礦井通風系統特征，包含較多的支護形式和井巷類型，主要測定路線應包括礦井主要用風點，使它沿主風流方向便于測定工作順利進行，結合王家嶺礦巷道的具體條件和實際生產狀況，本次測定選擇3條測定路線，具體路線如下：

路線1：碟子溝進風斜井→進風煤門聯巷→2號煤中央輔運大巷→12302膠帶巷→12302工作面→12302回風巷→2號煤中央回風大巷→碟子溝回風斜井。

路線2：碟子溝進風斜井→進風煤門聯巷→2號煤中央輔運大巷→12309膠帶巷→12309工作面→12309回風巷→2號煤中央回風大巷→碟子溝回風斜井。

路線3：碟子溝進風斜井→進風煤門聯巷→2號煤中央輔運大巷→12313膠帶巷→12313備采工作面→12313回風巷→2號煤中央回風大巷→碟子溝回風斜井。

測定路線選定后，按照通風阻力測定的要求，結合礦井巷道布置的具體情況，測點布置在風流穩定、巷道斷面規整的地點，測點前、后3 m內支護完好，巷道內無堆積物；在風流分風點、匯風點及局部阻力大的地點，測點與風流變化點之間保持一定的距離（選在前方時不得小于巷道寬度的3倍；選在后方時不得小于巷道寬度的8倍）。設點時盡量使兩相鄰測點間的壓差不小于20 Pa，又不大于儀器的量程。測點的布置密度應能控制住井巷主要通風路線的阻力分布及風量變化情況，并盡可能將測點布置在巷道內頂板或底板標高已知的導線點上或其附近位置。

2.3 測定參數計算

測量工作結束后，還需進行測量結果的數據處理,在處理礦井通風阻力測定數據的過程中，使用的公式較為繁多[6]。各計算公式如下：

1）井下空氣密度的計算公式如下：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；P0為測點的大氣壓力，Pa；φ為空氣相對濕度，%；Ps為測點溫度為t℃時，空氣的絕對飽和水蒸氣壓力，Pa；t為空氣溫度，℃。

2）井下風量的計算公式如下：

式中：Vs為井巷實際風量，m3/s;S為測風斷面，m2；VL為井巷平均風速，m/s，其計算公式如下：

式中：C為常數，一般取0.4;Vc為風表測風速，m/s;a和b為風表校正系數。

3）通風阻力計算公式如下：

式中：hAB為兩測點的間的通風阻力，Pa；Δhs為兩測定間的靜壓差，Pa；Δhz為兩測點間的位壓差，Pa;hV為兩測點間的速壓差，Pa。

4）靜壓差計算公式如下：

式中：Δhs為兩測定間的靜壓差，Pa；PA、PB為兩測點上2臺儀器的同時讀數值，Pa；ΔP為2臺儀器的基準及變檔差值校正，Pa。

5）位壓差計算公式如下：

式中：Δhz為兩測點間的位壓差，Pa;ZA、ZB為兩測點的標高，m;ρA、ρB為兩測點的空氣密度，kg/m3。

6）速壓差計算公式如下：

式中：ΔhV為兩測點間的速壓差，Pa。ρA、ρB為兩測點的空氣密度，kg/m3;VA、VB為兩測點斷面上的平均風速，m/s。

7）巷道風阻計算公式如下：

式中：R為兩測點間的風阻，N·S2/m8；h為兩測點間的風阻，Pa；q為巷道通過的風量，m3/s。

8）巷道百米標準風阻計算公式如下：

式中：R100為巷道百米標準風阻，N·S2/m8；R為兩測點間的風阻，N·S2/m8；L為兩測點間的距離，m。

3 測定結果分析

3.1 礦井有效風量率

井下人員和機器設備的正常安全生產需合理的礦井風量供應。有效風量率作為反映礦井風量供應、衡量通風技術及其管理水平的重要依據，一般而言，有效風量率至少達到85%[7]。據表1可得，路線1、路線2和路線3的礦井有效風量率分別為95.59%、94.52 %和94.77 %，均大于85 %，表明礦井通風量可以保證煤礦正常安全生產。

表1 礦井有效風量率

3.2 系統阻力分析

礦井三段（進風段、用風段、回風段）通風阻力的百分比情況是衡量通風管理優劣的主要標志，詳細計算結果及三區分布圖見表2、圖1。從表2、圖1可看出：3條路線進風段阻力占總阻力的44.55 %、48.68 %、50.36 %，用風段的阻力所占的百分比為23.22 %、19.59 %、18.94 %，回風段的阻力占總阻力的32.19 %、32.74 %、30.65 %，三段阻力分布基本合理。從礦井百米阻力值分析，回風段百米阻力值小于進風段，其主要原因為近年來對井下巷道均進行了擴修和改換大斷面支護，且測定期間工作面臨近回采結束通風距離較短，總體上看礦井通風系統阻力分布基本合理。

圖1 三段分布

表2 礦井各用風區占值比例

3.3 等積孔與風阻分析

礦井通風等積孔和風阻是評判礦井通風難易程度的重要指標[8]，其中風阻的計算公式見公式（8），等積孔數學計算公式如下：

式中：A為等積孔;Q為礦井總回風量;h為礦井通風阻力，計算結果見表3。據表3可得，3條測定路線的等積孔分別為6.94、6.93、6.92 m2；3條測定路線的等積孔分別為0.029 3 N·s2/m8、0.029 4 N·s2/m8和0.025 N·s2/m8。依據《礦井通風難易程度的分級標準》可知，3條測定路線的等積孔均大于2 m2，風阻均小于0.35 N·s2/m8，可判定王家嶺礦井通風難易程度為容易。

表3 礦井等積孔與風阻分析

3.4 誤差分析

通風阻力測定結果舉要進行誤差分析，誤差結果應小于5%，通風系統測定誤差計算公式如下：

式中：h為測定的礦井累計測試阻力;hfs為通風機裝置靜壓;hv為風硐動壓;hn為礦井自然風壓。測定誤差結果應小于5 %，測定誤差詳細見表4。據表4可得，3條測定路線測定誤差分別為路線1：2.07 %、路線2：2.60%、路線3：2.92 %，測定誤差全部小于5 %，說明本次通風阻力測定結果較為精準，符合測定要求。

表4 通風系統測定誤差

3.5 通風系統存在的問題

根據測定數據與結果分析可以發現目前礦井通風系統存在如下主要問題：

1）根據《煤礦安全規程》有關規定，礦井通風阻力不得超過2 940 Pa，后期當風量超過20 000 m3/min時，不宜超過3 920 Pa，目前碟子溝回風斜井通風阻力高于2 750 Pa，阻力偏高。

2）碟子溝回風斜井風量20 524 m3/min，斷面28 m2，風速為10.94 m/s，風速偏大。

3）為了保證礦井持續經營及正常生產，需提前保障新開采區124盤區的安全開采工作。124盤區為東翼盤區，當124盤區投產后，井下形成“一井兩區兩面”模式，根據《煤礦安全規程》（2016版）第一百四十七條規定“高瓦斯礦井應當采用分區式通風或者對角式通風”，因此，需要新增回風井筒。井田東翼124盤區移交時期，井下各用風地點總需風量為300 m3/s，碟子溝進風斜井凈斷面積29.6 m2，按照風速小于8 m/s，考慮0.9的有效斷面系數，最大進風量為213 m2/s，現有通風系統無法滿足通風需要，因此，需要在井田東翼增加進、回風井筒滿足東翼各盤區的通風需要。

4 礦井通風系統優化方案

4.1 優化改造思路

結合王家嶺礦通風系統以及該礦實際情況，進行如下優化：

1）根據后續開采計劃，礦井主采區將轉移至東翼，在東翼新建東翼副斜井、東翼進風斜井、東翼回風立井，滿足東翼盤區通風正常需要。

其中東翼副斜井，井筒方位角32°，傾角5.5°，長度3 730 m；東翼副斜井井底聯絡巷（125盤區輔助運輸巷），長度1 890 m，與2號煤東翼輔助運輸大巷相接；東翼進風斜井，井筒方位角32°，傾角20°，長度1 288 m；東翼回風立井井底聯絡巷（2煤北翼回風大巷），長度1 074 m，與2號煤東翼輔助運輸大巷相接；東翼回風立井，井筒方位角122°，垂深485 m；東翼回風立井井底聯絡巷（2煤北翼回風大巷），長度2 305 m，與2號煤東翼回風大巷相接。

2）將碟子溝回風斜井斷面適當擴大并清理雜物，并將碟子溝風機改為小功率風機，從而降低風速，滿足《煤礦安全規程》中對于回風井風速的要求。

4.2 優化方案模擬

采用3DSimOpt軟件對提出的優化方案進行模擬。3DsimOpt軟件由遼寧工程技術大學系統工程研究所開發的三維通風仿真軟件，具有解算速度快、操作簡單等優點[9]。模擬礦井優化方案，運行仿真系統觀察各個巷道風量變化情況，詳細風量結果見表5。由表5可得，碟子溝回風斜井經優化后風量降為9 600 m3/min。對回風斜井道巷進行清理雜物和擴充斷面后，增加有效通風面積，從而降低巷道風速，也能有效降低回風段風阻，碟子溝回風斜井負壓由原來的2 766 Pa，變為為1 492.7 Pa。

表5 優化后風量對比表

通過在東翼新建東翼副斜井、東翼進風斜井、東翼回風立井，可滿足未來東翼開采正常用風需求，優化方案整體較為合理。

5 結論

通過對王家嶺礦礦井通風阻力進行測定并優化，得到以下結論：

1）礦井三段阻力分布合理，3條測定路線的有效風量率分別為95.59 %、94.52 %、94.77 %，表明礦井通風狀況良好，可以進行正常安全生產。

2）根據對等積孔與風阻綜合比較可得：王家嶺礦井屬于通風容易型礦井。

3）3條測定路線系統誤差均小于5 %，在測量誤差允許范圍內，說明測量數據具有有效性，能夠反映王家嶺礦井通風系統概況。

4）通過對礦井通風阻力測定以及礦井后續開采計劃，分析出礦井通風系統存在問題并提出優化方案。采用3DSimOpt軟件對優化方案進行模擬，表明優化方案可滿足礦井供風需求，并且能夠有效降低回風段風阻，優化方案較為合理。