古城煤礦“H”型通風系統優化研究

李斌

（山西潞安環保能源開發股份有限公司古城煤礦，山西 長治 046100）

0 引言

古城煤礦隨著礦井生產不斷延伸、規模不斷的擴大，通風系統日趨復雜[1-3]，特別是工作面系統目前總風量占比比較大，礦井總負壓大。隨著生產推移，后期通風將更加困難。目前古城煤礦井下通風構筑物巷道共有159處，壓差超過1 000 Pa的風門占29%，約1/3，風門壓差超過2 000 Pa的有4處，風門壓差1 500～2 000 Pa之間的有17處，高負壓帶來高風險和潛在的不安全因素。因此需要在復雜風網結構分析的基礎上，對通風系統進行降阻增效，特別是阻力占比較大的工作面通風系統更需要進行優化設計。基于此，對于目前的中央風井、桃園風井聯合通風進行統一分析論證，保證各回風井通風系統動力與相應負擔的回風系統進行合理匹配。

因此，針對古城煤礦多風井回風、復雜結構的通風網絡，需要對全礦井進行通風參數測試，建立古城煤礦礦井通風管理信息系統，結合通風網絡結構分析，實現古城煤礦通風系統安全可靠、經濟合理運行以及便于管理的目標。

1 礦井通風系統概況

1.1 礦井通風阻力測定

結合古城煤礦現有通風系統實際情況，通過采用傾斜壓差、精密氣壓計的同步法和基點法混合測定方法完成了通風參數測試，完善古城煤礦通風管理信息系統后，經過反復的系統調試，使仿真系統誤差滿足現場實際要求后，進一步開展通風系統分析評價和方案模擬等工作。

如圖1為古城煤礦通風簡圖。副立井到中央回風井：⒈副立井；⒉聯絡巷；⒊東翼輔運大巷；⒋進風聯絡巷；⒌N1305進風順槽；⒍N1305工作面；⒎N1305膠帶順槽；⒏8號橫貫；⒐N1305回風順槽；⒑回風聯絡巷；⒒東翼1號回風大巷；⒓.9號橫貫；⒔東翼2號回風大巷；⒕中央回風立井。

桃園進風立井到桃園回風立井：⒖桃園進風立井；⒗回風井底管子道；⒘南翼7號貫；⒙南翼進風大巷；⒚S1301輔運順槽；⒛S1301膠帶順槽；21.S1301工作面；22.S1301回風順槽；23.S1301回風順槽3號貫；24.S1303回風順槽；25.南翼2號回風大巷；26.回風聯絡道；27.南翼總回風大巷聯絡巷；28.桃園回風立井。

圖1 古城煤礦通風簡圖

通風阻力為風阻和風量的綜合作用，表現為通風系統能量的耗損，通風阻力路線可以反映出三區阻力的分布情況，對礦井系統優化和改造具有參考價值[4-5]。對于副立井到中央回風立井通風阻力路線，將節點1～3作為進風區，節點4～10作為用風區，節點11～14作為回風區；對于桃園進風立井到桃園回風立井通風路線，15～18作為進風區，19～24作為用風區，25～28作為回風區。

圖2 中央回風立井沿程阻力分布

圖3 桃園回風立井沿程阻力分布

表1 通風系統測定誤差

如圖2、3，表1所示，中央回風立井沿途路線進風區、用風區、回風區阻力分別為1 081、1 230 Pa和1 039 Pa，三區阻力分配比例為32∶37∶31；三區長度分別為：2 418、3 595、2 632 m，等積孔為9.42 m2，為通風容易礦井，對于盤區式開采，用風消耗阻力明顯偏大。桃園回風立井沿途路線進風區、用風區、回風區阻力分別為534、1 801、1 215 Pa，三區阻力分配比例為15∶51∶34，三區長度分別為：1 410、1 409、1 382 m，等積孔為7.97 m2，為通風容易礦井。用風區消耗阻力所占比例明顯偏大，主要原因是用風區段阻力偏大。

2 古城煤礦H型通風網絡分析

2.1 通風網絡結構分析

對通風系統相對應的通風網絡結構進行詳細分析，為通風系統優化改造提供技術支持。通過分析各用風地點的風量來源，將古城煤礦的通風系統進行簡化。通過古城煤礦通風結構簡圖，可以更直觀的看出各個風井與各個采區的風量供需關系，其中，將主斜井和副立井主要為N1301、N1305以及南翼用風地點同時供風；桃園進風井主要為S1301工作面、南翼用風地點同時供風。通過明確各個風井與各個采區的風量供需關系，將整個礦井的通風系統進行簡化可以得到如圖4的近H型結構通風網絡。

系統結構簡圖介紹如下：V1為中央風井進風點；V2為桃園風井進風點；V3為中央進風立井到北翼用風地點與南翼用風地點分風點連接的節點；V4為連接桃園、中央供風與南翼用風的節點。e1為中央進風立井等效進風風路；e2為N1305、S1301工作面等效回風風路；e3為中央進風立井向南翼采區等效進風風路；e4為等效進風風路；e5為桃園風井等效回風風路。

通過將各風路的等效阻力以及等效風量可在模擬仿真圖中得到，則各等效風路的風阻值可以通過阻力定律公式（1）求出。

第一組，弧半徑R=140 mm 傾角φ=30°峰間距h=20 mm內流場速度、溫度、壓強分布圖及數據，見表2。

式中：Hr為各風路的等效阻力（Pa）；Rf為各等效風路的等效摩擦風阻（N·s2/m8），Q2為各風路的等效風量（m3/s）。通過計算，得到的等效通風系統參數值見表2。

表2 等效風路參數

對將以上等效風路數據錄入所建立模型，并對系統進行調試得到“H型”形仿真模擬圖4。

圖4 簡易通風系統

2.2 回風井風量變化對礦井等效風阻的影響分析

圖5 簡易通風系統

礦井通風等效風阻是在評價整個礦井通風難易程度的重要指標，等效風阻越低，在風量不變的情況下阻力越低，能量消耗越少，反之阻力越大，能量消耗越大[6-7]。但是，回風井回風量的變化將會使得礦井的等效風阻發生變化。

如圖5為簡易通風系統。設分支e0、分支e1、分支e2的摩擦風阻分別為R0、R1、R2，風量分別為Q0、Q1、Q2根據通風三大定律得式。

因此回風井e1和回風井e2對應的通風系統見式：

此外全礦的通風阻力見式：

因此全礦井的等效風阻見式：

若回風井e1回風量發生變化，則回風井e2回風量必然發生變化，記回風井e1回風量變化ΔQ1，回風井e2回風量變化ΔQ2，則變化后的見式：

變化后的回風井1和回風井2對應的礦井等效風阻見式：

為了研究方便，本文在研究古城煤礦“H”型通風系統回風井回風量如何影響礦井通風等效風阻之時，使其中一個風井的回風量發生變化，另一風井的回風量不變。現對2個風井回風量變化對礦井通風等效風阻的影響進行分析。

圖6 中央回風井回風量變化對等效風阻的影響

1）中央回風立井回風量變化對礦井等效風阻影響分析。

如圖6所示為中央回風井回風量變化對等效風阻的影響。根據模擬結果，各個采區同時生產，中央風井回風量為439.42 m3/s，下面研究當中央風井回風量變化時，各回風井通風阻力以及各回風井礦井等效風阻是如何變化的，選擇風量變化的范圍為350 m3/s到560 m3/s。

當中央回風井回風量增加時，中央等效風阻逐漸減小，桃園等效風阻逐漸增大，根據曲線的角度變化可以看出中央回風井回風量的變化對桃園等效風阻的影響較小。

2）桃園回風井回風量變化對礦井等效風阻影響分析。

如圖7所示為桃園回風井風量變化對等效風阻的影響。根據模擬結果，各個采區同時生產，桃園風井回風量為397.47 m3/s，下面研究當桃園回風量變化時，各回風井通風阻力以及各回風井礦井等效風阻是如何變化的，本論文選擇風量變化的范圍為240～450 m3/s。

圖7 桃園回風井回風量變化對等效風阻的影響

當桃園回風井回風量增加時，桃園等效風阻逐漸減小，中央等效風阻逐漸增大，根據曲線的角度變化可以看出桃園回風井回風量的變化對中央等效風阻的影響較小。

3 基于通風系統優化改造試驗

根據古城煤礦采區銜接計劃，S1301工作面即將開采完畢，2022年開采S1303工作面，為了使得S1301順利過渡到S1303，保證通風系統地點用風可靠，利用古城煤礦通風管理信息系統對工作面順利過渡進行預測分析。

3.1 工作面通風系統調整布置

目前S1301工作面風量為4 045 m3/min，S1303工作面風量為1 658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷為264 m3/min，屆時S1303工作面開采時，由于古城煤礦屬于高瓦斯礦井，需風量將達到5 000 m3/min左右，因此，在目前通風系統的基礎上，需要對通風系統進行調整，以此來滿足S1303開采時需風量。

在S1301輔助運輸順槽、S1301膠帶運輸順槽新加2處風門，S1301瓦斯高抽巷和S1301回風順槽之間回撤面進行控風，在S1301輔助進風順槽與S1303回風順槽之間增加一道風門，拆除一道風門，在S1303回風順槽拆除一處風門，新建一道風門；在S1303膠帶順槽與S1303輔運順槽之間拆除4處風門，在S1303膠帶順槽上拆除一道風門，具體位置如圖8、圖9所示。

圖8 S1303工作面投入生產前

圖9 S1303工作面投入生產后

3.2 仿真結果分析

根據以上通風系統調整布置，進行仿真計算，設計方案能夠滿足S1303工作面正常生產用風要求，巷道風流穩定，風速均達到礦井規定的風速標準。S1303工作面投入生產前后巷道風量仿真模擬結果見表3。

表3 等效風路參數

基于古城通風管理信息系統，分析得出S1303工作面投入生產使用前后桃園回風井風量及阻力情況，S1303工作面投入生產前，桃園進風立井到桃園回風立井最大阻力通路阻力值為3 503 Pa，風量為23 816 m3/min；S1303工作面投入生產后，桃園進風立井到桃園回風立井最大阻力通路阻力值為3 355 Pa，風量為2 4551 m3/min，負壓降低148 Pa，風量升高735 m3/min。

根據仿真分析結果，設計方案能夠滿足S1303工作面正常生產用風要求，巷道風流穩定，風速均達到礦井規定的風速標準。

4 結 論

本文基于古城煤礦現有通風系統以及對礦井通風系統的普查中獲得的基礎數據，利用古城煤礦通風管理信息系統模擬仿真，對古城煤礦“H”形通風網絡進行了分析。

1）中央回風立井回風量為458.01 m3·s-1，礦井等積孔9.42 m2；桃園回風立井回風量399.26 m3·s-1，礦井等積孔7.97 m2；礦井均為通風容易礦井。通風三區阻力計算及分析，得出古城煤礦兩回風井用風區分配阻力占比均在三區阻力中最大，需針對阻力過高區段進行降阻。

2）基于MVIS仿真軟件對通風系統進行了優化和改造，S1303工作面投入生產后，負壓降低148 Pa，風量升高735 m3/min，降低了通風耗費，提高了經濟效益。

3）當中央回風井回風量增加時，中央等效風阻逐漸減小，桃園等效風阻逐漸增大，根據曲線的角度變化可以看出中央回風井回風量的變化對桃園等效風阻的影響較小。桃園回風井回風量增加時，桃園等效風阻逐漸減小，中央等效風阻逐漸增大，根據曲線的角度變化可以看出桃園回風井回風量的變化對中央等效風阻的影響較小。