礦井“H”型通風系統的優化研究

＊張浩偉

（山西焦煤西山煤電馬蘭煤礦 山西 030200）

1.礦井通風系統概況

(1)礦井通風阻力測定

在全面了解該礦的實際情況，并進行系統的分析研究后，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全面地對通風系統的應用效果進行了檢測，并根據效果進行參數的優化。經過多輪的參數優化，使得仿真結果與實際結果誤差在一定的范圍內，然后再進行系統的評價。

圖1為該礦通風簡圖。風阻是指風阻與風量的復合效應，體現在通風系統的能源消耗上，風阻路徑能夠體現三個區域之間的阻力分布，對于礦山的優化與改造有重要的指導意義。

圖1 該礦通風簡圖

由圖2、圖3及表1可知，在中心回風豎井線上，入風區為1081Pa，用風區為1230Pa，回風區為1039Pa，三區所占的比例為32:37:31；三個區域的長為2418m、3595m、2632m，等體積的孔徑為9.42m2，屬于易通風的礦區，在盤區型的情況下，風耗和阻力都比較大。桃園回風豎井沿線，其進風區、用風區和回風區的風阻為534Pa、1801Pa和1215Pa，三區的風阻分布比為15:51:34，三區的總長度為1410m、149m和188m，等體積的孔徑為7.97m2，屬于一種易通風的礦山。由于在用風區的部分存在較大的阻力，其所占的比重較大。

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

2.煤礦H型通風網絡分析

（1）通風網絡結構分析。在此基礎上，詳細地分析了相應的通風網絡構造，為該通風網絡的優化和改進提供了技術支撐。在對不同用風點的空氣流量進行分析的基礎上，對礦井的通風系統做了簡單的設計。從本礦山的通風結構簡圖中，我們可以更加清晰地看到每個風井與每個采區之間的風量供求關系。桃園入口風道，以51301工作面為主體，對南翼的采風場進行了同步送風。在對工作面采區風量的需求和實際供應情況進行分析后，并在此基礎上進行了通風系統的優化，得到了近似H形的通風網絡結構，見圖4。

圖4 簡易通風系統

從該系統的結構示意圖，可知：V1是中心風井的進風點；V2是桃園風井的進風點。對其進行了分析，發現V3是從中心入口豎井至北翼風向點和南翼風向點的結點；V4是將桃園、中央風場和南部風場聯系在一起的結點。e1是一個相當于中心進氣豎井的進風風路；e2是等效回風風路，即N1305和51301的等效風路；e3為從中心進風豎井到南部采區的等效進風風路；e4為等效進風風路；e5是相當于桃園風風路的回風。

若能在模擬的仿真圖表中獲得每條風路的等效阻力和等效空氣流量，那么就能由式（1）阻力定律計算出每條等效風路的等效風阻。

其中，Hr表示每條風道的等效阻力，Pa；Rf是在每條等效風路上的等效摩擦風阻，N·s2/m8；Q2是在每條風路上的等效空氣流量，m3/s。經分析，得出了該系統參數的具體數值，如表2所示。

表2 等效風路參數

將上述等效風路數據輸入所建的模型，并持續對模型進行優化處理，最終確立的模擬圖的結果如圖4所示。

（2）回風井風量變化對礦井等效風阻的影響分析。為了提升研究的便捷性，在對“H”形通風系統中，回風井的回風量對礦井等效風阻的影響進行研究，控制其中一個風井的風量改變，另一個維持不變，然后對影響風阻的因素進行分析。

①中央回風立井回風量變化對礦井等效風阻影響分析。中心回風井口空氣流量的改變對等效空氣阻力的作用見圖5。仿真結果表明，在所有的礦井采取同時生產的情況下，中心風井的回風量達到了439.42m3/s。當中央風井回風量發生改變的時候，即當范圍在240～450m3/s之間變化時，對各回風井通風阻力和各回風井礦山等效風阻的變化情況進行了研究。

圖5 中央回風井回風量變化對等效風阻的影響

隨著中心回風井回風流量的增大，中心等效的阻力降低，桃園中心當量的阻力增大。由圖的曲線改變可知，回風流量對中心等效風阻力的作用不大。

②桃園回風井回風量變化對礦井等效風阻影響分析。桃園回風井風流量的改變對當量風阻力的影響，見圖6。通過仿真計算得出，在各礦區同步開采的情況下，桃園礦區回風流量為397.47m3/s當桃園礦區回風流量發生改變時，即當范圍在240～450m3/s之間變化時，對各回風井風阻和各回風井井底等效風阻的變化進行分析。隨著桃園回風井回風流量的增大，桃園等效風阻力降低，而中心等效風阻力升高。由桃園回風井回風流量的改變，中心等效風阻阻力降低，由圖的曲線改變可知，回風流量對中心等效風阻力的作用不大。

圖6 桃園回風井回風量變化對等效風阻的影響

3.基于通風系統優化改造試驗

（1）工作面通風系統調整布置。現在51301工作面的風量是4045m3/min，S1303工作面的風量是1658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷的風量是264m3/s，51303工作面的采煤需求是5000m3/min，所以為了滿足51303工作面的采煤需求，必須對現有的通風系統進行改造。對51301副輸送順槽、51301膠帶輸送順槽增設兩個風門，對51301瓦斯高抽巷與51301回風槽之間的回風門實施控制，在51301副進風槽與51303回風槽之間增設一座風門并拆除一座風門，并在51303回風槽拆除一座風閘；將51303膠帶導軌和51303副運導軌之間的4個風門拆下，將51303膠帶導軌上的一個風門拆下。

（2）仿真結果分析。完成上述通風系統的調節后，利用仿真軟件對系統進行模擬，并對仿真結果進行分析，表明該設計方案能夠有效保障52303工作面采風需求。同時，巷道內的風流也比較平穩，其速度都可以達到礦山所需要的風速。通過對51303采場巷道風流量的數值計算，得出了采場巷道風流量的數值計算結果。

表3 等效風路參數

以礦井通風管理信息系統為基礎，對51303工作面投產前和投產后的桃園回風井風量和阻力進行了分析，結果表明：在51303工作面投入使用之前，桃園進風到桃園出風的最大風阻是3503Pa，空氣流量23816m3/min。51303工作面投入使用后，桃園區進風到桃園區出風的最大阻力為3355Pa，風量為24551 m3/min，負壓下降的幅度為148Pa，風量增加的幅度為735m3/min。

仿真結果表明，在應用該方案后，51303工作面的采風需求能夠有效保證，并且巷道中風流較為平穩，其速度都在煤礦所需的范圍內。

4.結論

根據西山煤電集團某煤礦已有的通風體系，并結合現場調查得到的基本資料，運用煤礦通風MIS進行了“H”型通風體系的仿真，并對其進行了詳細的研究。

（1）中心風井空氣流量為458.01m3/s，井下鉆孔的等效面積為9.42m2；桃園回風豎井的空氣流量為399.26m3/s，井下鉆孔的等效面積為7.97m2；這些礦山都是易于通風的礦山。對三區的風阻進行了計算和分析，結果表明：三區的風阻中，兩個回風井的井用風區分布的風阻所占比重都是最大的，需要對其進行有效的降阻處理。

（2）在MVIS模擬軟件的基礎上，對通風系統進行了優化和改進，在51303工作面投產后，其負壓下降了148Pa，風量上升了735m3/min，從而減少了通風消耗，增加了經濟效益。

（3）結果表明，隨著回風流量的增大，中央的等效風阻會慢慢變小，而桃園等效風阻逐漸增大，按照曲線的角度變化情況，可知中央回風井回風量的變化幾本不會影響桃園等效風阻，桃園回風井回風量的變化幾乎也不會影響中央等效風阻。