公烏素礦通風(fēng)阻力測定及系統(tǒng)優(yōu)化效益分析

楊 琛 邵文琦 王 振

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島 125105；2.國家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

1 礦井基本情況概述

1.1 通風(fēng)方式

該礦井采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。巷道掘進(jìn)采用局部通風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)，16#主井、主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，北區(qū)回風(fēng)井和南區(qū)回風(fēng)井回風(fēng)。其中北區(qū)回風(fēng)井為11、12、21、22 采區(qū)服務(wù)，南區(qū)回風(fēng)井為13、14、23、24 采區(qū)服務(wù)。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)開拓布置，礦井采用分區(qū)式通風(fēng)。礦井北區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)為16#主井、主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)→軌道石門→采區(qū)運(yùn)輸上（下）山→中車場→運(yùn)輸順槽→工作面→回風(fēng)順槽→采區(qū)回風(fēng)上（下）山→回風(fēng)石門→北區(qū)回風(fēng)井回風(fēng)。

礦井南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)為16#主井、主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)→輔助運(yùn)輸大巷→采區(qū)運(yùn)輸上（下）山→運(yùn)輸順槽→工作面→回風(fēng)順槽→采區(qū)回風(fēng)上（下）山→回風(fēng)石門→南區(qū)回風(fēng)井回風(fēng)。

2 通風(fēng)系統(tǒng)分析

2.1 測定路線

測定路線選擇遵循如下原則[1-4]：首先測定路線要能夠反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)特征，應(yīng)該包含較全井巷形狀和支護(hù)類型，其次測定路線應(yīng)包括礦井主要用風(fēng)點(diǎn)。結(jié)合該礦的具體情況，選擇如下兩條路線：

1）路線1：北進(jìn)風(fēng)斜井→011601 運(yùn)輸順槽→011601 工作面→011601 回風(fēng)順槽→011601 回風(fēng)聯(lián)巷→16#回風(fēng)下山→北回風(fēng)斜井；

2）路線2：北進(jìn)風(fēng)斜井→集中運(yùn)輸巷→12#暗下山→021601 運(yùn)輸順槽→021601 回風(fēng)順槽→021601 回風(fēng)石門→南回風(fēng)斜井。

2.2 風(fēng)量分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，礦井風(fēng)量情況見表1。m3/s，南回風(fēng)井總回風(fēng)量為43.95 m3/s，總回風(fēng)量為134.32 m3/s。

表1 礦井風(fēng)量匯總表 m3/s

礦井有效風(fēng)量率是反映礦井通風(fēng)效果的重要指標(biāo)[5]，一般情況下礦井有效風(fēng)量率不應(yīng)低于87%。其計(jì)算公式如式（1）：

由表1 可知，礦井總?cè)腼L(fēng)量為133.75 m3/s，礦井需風(fēng)量為127.82 m3/s，北回風(fēng)井總回風(fēng)量為90.37

式中：Pe為礦井有效風(fēng)量率，%；Qr為礦井的總進(jìn)風(fēng)量，m3/s；Qe為井下工作地點(diǎn)風(fēng)量總和。

根據(jù)式（1）計(jì)算礦井有效風(fēng)量率為95.565%，可看出礦井內(nèi)部有效風(fēng)量率符合要求。

2.3 系統(tǒng)阻力分析

測定通風(fēng)阻力見表2，通風(fēng)三區(qū)分布見表3。

表2 路線1 與路線2 通風(fēng)阻力 Pa

表3 礦井通風(fēng)三段阻力分布情況表

由表2 可以看出，測定路線1 的總風(fēng)阻為1574.206 Pa，測定路線2 的總風(fēng)阻為855.392 Pa。測定路線1 中011601 備用回風(fēng)順槽路段的風(fēng)阻較大，為365.615 Pa，測定路線2 中+1000 南運(yùn)輸大巷測段的風(fēng)阻較大為164.224 Pa。從表3中可以看出：兩條路線進(jìn)風(fēng)段阻力占比為21.52%、58.19%，用風(fēng)段的阻力占比為37.23%、18.52%，回風(fēng)段的阻力占比為41.25%、23.29%。可以看出路線1 通風(fēng)三區(qū)分布滿足要求；路線2 進(jìn)風(fēng)區(qū)占比大，用風(fēng)占比小，主要原因?yàn)樵撀肪€進(jìn)風(fēng)路線較長。綜上，兩條通風(fēng)路線的通風(fēng)三區(qū)占比基本合理。

3 優(yōu)化效果預(yù)測及效益分析

通過實(shí)際觀察與測量，可發(fā)現(xiàn)該礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)路線較長。北區(qū)無開采計(jì)劃，風(fēng)量較低。礦井通風(fēng)優(yōu)化應(yīng)盡量利用原有巷道；工程量少、工期短、見效快；投資省、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理；滿足通風(fēng)需風(fēng)量要求；兼顧礦井今后一段時(shí)間的生產(chǎn)部署及需風(fēng)量要求。

3.1 優(yōu)化改造思路

根據(jù)開采計(jì)劃，011601 工作面開采完畢，設(shè)備回撤，021601 工作面處于備采狀態(tài)。結(jié)合公烏素開采情況和通風(fēng)狀態(tài)，對通風(fēng)系統(tǒng)做如下改造：首先密閉011601 運(yùn)輸順槽及011601 回風(fēng)順槽，并拆除+1000 南運(yùn)輸巷至南運(yùn)輸大巷風(fēng)門，使風(fēng)量從南運(yùn)輸大巷進(jìn)入021601 工作面，然后適當(dāng)擴(kuò)大南運(yùn)輸大巷斷面，減少巷道風(fēng)阻，增加風(fēng)量利用。

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化改造思路，在3DSimOpt 軟件上對優(yōu)化方案進(jìn)行模擬。

1）在3DSimOpt 軟件上刪除011601 工作面、011601 運(yùn)輸順槽及011601 回風(fēng)順槽。

2）在軟件中對南運(yùn)輸大巷進(jìn)行雜物清理并對斷面做擴(kuò)大處理。

通過對南區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行模擬，優(yōu)化后南采區(qū)部分路線的風(fēng)量見表4。

表4 優(yōu)化后部分風(fēng)量 m3/s

由表4 看出，011601 運(yùn)輸順槽及011601 回風(fēng)順槽密閉后，011601 回風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)量減少至25.75 m3/s。另將+1000 南運(yùn)輸巷至南運(yùn)輸大巷處風(fēng)門拆除后，南運(yùn)輸大巷風(fēng)量增大到30.94 m3/s，拆除風(fēng)門后能有效降低巷道內(nèi)風(fēng)阻，增加巷道風(fēng)量。此外，集中運(yùn)輸巷風(fēng)量降低至14.44 m3/s，021601 工作面貫通后模擬風(fēng)量為25.30 m3/s，經(jīng)計(jì)算優(yōu)化后北回風(fēng)井風(fēng)阻有所減少，為1 264.12 Pa。

3.3 效益分析

合理的通風(fēng)系統(tǒng)既能保證礦井生產(chǎn)安全，又能節(jié)省開采能耗，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益[6]。假定改造前后風(fēng)量不變，則改造前后北回風(fēng)井的風(fēng)量均為5 422.2 m3/min（90.37 m3/s），改造前總風(fēng)阻為1 574.214 Pa（160×9.806 65 Pa），改造后總風(fēng)阻為1 264.12 Pa（128×9.806 65 Pa）（風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力均用水銀柱來測量，1 mmAg=9.806 65 Pa，在水銀柱讀數(shù)時(shí)，1 574.214 Pa 為160 mmAg，1 264.12 Pa為128 mmAg）。式（2）為風(fēng)機(jī)主扇功率計(jì)算方法[7]。

式中：K為電機(jī)能力備用系數(shù)，取1.15；N為主扇功率，kW；Q為風(fēng)井風(fēng)量，m3/s；H為通風(fēng)阻力，Pa；η為主扇效率，取70%，ηc為機(jī)械傳動(dòng)效率，取98%。

經(jīng)計(jì)算，改造前北回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)總功率為：

N前≈237.639 kW

經(jīng)計(jì)算，改造后北回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)總功率為：

N后≈190.111 kW

改造后單臺主要通風(fēng)機(jī)功率下降約47.528 kW。

計(jì)算礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后的電費(fèi)，需要考慮：

1）通風(fēng)系統(tǒng)的能耗：能耗取決于其功率和運(yùn)行時(shí)間。北回風(fēng)井配置風(fēng)機(jī)臺數(shù)為兩臺，實(shí)際為一臺運(yùn)行一臺備用。改造前北回風(fēng)井的風(fēng)機(jī)總功率約為237.639 kW，改造后北回風(fēng)井的風(fēng)機(jī)總功率約為190.111 kW。

2）運(yùn)行時(shí)間：礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間為24 h 不間斷運(yùn)行。

3）電 價(jià)：一 般 國 內(nèi) 工 業(yè) 用 電 為0.725元。因此北回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)年節(jié)約電費(fèi)為0.725×24×365×47.528=301 850.328 元。

該計(jì)算通過比較原通風(fēng)系統(tǒng)和模擬優(yōu)化后系統(tǒng)的能耗差異，在實(shí)際情況中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的能耗會受多種因素影響，比如季節(jié)性變化、天氣條件和礦井工作需求的變化，因此該計(jì)算結(jié)果只是一個(gè)估算值，具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

1）利用公烏素煤礦礦井通風(fēng)數(shù)據(jù)測量結(jié)果，系統(tǒng)地分析了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)情況和礦井開采計(jì)劃，為公烏素煤礦提出了關(guān)閉011601 運(yùn)輸順槽以及011601 回風(fēng)順槽、拆除+1000 南運(yùn)輸巷至南運(yùn)輸大巷處風(fēng)門和適當(dāng)擴(kuò)大南運(yùn)輸大巷斷面的優(yōu)化方案。

2）利用3DSimOpt3.0軟件對優(yōu)化方案進(jìn)行模擬，經(jīng)驗(yàn)證，該優(yōu)化方案不僅能保證井下用風(fēng)需求，還能降低礦井通風(fēng)阻力，降低風(fēng)機(jī)總功率，為礦井帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。