東灘煤礦西風井通風系統改造優化設計及應用

豐云雷

（山東兗礦設計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

東灘煤礦采用立井多水平開拓，兩翼對角抽出式通風，副井進風，主井輔助進風，西風井、北風井回風。礦井于2018 年對北風井通風系統進行了改造，更換為2 臺ANN-2650/1250C 型通風機，主要擔負一采區、三采區、部分十四采區以及將來五、七采區回風。西風井目前仍使用1988 年安裝的2 臺HDR280-69 型軸流式主要通風機，主要擔負四采區、六采區及部分十四采區回風。

1 礦井西風井通風系統改造的必要性

1）主要通風機及附屬設施已老化，安全性能下降。西風井裝備2 套HDR280-69 型動葉可調式軸流風機，自1988 年安裝至今已連續運行30 余年。長期使用致使風機及附屬設施出現老化，機械磨損嚴重，風機運行性能差，能耗高，通風安全性能降低。

2）主要通風機控制系統無法實現集控。主要通風機控制系統于1997 年進行改造，采用歐姆龍PLC進行程序控制，無模擬量模塊、通訊模塊、總線接口等，無法實現集控，且升級改造工程量大、耗時長，期間單風機運行，存在安全隱患。

3）主要通風機運行效率偏低，不滿足節能要求。主要通風機雖能滿足目前礦井接續生產用風要求，但風機運行效率偏低且不滿足現行節能規范的要求。

2 礦井風量及阻力計算

2.1 礦井生產接續規劃

東灘煤礦-660 m 水平共劃分為8 個采區，即西翼四采區，北翼十四采區，南翼六、八采區，東翼一、三、五、七采區。目前，礦井生產采區為三、六、十四采區，其中十四采區即將回采結束。十四采區回采結束后，東翼五、七采區接續生產，屆時三、五、六、七采區將成為礦井后續主要生產采區。根據礦井生產接續規劃，礦井生產將長期保持2～3 個采煤工作面同時生產的格局，并配8～9 個掘進工作面。

2.2 礦井通風時期的劃分

西風井主要服務于礦井四采區（擴大區）、六采區、十四采區（擴大），按生產接續可劃分2 個時期。

1）六采區和十四采區同采時期。該時期西風井主要服務六采區和十四采區生產，六采區布置1 個綜采工作面、4 個掘進工作面，十四采區布置1 個綜放工作面。

2）四、六、八采區僅一個工作面回采時期。該十四采區已基本回采完畢，西風井主要服務四采區、六采區、八采區生產。3 個采區之間交替生產，僅布置為1 個采煤工作面生產和3～4 個掘進工作面。

經分析，六采區和十四采區同采時期，2 個工作面集中在西風井服務范圍內，西風井通風風量大，通風距離較長。經比較，十四采區14320 綜放工作面和63上06 綜采工作面同時生產時期為西風井通風困難時期，屆時生產布局為六采區、十四采區各布置1個采煤工作面，4 個掘進工作面全部集中在六采區，負責工作面順槽及聯絡巷掘進工作。

四、六、八采區僅一個工作面回采時期，西風井僅服務一個采煤工作面，風量較小，通風距離較近。經比較，六采區63上02 工作面生產時期為西風井通風容易時期，屆時六采區布置1 個采煤工作面和3個掘進工作面，3 個掘進工作面中2 個負責順槽掘進工作，1 個負責下山開拓延伸工作。

2.3 礦井風量計算

根據《煤礦安全規程》、《煤礦礦井風量計算方法》（MT/T 634-2019）等規定，西風井通風容易時期及困難時期總風量及分配詳見表1。

表1 西風井各時期總風量及其分配表

2.4 礦井通風阻力計算

1）通風容易時期以回采63上02 工作面為路線進行摩擦阻力計算，通風路線如下：

地面→副井→井底車場→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運下山→63上02 輔運順槽→63上02 工作面→63上02 膠運順槽→南翼回風巷→南翼總回風巷→西翼總回風巷→西風井→地面。

2）通風困難時期以回采63上06 工作面為路線進行摩擦阻力計算，通風路線如下：

地面→副井→井底車場→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運下山→南翼輔運巷→63上06輔運順槽→63上06 工作面→63上06 膠運順槽→南翼回風巷→南翼總回風巷→西翼總回風巷→西風井→地面。

3）局部通風阻力按摩擦阻力的10%計算。

根據礦井開拓布局和生產接續，礦井西風井通風阻力按通風容易時期、通風困難時期最大通風路線分別進行計算。利用下式計算摩擦阻力：

式中：H為摩擦阻力，Pa；A為摩擦阻力系數，N·s2/m4；L為井巷長度，m；U為井巷凈周長，m；Q為通過井巷的風量，m3/s；S為井巷凈斷面，m2。

經計算，西風井通風容易時期、困難時期的風量、負壓見表2。

表2 西風井各時期通風參數表

2.5 原有主要通風設備校核

西風井原有主要通風機房安裝 2 臺HDR280-69 型動葉可調式軸流風機，電機型號為PA100G90-70/6，功率為1 300 kW 同步電動機，轉速1 000 r/min，葉輪直徑2.8 m，1 臺運轉，1 臺備用。

根據西風井不同時期通風風量、負壓對原有2臺HDR280-69 型風井進行校核，其結果詳見表3。“通風困難時期”和“通風容易時期”西風井主要通風機滿足生產所需風量和負壓滿足礦井生產通風的要求，但效率偏低，不滿足目前國家的節能要求。

表3 HDR280-69 型風機工況點參數電動機容量表

3 礦井通風系統改造優化設計

3.1 主要通風機選型

根據國內大型煤礦主要通風機運行情況，目前礦用軸流式主要通風機具有提供大風量、運行效率高的性能，并且軸流式通風機具有反轉反風或調整葉片角反風的特點，可節省地面反風道的建設工程，風機安裝布置簡單，反風調節方便可靠。故設計西風井主要通風機選型為礦用軸流式通風機。設計選用Howden ANN-2650/1250C 型和GAF25-12.5-1(GZ)型風機進行對比。

方案Ⅰ：選用Howden ANN-2650/1250C 型風機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。動態調整葉片角度改變風量，采用電動機反轉方式進行反風。每臺風機配6 kV，990 r/min，1 000 kW 異步電動機1 臺，風機與電機直聯傳動。通風困難時期風機葉片角59°，通風容易時期風機葉片角50°。

方案Ⅱ：選用GAF25-12.5-1（GZ）型風機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。動態調整葉片角度改變風量，采用葉片角度反向方式進行反風。每臺風機配6 kV，1 000 r/min，1 000 kW 異步電動機1 臺，風機與電機直接傳動。通風困難時期風機葉片角-1°，通風容易時期風機葉片角-8°。

對上述西風井主要通風機2 個選型方案進行技術、經濟比較，具體比選詳見表4。方案Ⅰ選用Howden ANN-2650/1250C 型風機相比方案Ⅱ選用GAF25-12.5-1（GZ）型風機，雖投資高，但具有運行可靠、故障率低、高效區域廣等優點；另外礦井北風井已更換了2 臺HowdenANN-2650/1250C 型風井，配1 000 kW 電機，考慮風機備品備件的通用性，推薦選用方案Ⅰ為主導方案，即選用Howden ANN-2650/1250C 風機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。

表4 西風井主要通風機選型方案比選表

3.2 主要通風機房布置

在西風井工業場地內，西風井東側為原有注漿站及黃土堆，南側為原井筒施工建筑物，西側為進入廠區的道路，北側為現有主要通風機房及地面風硐。西風井工業場地內現有建、構筑物情況詳見圖1。

圖1 改造前西風井工業場地布置平面圖

新選主要通風機設備為軸流式，電機在風機的入風口側，風機和電機在擴散塔一側。原有主要通風機和電機在擴散塔的兩側，2 種風機的結構形式和布置形式不一樣，不能利用現有主要通風機房，需新建主要通風機房。

西風井工業場地南側有居民，若主要通風機房及擴散塔等布置在井筒南側，則噪音對居民影響較大；故設計選擇拆除井筒東部注漿站，平整東北側的部分黃土堆，在西風井東側新建主要通風機房、風硐、擴散塔等，同時重新規劃廠區內道路，未來考慮在西風井南側重建注漿站。改造后西風井工業場地內建、構筑物情況詳見圖2。

圖2 改造后西風井工業場地布置平面圖

3.3 新、舊主要通風機運行切換

1）對現有鎖口改造。因新建地面風硐，現有鎖口無法滿足使用要求，需對現有鎖口進行改造。現有鎖口內徑6.0 m，壁厚0.8 m，設計在現鎖口外側新建圓形鎖口內徑7.5 m，高6.0 m，壁厚0.8 m。新鎖口設防爆蓋，防爆蓋采用自動壓緊裝置。

2）新、舊風機切換。新換主要通風機安裝測試完畢后，封堵原有舊風硐（距風井不超過6 m 以免形成盲巷），起吊原有風井防爆蓋，并貫通新風硐，啟動新風機完成切換。該礦西風井新、舊主要通風機切換用時約8～10 h。

4 運行效果檢驗

目前，東灘煤礦西風井通風系統現場已改造完畢，主要通風機整體運行狀態良好，風機運行期間體積流量151.25 m3/s，負壓2 184.81 Pa，滿足井下采掘工作面等用風要求。西風井主要通風機采用智能化系統和新型節能技術，在井下通風動力不停止狀態下，2 臺主要通風機可實現自動切換，同時可對主要通風機運行特性參數自動在線監測、故障診斷和遠程自動化管理，已達到無人值守的標準。

西風井更換為大能力高效率的主要通風機后，提高了礦井通風系統的穩定性和可靠性，改善了井下作業環境得，提高了礦井抗災能力，為礦井安全高效生產奠定了堅實的基礎。