多風機聯合運轉相互擾動問題分析及研究

張文青,李 雷,杜 可,焦小建

(1.山西長平煤業有限責任公司, 山西 高平 048411;2.河南理工大學, 河南 焦作 454003;3.河南理工產業技術研究院有限公司, 河南 焦作 454003;4.山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司, 山西 晉城 048004)

煤炭開采過程中通風是必須的,通風系統不穩定、可靠性偏低時,往往會引發粉塵、瓦斯、火災等事故。分析通風系統的穩定和可靠性時必然涉及到通風阻力、通風網絡和風機擾動等問題[1]. 對此眾多學者展開了一系列的研究,并取得了一定的成果。朱永強[2]對比了不同風機聯合運轉方式的優劣性,結合礦井實際條件確定了礦井多風機運轉時的最佳通風網絡,以通風量為考核標準確定了最佳通風路線;崔素賓[3]通過對多風井、復雜結構的通風網絡的研究,根據通風機性能曲線,對通風動力與通風阻力的匹配以及多風井風機協同作業進行了優化,實現了多風機聯合高效運轉;張景鋼等[4]針對多風機聯合運轉時的互相干擾問題,提出了劃定公共風路原則,通過對礦井多風機聯合運轉時公共風路占總風阻比例對通風系統影響的定性分析,并通過風網解算,確定公共風路過長為多風機聯合運轉相互干擾主因;梁軍[5]采用計算多風機運行工況點的方法,判定礦井通風串并聯運行是否有效,研發了礦井通風機聯合運轉工況分析系統;李麗等[6]通過反風分析了多風井不同能力風機聯合運轉時不同反風順序對礦井通風參數的影響和通風網絡的改變情況。

長平煤業在多個盤區開采,布置多個通風機并行運轉,風機的相互擾動問題突出,因此,借鑒上述研究成果,對擾動狀況進行分析并對通風系統提出改進措施,以保證礦井通風安全。

1 工程概況及問題

1.1 工程概況

山西長平煤業有限責任公司位于山西省高平市寺莊鎮境內,井田長8.91 km,寬6.49 km,面積為43.51 km2,批準開采3號煤層,開采深度為標高300～680 m. 礦井現生產盤區有二盤區、四盤區、五盤區、六盤區,采用多風井分區式通風,機械抽出式通風方法,全礦共有井筒12座,進風井8座,回風井4座,各回風立井風機參數見表1.

表1 各回風井風機參數

1.2 存在問題

長平煤業開采過程中通風系統存在以下問題:

1) 蘆家峪風井所負擔區域工作面過于集中,通風管理困難,系統穩定、抗災能力降低。

2) 根據《煤礦井工開采通風技術條件》(AQ 1028—2006)所規定“礦井通風系統風量10 000～20 000 m3/min,系統通風阻力<2 940 Pa;礦井通風系統風量>20 000 m3/min,系統通風阻力<3 920 Pa”,釜山主扇風量負壓值處于限定交界值。釜山主扇理論上雖有上調風機角度增加風量的可能,但上調角度后風機負壓、功率也相應增加,風機房現有線路難以承受電流增加。后期,隨著安家主要通風機的投入運轉,出現五六盤區風流紊亂,五盤區底部巖石底抽巷供風量不足,風流不穩定等問題。

2 井下風網擾動理論分析

2.1 理論基礎

1) 多臺主要通風機并聯通風網絡最優風量分配。

當礦井在不同井口采用多臺主要通風機并聯工作時,0段風阻為R0,風量Q0,主要通風機Ⅰ、Ⅱ…,N分支風路的風阻分別為R1、R2…Rn,風量為Q1、Q2…Qn.圖1為不同井口采用n臺主要通風機并聯工作時的狀態,各主要通風機工作系統風壓損失:

(1)

圖1 n臺通風機并聯工作

各主要通風機工作系統所需功率為:

(2)

對式(2)各主要通風機風量求偏導,取其一階偏導等于0:

(3)

由方程組(3)可得,多臺主要通風機并聯工作時,最小功率的條件式:

(4)

即:

h1=h2=…=hn

(5)

上式表明,多臺主要通風機并聯工作時,各主要通風機工作風路的風壓相等是最佳的分風方案。各并聯分路風壓相等是自然分風的規律,因此,最佳分風方案就是按自然分風的規律。在自然分風條件下,各主要通風機的風量與各風路的風阻狀況相匹配,充分發揮了各風路的排風能力,減少了因按需分風而產生的附加能量損失。因此,實踐中,凡是各主要通風機的排風量可以相互調配的情況下,應使各主要通風機的排風量等于并聯網路的自然分風量。

2) 多臺主要通風機并聯通風網絡最優風阻配比。

在多臺主要通風機通風系統設計時,各風路的排風量按該風路所負擔的各作業面需風量確定,而各排風風路的風阻是可以變動的。因此,各排風風路之間存在一個最優的風阻配比關系,這個關系可由各并聯風路風壓相等的原則引出,即:

(6)

式中:Ri、Rj分別為并聯風路的風阻;Qi、Qj分別為并聯風路的風量。

對于生產礦井,有時各主要通風機的排風風路互不相通,而且各風路的風量按生產要求已經確定,不能滿足自然分風條件。此時,應考慮對風阻較大風路降阻,使得回風路風壓相等或盡量相等。

2.2 各主要通風機擾動情況

礦井生產中時常出現各主要通風機工作風路中風壓不等的情況,對此判定由按需分風造成附加能量損失的多少可用附加耗能系數表征,即按需分風時全系統的總能耗與按自然分風時全系統最小能耗之差與全系統最小能耗的比例,以Kb表示,則:

(7)

式中:∑Ni為按需分風時全系統總功率,kW;∑Nm為按自然分風時全系統的總功率,kW.

Kb值越大,附加能耗越大。這是各主要通風機排風量與各風路風阻狀況不相適應的一種表現。

長平主扇負壓2 080 Pa、風量6 599 m3/min;釜山主扇負壓2 710 Pa、風量17 079 m3/min;蘆家峪主扇負壓2 957 Pa;安家主扇負壓1 800 Pa,風量12 624 m3/min,由于正處于低效率運行,暫不考慮。按照式(7)分別計算回風井風機之間的相互擾動情況:

長平主要通風機與釜山主要通風機擾動情況:

釜山主要通風機與蘆家峪主要通風機擾動情況:

蘆家峪主要通風機與安家主要通風機擾動情況:

釜山主要通風機與安家主要通風機擾動情況:

由計算可知,長平主要通風機與釜山主要通風機相互擾動較大,安家風井投運后對原蘆家峪主要通風機和釜山主要通風機影響較大,應減少公共段的風阻值。

2.3 通風機擾動引起問題分析

1) 風門等調、控風設施過多且安設位置不科學;風門的設置主要是為了避免礦井風流短路,另外具有阻隔風流、改變風向、調整風量和穩定通風系統的作用,同時保證車輛和人員的正常通行。因此,風門在通風系統中常被認為斷路或風阻極大,予以忽略。長平煤業現采盤區除六盤區外,二、四、五盤區的主要進風段和回風段均安設有風門。

2) 有效風量率低、漏風量嚴重,構筑物工程質量差;在全礦井通風系統普查中,兩風門間壓差很少達到200 Pa以上,有的甚至不足10 Pa. 礦井內部有效風量率應不低于85%,但長平回風井有效風量率為62%,蘆家峪區域為63%,釜山風井所擔負區域僅為50%,3個主要回風井有效風量率明顯偏低。

3) 全礦井未做到分區式通風,區域風量調節困難;對此在二盤區與四盤區主斜井井底車場繞道周邊修建7組風門,見圖2,基本做到了二盤區由楊家莊進風立眼、長平進風立井、二盤區進風立眼配風、長平回風立井回風,將主、副斜井調整為四盤區進風使用。但受新上倉斜巷主運輸巷、斜井底輔運輸巷等因素影響,風門等構筑物隔斷不徹底,漏風量較大,造成二、四盤區仍有共用風流現象。

圖2 二、四盤區分區工程示意

如圖3、圖4所示,四、五、六盤區用風段、回風段已完全獨立,但進風段有近5 000 m的公共段。主、副斜井,釜山進風立井區既為四盤區供風17 000 m3/min,為五盤區供風4 500 m3/min,又為六盤區供風500 m3/min;蘆家峪進風立井為五盤區供風22 000 m3/min,也為六盤區供風近4 000 m3/min.

圖3 四、五盤區公共進風段

圖4 五、六盤區公共進風段

3 通風調整方案及效果

在通風系統中,無論是某條風路還是某臺主要通風機的參數有所改變,不但影響自身的其它參數有所變化,而且在系統內所有的風路、主要通風機的參數均會變化,僅是變化程度的區別,強調整體效應尤為重要。

1) 調整4310集中回風巷由蘆家峪風井承擔。如圖5所示,現4310集中進風不做調整,將4310集中回風巷與第一回風大巷相交處的密閉拆除,西面現底抽巷聯絡巷與第一回風大巷相交處增設密閉。

圖5 頂板變形量監測結果

圖5 4310通風系統調整示意

2) 43222巷為四盤區邊界進風巷道,同時也為五盤區北翼泄水巷,其進風通過巷道后直接進入四盤區回風二巷,最終匯入釜山回風立井,盤區回風壓力大。目前,四盤區北翼僅剩余4322工作面,故調整43222巷為回風巷,調整四盤區北翼回風二巷為進風巷,通過外部調風設施,控制四盤區北翼回風二巷進風量不大于1 200 m3/min,風速不大于1 m/s. 4322工作面的回風由原來的釜山回風立井變更為就近的蘆家峪回風井,減少了過長的回風路線。

3) 調整4322工作面進風方式。由現在的43221巷進風、43212巷回風的“U型”通風方式調整為43212巷主進風、43221巷輔助進風、43222巷與43221巷之間橫穿(工作前方)和43222巷回風的近似“Y型”通風方式。調整通風方式后,43212巷主進風量3 850 m3/min,風速2.84 m/s;43221巷輔助進風量1 050 m3/min,風速1.17 m/s;43222巷最大回風量6 100 m3/min,風速3.94 m/s.

通風系統調整后,均衡了蘆家峪、釜山主扇的服務范圍與通風能力,解決了四盤區北翼回風一巷(正掘進)由于斷面過小而造成回風能力受限的問題。

4 結 語

通過對長平煤業多井口各主要通風機并行作業互相擾動理論分析得出以下結論:

1) 通過井下風網擾動理論,確定了長平煤礦4個風井風機的相互擾動情況:長平主要通風機與釜山主要通風機擾動率為0.303;釜山主要通風機與蘆家峪主要通風機擾動率為0.091;蘆家峪主要通風機與安家主要通風機擾動率為0.643;釜山主要通風機與安家主要通風機擾動率為0.506.安家風井通風機對原蘆家峪主要通風機和釜山主要通風機影響較大,應減少公共段的風阻值。

2) 長平煤業各井口因風機擾動,造成通風系統在風量調節過程中存在通風構筑物設置不科學、通風構筑物質量差、區域調節困難等問題,提出了拆除多余通風構筑物、密閉不用巷道,調整工作面部分巷道通風方式、回風路線等措施。

3) 通過將四盤區4310集中回風巷由釜山回風井回風調整到由蘆家峪回風井回風的方式,解決了釜山回風井負壓超限、通風能力不足等問題;通過將43222巷調整為回風,將四盤區北翼回風二巷調整為進風,將4322工作面由“U”型調整為近“Y”型的通風方式,均衡了蘆家峪、釜山主扇的服務范圍與通風能力,解決了四盤區北翼回風一巷(正掘進)由于斷面過小而造成回風能力受限的問題。