下溝煤礦通風系統可靠性分析

田曉紅

(陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

礦井通風是煤礦生產中的一個重要環節。通風系統是由諸多不可控變量組成的一個復雜系統，其運行狀態對保證井下安全生產具有重要意義。隨著礦井開拓水平的不斷延伸，開采規模的不斷擴大，礦井通風系統和通風網絡也相應地會越來越復雜，所以進行通風系統可靠性與穩定性調查分析很有必要。這樣做能及時發現系統運行過程中存在或可能出現的問題，給礦井通風系統設計和管理提供科學依據，有效地防治和減少系統事故的發生。文中以彬縣下溝煤礦通風系統為對象，通過數據測量與計算，參照《煤礦安全規程》，在對數據整合分析的基礎上，提出了系統運行中存在的問題及解決方法，對礦井通風系統設計、改造、優化及管理具有參考價值。

1 礦井通風系統現狀

1.1 通風系統

下溝煤礦通風方式為中央分列式，通風方法為負壓抽出式通風，采用斜井、立井單水平開拓方式(四斜一立)，其中主井、副井、行人斜井3條井筒進風，上溝回風井、水簾洞回風井回風，總體為“三進二回”的通風系統。

目前，主井進風量1 527 m3/min，副井進風量5 380 m3/min，行人斜井進風量2 967 m3/min，礦井總進風量為9 874 m3/min。礦井總回風量為10 298 m3/min，主通風機總排風量為10 550 m3/min，外部漏風率為2.39%，內部漏風率為5.5%。等積孔A=3.7 m2(根據2016年通風機阻力測定)。水簾風井通過反風道反風，上溝風井通過風機反轉進行反風。

1.2 通風設備

上溝回風井地面安裝BD-Ⅱ-8-NO22型防爆對旋軸流式主要通風機2臺，一臺使用一臺備用，配用電動機型號YBF355L1-8型，總功率2×185 kW，主扇排風量7 100 m3/min，現運行負壓2 600 Pa；水簾洞回風井地面安裝4-72-12NO-20B型防爆離心式主要通風機2臺，一臺使用一臺備用，配用電動機型號JS-127-8型，總功率2×185 kW，主扇排風量3 410 m3/min，現運行負壓1 330 Pa。

1.3 通風路線

上溝回風井通風路線：

地面(新鮮風)→主副斜井、行人斜井→軌道皮帶大巷及配風巷→西軌道大巷、西皮帶大巷→

→404西二水平回風巷→404回風下山→上溝風井

水簾回風井通風路線：

地面(新鮮風)→主副斜井、行人斜井→軌道皮帶大巷及配風巷→401軌道皮帶下山→

→401西二水平回風巷→401回風下井→水簾風井→地面

2 通風參數調查與風量計算

2.1 礦井通風參數調查

掘進工作面、采煤工作面、硐室及其他地點通風參數分別見表1、表2、表3。

2.2 礦井風量計算

下溝煤礦目前有3個掘進工作面，ZF2820、ZF301和ZF2411工作面；2個采煤工作面，ZF2404工作面和ZF2817工作面。4個采區變電所，3個水泵房，1個注氮硐室，1個抽放硐室，1個炸藥庫，1個無極繩硐室，4個皮帶機頭。

表1 掘進工作面通風參數

表2 采煤工作面通風參數

表3 硐室及其他地點通風參數

根據《煤礦安全規程》規定，礦井總風量應按井下同時工作的最多人數每人每分鐘供給風量不得少于4 m3和按采煤、掘進、硐室及其它地點實際需要風量總和分別計算，并選取其中的最大值。

采煤、掘進工作面風量計算：按工作面溫度核算，ZF2817采煤工作面風速為1.0～1.5 m/s，取1.2 m/s，風量為1 231.2 m3/min；按瓦斯涌出量計算，風量為336 m3/min；按工作人數計算，風量為120 m3/min。工作面實際需風量應為滿足各種條件下的風量最大值，即ZF2817工作面配風量為1 231.2 m3/min。

按照上述同樣方法，ZF2404工作面、ZF2411回風順槽掘進工作面、ZF2411運輸順槽掘進工作面、ZF2820運輸順槽掘進面、ZF2820回風順槽掘進面理論需風量分別為1 228.6 m3/min、370.8 m3/min、393.6 m3/min、392.4 m3/min和370.8 m3/min。

ZF301回風順槽掘進面風量，按稀釋瓦斯所需風量計算，需風量592 m3/min；按人數計算所需風量，需風量120 m3/min；按局部通風機的吸風量核算，需風量536.4 m3/min；取滿足各種條件下的風量最大值592 m3/min。經風速驗算V=Q/S=592/16.8=0.59 m/s，0.25 m/s<0.59 m/s<4 m/s，符合規程要求，但不經濟，需要抽放瓦斯。

按照上述計算方法，ZF301運輸順槽掘進面風量計算結果為0.25 m/s<1.34 m/s<4 m/s，符合規程要求，但不經濟，需要抽放瓦斯。

403采區炮掘措施巷工作面風量核算按瓦斯涌出量核算，風量取45.5 m3/min；按局部通風機的吸風量核算，風量取300 m3/min；按工作人員數量核算，風量取120 m3/min；按炸藥量計算，風量取162.5 m3/min。取風量最大值，即403采區炮掘工作面計劃風量為300 m3/min。

采區硐室風量計算：按《規程》要求，401采區硐室風量根據設備發熱量變電硐室、水泵房、注氮硐室、炸藥庫風量分別取80 m3/min、60 m3/min、60 m3/min和60 m3/min。硐室風量之和為340 m3/min。

同樣可計算得404采區硐室風量之和為540 m3/min。

皮帶機頭根據實際取200 m3/min，有4個皮帶機頭共800 m3/min。

軌道下山底風量計算：按瓦斯涌出量核算，風量取14.3 m3/min；按風速核算，風量取90 m3/min。即401軌道下山底需風量為90 m3/min。404軌道下山取其各種核算結果最大值，即404軌道下山底計劃風量為140.4 m3/min。

井下其它巷道需要風量：按∑Q采、∑Q掘、∑Q401軌道下山底、∑Q404軌道下山底、∑Q硐、∑Q403采區炮掘6項總風量之和的5%選取。即

∑Q其它=(∑Q采+∑Q掘+∑Q401軌道下山底+∑Q404軌道下山底+∑Q403采區炮掘+∑Q硐)×0.05=(2 459.8+2 930.232+90+104.4+300+1 680)×0.05=378 m3/min。

礦井需風量計算：根據以上計算結果，礦井需要風量為

Q礦=(∑Q采+∑Q掘+∑Q401軌道下山底+∑Q404軌道下山底+∑Q403采區炮掘∑Q硐+∑Q其他)·K=(2 459.8+2 930.232+90+104.4+300+378+1 680)×1.25=9 930 m3/min=165.5 m3/s。

式中：K—礦井通風系數，取1.25。

2.3 風量分配(表4)

2.4 礦井有效風量率和漏風率

根據礦井通風阻力測定匯總表，礦井有效風量

《煤礦安全規程》規定礦井有效風量率應不低于85%，符合《煤礦安全規程》的要求。

下溝煤礦井下主要有33個風門，共漏風量為9.05 m3/s，礦井總進風量為164.6 m3/s，礦井內部漏風率為9.05/164.6×100%=5.5%。

下溝煤礦主風機總排風量175.8 m3/s，總回風為171.6 m3/s，故礦井漏風量為4.2 m3/s，外部漏風率PL=4.2/175.8=2.39%。

《煤礦安全規程》規定礦井主要通風機裝置外部漏風率無提升設備時不得超過5%，有提升設備時不得超過15%，符合《煤礦安全規程》的要求。

3 通風阻力與自然風壓的影響

3.1 通風阻力

下溝煤礦于2016年上半年委托有關部門進行了礦井通風阻力測定，并形成了下溝煤礦《礦井通風阻力測定報告》。礦井現在的通風系統與阻力測定時的通風系統相比較有一定變化，但對系統阻力分布影響不大。

由表5中可知礦井水簾風井通風總阻力為1 265.88 Pa，401采區總進風量為60.90 m3/s，上溝風井通風總阻力為2 537.384 Pa，404采區總進風量為108.95 m3/s。

根據h=RQ2，可得R=h/Q2

=0.288 3N·s2/m8

=0.197 2N·s2/m8

h總Q總=h總進Q總+h401Q401+h404Q404=196.46×169.87+169.42×60.92+2340.92×108.95=33 372.67+65 149.07+255 043.23

h總=353 564.961÷169.87=2 081.38 Pa

表5 礦井通風阻力分布表

故401采區總風阻為0.288 3 N·s2/m8；404采區總風阻為0.197 2 N·s2/m8；礦井的總阻力為2 081.38 Pa，礦井的總風阻為0.072 1 N·s2/m8，等積孔為4.43 m2。

一般合理的礦井的進風段、用風段和回風段阻力分配比例應為3∶3∶4，而下溝煤礦實際礦井通風路線總阻力分配比近似為3∶1∶3。從中可以看出，目前礦井通風阻力主要集中在回風段，原因是3條回風巷中有多條直徑為φ377、φ720的瓦斯抽放管、直徑為φ159的灌漿管路等其它管路，這些都減小了巷道斷面，增加了礦井通風阻力；聯絡巷過多也難免會造成較大的局部阻力；應對系統漏風及沒有存在意義的巷道和設施加以封閉和改造，簡化通風網絡，降低礦井通風阻力，建議加強巷道維護，擴大巷道斷面，減少通風阻力。

3.2 自然風壓對系統的影響

水簾風井的水平標高為640 m，上溝風井的水平標高為710 m，進風井的水平標高500 m，礦井深度370 m。副斜井的空氣密度為1.06 kg/m3，水簾風井的空氣密度為1.055 kg/m3，上溝風井的空氣密度為1.013 kg/m3。

根據自然風壓計算公式

h自=Zg(ρ均進-ρ均回)

即：上溝風井的自然風壓h自=170.422 Pa

水簾風井的自然風壓h自=18.62 Pa

礦井通風動力是礦井機械風壓與自然風壓的共同作用，礦井機械風壓是連續穩定的，而自然風壓會隨著地表氣體的溫度、濕度、大氣壓，還有礦井的深度等因素的變化而改變，會影響到整個礦井通風。因此，同一個礦井冬季和夏季的自然風壓會不一樣。在冬季，進風井空氣平均溫度降低，自然風壓會增加。當主要通風機正常運轉時，機械風壓作用遠遠大于自然風壓作用，風量變化一般不會超過允許范圍。而當礦井主要通風機發生故障或礦井降風時，由于沒有礦井風壓作用或礦井風壓作用效果減弱，而引起風流停滯或逆轉，使井巷風流中的毒害氣體濃度增加，甚至超限，從而引發事故發生。

上溝通風機風壓為2 600 Pa，實際總風量為7 004 m3/min，上溝風井的自然風壓170 Pa，水簾通風機風壓為1 330 Pa，實際總風量為3 294 m3/min，水簾風井的自然風壓18.6 Pa。正常情況下，自然風壓對通風系統的影響不大。

4 結論

(1)經統計下溝煤礦井下主要通風設施現有255處，其中密閉墻66道，風門131個，調節風門40個，風橋7個，測風站11座。下溝煤礦通風設施、通風設備全面，通風能力滿足生產需要。

(2)礦井有效風量率88.39%，礦井外部漏風率2.39%，符合《煤礦安全規程》規定。

(3)ZF301回風順槽掘進工作面，運輸順槽掘進工作面風速符合規程要求，但是利用風排瓦斯的方法不符合《煤礦安全規程》規定，建議利用井下臨時抽放系統進行抽放，瓦斯抽采率應大于等于20%或者調節局部通風機吸風量。

(4)《煤礦安全規程》規定礦井通風總阻力不應超過2 940 Pa，上溝回風井風機現運行負壓2 600 Pa，距離上限要求只差11.6%左右，富余系數較小，調節的可能性不大，建議對通風系統優化。

(5)本礦上溝通風機風壓為2 600 Pa，實際總風量為7 004 m3/min，上溝風井的自然風壓170 Pa，水簾通風機風壓為1 330 Pa，實際總風量為3 294 m3/min，水簾風井的自然風壓18.6 Pa。正常情況下，自然風壓對通風系統的影響不大。