花園煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

江成凱，李 臏，段學(xué)良

(1. 濟寧礦業(yè)集團 花園煤礦，山東 濟寧 272000； 2. 山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南 250000)

濟寧礦業(yè)集團花園煤礦受開采強度、開采速度和開采規(guī)模的影響，煤礦巷道不斷延伸，通風(fēng)距離以及礦井需風(fēng)量逐漸增大，礦井用風(fēng)硐室巷道不斷增多，使得礦井面臨通風(fēng)阻力不斷增大、井巷風(fēng)阻進一步升高的問題，帶來通風(fēng)不暢、部分地段風(fēng)速高甚至超速、用風(fēng)地點進回風(fēng)路線長、通風(fēng)壓力損失大、風(fēng)量調(diào)配困難、礦井抗災(zāi)能力減弱等問題。因此，有必要開展礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，以保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟。

1 礦井概況

花園煤礦采用中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，副井進風(fēng)，主井回風(fēng)。主井安裝2臺防爆對旋軸流式通風(fēng)機，1臺工作，1臺備用。目前，通風(fēng)機運行角度為+2.5°.

風(fēng)機型號：BD-Ⅱ-8-№24，風(fēng)量Q：75～135 m3/s，風(fēng)壓H：1 300～4 000 Pa，主軸轉(zhuǎn)速n：740 r/min，功率P：2×250 kW.

采掘工作面均為獨立的通風(fēng)系統(tǒng)，采煤工作面實行全負壓“U”型通風(fēng)，掘進工作面采取壓入式正壓通風(fēng)。在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，礦井通風(fēng)阻力和風(fēng)機靜壓在不斷增大，部分地點的風(fēng)量逐漸減小，照此趨勢發(fā)展，花園煤礦的安全開采可能會受到影響。因此，需要對該礦通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2 礦井通風(fēng)阻力現(xiàn)狀

2.1 礦井通風(fēng)阻力測定

2018年7月對該礦通風(fēng)阻力進行測定，礦井風(fēng)量98.9 m3/s，礦井通風(fēng)阻力為2 770.4 Pa. 通風(fēng)阻力分布情況見表1，圖1. 而煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件(AQ1028)中規(guī)定，風(fēng)量在5 000～10 000 m3/min的礦井通風(fēng)阻力不超過2 500 Pa，因此花園煤礦通風(fēng)系統(tǒng)不符合規(guī)定，風(fēng)量、風(fēng)壓不匹配，必須采取優(yōu)化措施降低礦井通風(fēng)阻力，以保證礦井安全生產(chǎn)。

表1 礦井通風(fēng)阻力分布表

圖1 4316采煤工作面主測路線阻力分布圖

2.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬

利用通風(fēng)系統(tǒng)繪圖、計算與分析軟件對該礦通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進行模擬。模擬過程中將各用風(fēng)地點風(fēng)量(實際風(fēng)量)、通過阻力測試得到的巷道形狀及斷面積、摩擦阻力系數(shù)、長度等參數(shù)和測試的風(fēng)機工況參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入通風(fēng)系統(tǒng)繪圖、計算與分析軟件進行解算，可得出各巷道分支的風(fēng)量和阻力、主要通風(fēng)機的正常工況點參數(shù)等。

將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果與礦井通風(fēng)阻力測定、礦井通風(fēng)機性能測定、有效風(fēng)量測定的實測數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn)，礦井實測通風(fēng)阻力為2 770.4 Pa，實測風(fēng)量為98.9 m3/s，網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果阻力為2 864 Pa，風(fēng)量為99.2 m3/s，誤差分別為3.37%和0.3%，阻力誤差小于5%. 礦井通風(fēng)困難路線為4316采煤工作面，證明本次用網(wǎng)絡(luò)解算方法對礦井通風(fēng)狀況的模擬符合礦井通風(fēng)實際，網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果可作為其他方案網(wǎng)絡(luò)解算的基礎(chǔ)和依據(jù)。

3 優(yōu)化方案效果模擬

3.1 優(yōu)化方案提出

對該礦通風(fēng)系統(tǒng)的模擬可得，礦井通風(fēng)阻力較大，風(fēng)量、風(fēng)壓不匹配，而且主通風(fēng)機處于不經(jīng)濟的運行狀態(tài)，不利于礦井的安全生產(chǎn)，必須采取優(yōu)化措施或者更換風(fēng)機。針對目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出3種解決方案：

1) 方案一。

a) 針對失修、雜物堆積的巷道進行清理擴修，以降低局部通風(fēng)阻力。

b) 總回風(fēng)巷、東翼行人繞道設(shè)置并聯(lián)風(fēng)道，以減少局部通風(fēng)阻力。

c) 四采區(qū)膠帶大巷設(shè)并聯(lián)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷長230 m，斷面為10 m2.

2) 方案二。在方案一的基礎(chǔ)上東翼行人下山下延至四采區(qū)西軌道上山開始位置，作為東翼進風(fēng)下山，使主要進風(fēng)巷道變?yōu)閮蓷l。東翼進風(fēng)下山長1 322 m，斷面為10 m2. 優(yōu)化措施為：

a) 針對失修、雜物堆積的巷道(采煤工作面、膠帶順槽、總回風(fēng)巷和東翼膠帶大巷)進行清理擴修，以降低局部通風(fēng)阻力。

b) 總回風(fēng)巷、東翼行人繞道設(shè)置并聯(lián)風(fēng)道，以減少局部通風(fēng)阻力。

c) 四采區(qū)膠帶大巷設(shè)并聯(lián)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷長230 m，斷面為10 m2.

d) 東翼行人下山下延至四采區(qū)西軌道上山開始位置作為東翼進風(fēng)下山，使主要進風(fēng)巷道變?yōu)閮蓷l。東翼進風(fēng)下山長1 322 m，斷面為10 m2.

3) 方案三。

針對礦井通風(fēng)路線長、通風(fēng)阻力大的問題，選擇在四采區(qū)北部新建回風(fēng)立井，用于礦井回風(fēng)，而主井和副井均為進風(fēng)井，以減少礦井的通風(fēng)路線。將主井附近的總回風(fēng)巷密閉，在四采區(qū)次煤倉處新建總回風(fēng)巷連接新風(fēng)井回風(fēng)。原東翼軌道大巷、東翼軌道石門等進風(fēng)巷道仍用于進風(fēng)；而東翼膠帶大巷、東翼膠帶下山等回風(fēng)巷轉(zhuǎn)變?yōu)榫赘黜鲜业膶Ｓ没仫L(fēng)巷向新風(fēng)井回風(fēng)。

3.2 優(yōu)化模擬效果

依據(jù)3個不同的優(yōu)化方案對該礦礦井現(xiàn)狀、2020年接續(xù)以及2024年接續(xù)3個不同時期礦井風(fēng)量、阻力等參數(shù)進行網(wǎng)絡(luò)解算，以確定其優(yōu)化效果。將各用風(fēng)地點需風(fēng)量、通過阻力測試得到的巷道形狀及斷面積、摩擦阻力系數(shù)、長度等參數(shù)和測試的風(fēng)機工況參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入通風(fēng)系統(tǒng)繪圖、計算與分析軟件進行解算，可得出具體優(yōu)化后風(fēng)量和風(fēng)壓，見表2.

表2 各方案不同時期解算風(fēng)量、阻力統(tǒng)計表

由表2可以看出，無論采用那種優(yōu)化方案，現(xiàn)狀均能滿足煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件關(guān)于風(fēng)量、風(fēng)壓的相關(guān)規(guī)定；而3個方案在2024年接續(xù)時期受需風(fēng)量變小，而礦井主通風(fēng)機沒有其他運行角度風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)的影響，解算結(jié)果均不能滿足風(fēng)量、風(fēng)壓規(guī)定。

3.3 優(yōu)化方案選取

優(yōu)化方案的選擇應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟兩個不同的角度分別考慮，但從優(yōu)化效果來看，方案三優(yōu)化效果最為理想，而方案一優(yōu)化效果最差，考慮到模擬軟件的誤差問題，方案一在2020年接續(xù)時期也能滿足風(fēng)量、風(fēng)壓的相關(guān)規(guī)定。

從經(jīng)濟角度考慮，方案一的施工難度最小，而且工期較短，對礦井的實際生產(chǎn)影響不大；方案二是方案一基礎(chǔ)的延伸，施工難度中等，工期較長，花費也較多；采用方案三，施工工期和費用都遠遠超過其他兩個方案。3種方案所需工期和經(jīng)費見表3.

表3 3種方案施工費用及難度表

綜合技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面的考慮，加上礦井的開采計劃，雖然方案二和方案三的優(yōu)化效果都比方案一好，但是所需工期長，花費多，相較于花園煤礦僅有10年左右的服務(wù)年限，負擔(dān)過重，因此選擇方案一的優(yōu)化方案。

4 結(jié) 論

1) 由礦井通風(fēng)阻力測試結(jié)果看，花園煤礦礦井通風(fēng)阻力大，不能滿足煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件規(guī)定，且大部分巷道的摩擦阻力系數(shù)較大，可能是由于巷道變形、雜物堆積等原因?qū)е拢杓皶r修復(fù)變形巷道、清理雜物。

2) 礦井后續(xù)2020年接替和2024年接替時會導(dǎo)致礦井通風(fēng)路線變長，通風(fēng)阻力進一步增大，需采取優(yōu)化措施，降低新掘巷道的摩擦阻力系數(shù)和局部阻力。依據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果和預(yù)計費用，確定優(yōu)化措施為：a) 針對巷道失修、雜物堆積的巷道進行清理擴修，以降低局部通風(fēng)阻力。b) 總回風(fēng)巷、東翼行人繞道設(shè)置并聯(lián)風(fēng)道，以減少局部通風(fēng)阻力。c) 四采區(qū)膠帶大巷設(shè)置并聯(lián)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷長230 m，斷面為10 m2.

3) 礦井目前使用的主通風(fēng)機的性能不適應(yīng)井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，需要更換小的葉片角度，并及時進行主要通風(fēng)機性能測定。尤其是僅剩五采區(qū)一個生產(chǎn)采區(qū)時，礦井需風(fēng)量較小，需及時調(diào)整葉片角度以適應(yīng)井下的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化。

4) 本次通風(fēng)系統(tǒng)解算分析結(jié)果是在對礦井通風(fēng)阻力測試的基礎(chǔ)上進行的。對于大部分的巷道風(fēng)阻、摩擦阻力系數(shù)、斷面積、周長等參數(shù)相對固定。但是隨著礦井的生產(chǎn)，這些參數(shù)可能會發(fā)生一定的變化，尤其是自然風(fēng)壓的季節(jié)性變化較大。礦井應(yīng)根據(jù)不同時期的通風(fēng)條件和通風(fēng)要求提前做好通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整工作。