礦井通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)量優(yōu)化的研究

常 江

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站， 山西 大同 037000）

引言

正在開采的礦山必須做好井下的通風(fēng)工作，其中通風(fēng)方式主要有機械通風(fēng)與自然通風(fēng)兩種，機械通風(fēng)以機械能為動力進(jìn)行通風(fēng)，自然通風(fēng)以自然風(fēng)力進(jìn)行通風(fēng)。由于機械通風(fēng)穩(wěn)定可靠，容易控制與調(diào)節(jié)，所以礦井的通風(fēng)方式以機械為主[1]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)的重要組成環(huán)節(jié)，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全對于防范井下重大安全事故有著重要的作用[2]。對于已經(jīng)投入生產(chǎn)的礦井，隨著工作面的采掘，地下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的體系逐漸復(fù)雜，因此煤礦需要及時地優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、降低通風(fēng)阻力、增強通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率。技術(shù)先進(jìn)、通風(fēng)合理的通風(fēng)系統(tǒng)可以為煤礦帶來可觀的經(jīng)濟效益與安全保障，本文將對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)量優(yōu)化進(jìn)行研究[3]。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是向各個生產(chǎn)工作面、巷道輸送新鮮空氣，排除有毒有害氣體的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與通風(fēng)設(shè)備等的總稱[4]。本節(jié)將分析與研究通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)與通風(fēng)構(gòu)筑物。

1.1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

通風(fēng)系統(tǒng)由眾多通風(fēng)管路組合而成，在對系統(tǒng)分析過程中，通常利用平面圖的方式，將通風(fēng)系統(tǒng)簡化為一個由線與點組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被稱之為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[5]。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)一般通過直觀的幾何圖形進(jìn)行表述，圖形中的線段分支代表實際的通風(fēng)巷道，線段上的方向代表巷道內(nèi)風(fēng)流的流向。圖1所示為一個簡單的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，其中實線為分支，所代表的巷道具有風(fēng)阻與風(fēng)量等實際參數(shù)，虛線代表的為偽分支，即不是實際巷道，一般為通風(fēng)設(shè)備的出風(fēng)口與主巷道進(jìn)風(fēng)口之間的虛擬分支，如圖中編號2、3、4、5、6 為實際分支，存在實際巷道、7 為偽分支，不存在實際巷道。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中2 條或2 條以上分支相交形成的點，稱之為通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)點，如圖1 中存在①～⑤五個交點。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中由多條方向相同，首尾相連的分支圍繞而成的線路，稱之為通路，如圖1中，1—2—5、1—2—4—5 與1—3—6 都是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的通路。

圖1 簡單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖

在通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，通風(fēng)系統(tǒng)遵守風(fēng)量平衡定律，即相同時間內(nèi)流入某節(jié)點的空氣質(zhì)量與流出的空氣質(zhì)量相等，如公式1 所示：

式中：i為某節(jié)點處分支的數(shù)量；Mi為流過第i個分支的空氣質(zhì)量，kg。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)筑物

在礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，通常會在某些位置設(shè)置一些通風(fēng)設(shè)施以控制風(fēng)流，保證風(fēng)流流向生產(chǎn)地點，這些設(shè)備統(tǒng)稱為通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)筑物[6]。按照風(fēng)流通過與否，可以分為通過風(fēng)流構(gòu)筑物和隔斷風(fēng)流構(gòu)筑物，其中通過風(fēng)流構(gòu)筑物主要包括通風(fēng)橋、風(fēng)機風(fēng)硐與反風(fēng)裝置等，隔斷通風(fēng)構(gòu)筑物主要包括風(fēng)門、擋風(fēng)墻與風(fēng)簾等[7]。

在通風(fēng)系統(tǒng)中的部分位置處，既需要隔斷風(fēng)流又需要通過行人或車輛時，通常在該位置處設(shè)置風(fēng)門。風(fēng)門的一般結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示，完整的風(fēng)門系統(tǒng)通常由風(fēng)門、調(diào)節(jié)風(fēng)窗、電纜孔與逆流鐵筒等組成。在礦井下，設(shè)置風(fēng)門時，需至少設(shè)置兩道風(fēng)門，風(fēng)門需要通車時，其之間距離應(yīng)大于運輸車的長度，風(fēng)門只需要過人時，其之間距離需大于5 m。為防止瓦斯突出時逆流入通風(fēng)設(shè)施，通常在主要進(jìn)、回風(fēng)巷之間設(shè)置兩道反向風(fēng)門。

2 局部通風(fēng)系統(tǒng)

新建或正在生產(chǎn)的煤礦都需要開掘大量的巷道或工作面，以準(zhǔn)備新的采取工作面。為了將煤巖散出的有害氣體排出并抑制掘進(jìn)引起的煙塵，需要保證工作面的持續(xù)通風(fēng)工作，但是采掘時井巷的出口只有一個，無法形成風(fēng)流貫穿，所以一般都需要利用局部通風(fēng)的方式對其進(jìn)行通風(fēng)。

目前，煤礦通常使用局部通風(fēng)機、風(fēng)筒等設(shè)施實現(xiàn)礦井的局部通風(fēng)，通過利用局部通風(fēng)機作為動力，通過風(fēng)筒引導(dǎo)到掘進(jìn)工作面等用風(fēng)場所。局部通風(fēng)根據(jù)通風(fēng)式的不同，可分為壓入式通風(fēng)和抽出式通風(fēng)兩種。其中壓入式通風(fēng)的安全性更高，射程較大，所以一般用于以排除瓦斯為主的巷道，抽出式通風(fēng)的通風(fēng)效率高，保證巷道內(nèi)具有清新空氣，一般用于以排除粉塵為主的巷道。

采用壓入式通風(fēng)時，工作面所需風(fēng)量的計算公式如式（2）所示：

式中：Qkp為壓入式通風(fēng)時所需風(fēng)量，m3/s；A為爆炸時用到的炸藥量，kg；b為產(chǎn)生一氧化碳的當(dāng)量，L/kg；S為工作面巷道的截面積，m2；L為巷道長度，m；Cp為一氧化碳的允許值，取0.02%；pq為漏風(fēng)系數(shù)；t為通風(fēng)時間，min。

抽出式通風(fēng)時計算掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量的公式如式（3）所示：

式中：Qhe為抽出式通風(fēng)時所需風(fēng)量，m3/s；Lt為炮眼長度，m。

3 礦井風(fēng)量的優(yōu)化

通過對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，可以滿足各個地點的用風(fēng)需求與礦井安全，降低通風(fēng)設(shè)備的能耗[8]。通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)主要有兩個：一個是優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)降低通風(fēng)困難程度，增加礦井的有效通風(fēng)量；另一個是降低通風(fēng)系統(tǒng)受到的阻力，減少通風(fēng)能耗，增加經(jīng)濟效益。本節(jié)將針對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和降低通風(fēng)阻力兩方面進(jìn)行研究分析。

3.1 優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)掘進(jìn)巷道較長時，原有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的布局無法有效向工作地點通風(fēng)，為了保障生產(chǎn)安全需要對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。本文通過利用鉆孔的方式，實現(xiàn)掘進(jìn)巷道向回風(fēng)巷的回風(fēng)功能，其原理圖如圖3 所示。從掘進(jìn)工作面打出一個300～500 mm 的鉆孔，通過鉆孔將掘進(jìn)巷道與回風(fēng)巷接通，在掘進(jìn)期間可利用鉆孔進(jìn)行通風(fēng)，有效地降低工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

圖3 鉆孔通風(fēng)示意圖

3.2 降低通風(fēng)阻力

降低礦井通風(fēng)時受到的阻力可以提高經(jīng)濟效益，并更加有效地保障礦井安全生產(chǎn)。本文主要通過減小摩擦阻力系數(shù)的方式來降低通風(fēng)阻力的措施，具體措施包括減小巷道長度與增大巷道斷面等。礦井設(shè)計初期，選用支護(hù)方式時應(yīng)當(dāng)考慮摩擦阻力的影響，施工時盡量保證巷道壁面光滑。當(dāng)巷道其他參數(shù)不變時，斷面面積增大33%，通風(fēng)阻力將降低50%，風(fēng)量流過巷道時產(chǎn)生的能耗降低一半。雖然增大斷面面積會增加基礎(chǔ)建設(shè)上的投資，但是應(yīng)當(dāng)考慮長遠(yuǎn)的經(jīng)濟效益，在通風(fēng)設(shè)計時選用經(jīng)濟效益最高的斷面。巷道造成的通風(fēng)阻力與巷道的長度成正比，因此在滿足工作面通風(fēng)需求的前提下，盡可能地縮短各風(fēng)路的長度。