經坊煤業通風系統特征及通風能力核定研究

武 超

（山煤集團煤業管理有限公司 ，山西 太原 030006）

0 引 言

煤炭資源目前在我國仍占據著較大的比例，是不可或缺的能源之一，如何針對煤炭資源進行安全高效的開采，是廣大科研學者研究的重要課題之一[1,2]。高瓦斯煤炭資源開采過程中最大的危險源即為瓦斯事故，今年來多起重大瓦斯事故都造成了較大的危害，歸其原因即為礦井通風不利，沒有及時將瓦斯疏散及抽出。因此，計算礦井工作面所需風量及核定礦井通風能力對煤炭資源的安全開采顯得尤為重要[3]。

1 工程概況

1.1 礦井生產概況

山西長治經坊煤業有限公司位于中國山西省長治市，隸屬山西煤炭進出口集團公司控股管理。山西省長治經坊煤業有限公司礦井通風方式為分區式通風，礦井通風方法為機械抽出式，礦井井田開拓為斜井和立井混合開拓。主斜井、副斜井和進風立井進風，南翼回風立井擔負五、六采區回風和北翼回風立井擔負七、八采區回風。

經坊煤礦礦井布置四個生產采區（分別為五采區、六采區、七采區和八采區）。阻測期間五采區布置一個備用工作面（3- 邊角03 工作面）和兩個掘進工作面（3- 邊角052 順槽和3- 5082 順槽掘進工作面）；六采區布置一個掘進工作面（3- 603 探巷掘進工作面）；七采區布置兩個掘進工作面（3- 邊角061 順槽和3- 邊角062 順槽掘進工作面）；八采區布置3- 803回采工作面、3- 807 備用工作面、3- 8021 順槽和3- 8022 順槽兩個掘進工作面。

1.2 礦井瓦斯含量

根據2017 年8 月山西省煤礦礦用安全產品檢驗中心的檢驗報告，3 號煤層煤塵有爆炸性；自燃傾向性等級為Ⅲ，屬不易自燃煤層。礦井煤層絕對瓦斯涌出量為19.21m3/min，瓦斯主要來源為回采工作面。

2 礦井需風量計算

2.1 采煤工作面需風量

1）按瓦斯涌出量計算[4]：

Q1=1000qchK采通

式中：qch為工作面回風流中平均瓦斯絕對涌出量，根據沈陽設計院做的《瓦斯涌出量預測報告》可知，預計3- 807、3- 邊角03 工作面平均瓦斯涌出量為 16.43m3/min、2.69m3/min；K采通為采煤工作面瓦斯涌出不均衡備用風量系數，取1.7。

根據以上公式可以計算得到3- 807 工作面需風量2793.1m3/min；同理可以計算得到3- 邊角03 工作面需風量457.3m3/min。

2）按工作面人數需風量計算：

式中：N 為回采工作面同時存在的最多人數，（得到 3- 807 取 80；3- 邊角 03 取 40）；每人需風量≥4m3/min。

根據以上公式可以計算得到3- 807 工作面需風量320m3/min；同理可以計算得到3- 邊角03 工作面需風量160m3/min。

3）按風速進行驗算。取3- 807 和3- 邊角03 工作面上述結果的最大值，Qcf分別為2794.1m3/min、457.9m3/min。風量需滿足風速驗算[5]：

式中：70%為有效通風斷面系數；l 為采煤工作面實際寬度，3- 807 取 7.5m，3- 邊角 03 取 3.83m；h 為采煤工作面實際采高3- 807 取2.8m，3- 邊角03 取2.2m；s 為采煤工作面有效斷面積。

通過驗算3- 807、3- 邊角03 采煤工作面風速均符合要求

因此可以得到兩個采煤工作面總需風量為2794.1+457.9=3252 m3/min。

2.2 備用工作面需風量

本礦井有2 個備用面（3- 邊角06 面、3- 邊角052 面），一個安裝面（3- 803，按照原 3- 803 面設計風量2321m3/min 的一半計算）。

為此：Q803= Q3-803生產/2=1161m3/min

Q3-邊角06= 826m3/min（為原臨近702 工作面風量的一半）

Q3-邊角05= 458m3/min（取臨近508 工作面風量的一半）

備用工作面：∑Q=1161+826+458=2445m3/min

2.3 掘進工作面需風量

1）按工作面瓦斯涌出量計算：

Q1=100QCH4K

式中：Q掘為掘進工作面的實際需要風量，m3/min；根據《3- 603 工作面探巷地質說明書》中的瓦斯涌出量資料得知；K掘為掘進工作面瓦斯涌出的不均衡系數，取1.77；QCH4為掘進工作面的瓦斯絕對涌出量，，（根據《瓦斯涌出量測定報告》得知3- 603 工作面取 1.2 m3/min；3- 8021 取 2.064 m3/min；3- 8022 取2.067 m3/min；3- 5081 取 1.349 m3/min；3- 邊角 082 取0.84 m3/min）。

由上述公式可以計算得到3- 603 工作面探巷風量為 212.4m3/min；3- 8021 順槽風量為 365.4m3/min；3- 8022 順槽風量為 366m3/min；3- 5081 順槽風量為238.8 m3/min；3- 邊角 082 順槽風量為 148.68 m3/min。

2）按工作面同時作業人數計算需要風量：

由上述公式可以計算得到5 個掘進工作面風量均為 160m3/min（N 取 40 人）。

3）按局部通風機實際吸風量計算需要風量：

式中：S 為巷道斷面面積，（3- 603 取 11.25m2；3- 8021 取 13.5m3/min；3- 8022 取 11.2m3/min；3- 5081取 11.2m3/min；3- 邊角 082 取 12.6m3/min）；Ii為局部通風機臺數，取1 臺；Q扇為局部通風機最大吸風量，（3- 603 取 420m3/min；3- 8021 取 750m3/min；3- 8022取 375m3/min；3- 5081 取 420m3/min；3- 邊角 082 取420m3/min）；Q掘為局部通風機所需吸風量。

由上述公式可以計算得到3- 603 工作面探巷全風壓風量為589m3/min；3- 8021 順槽全風壓風量為952.5m3/min；3- 8022 順槽全風壓風量為 543m3/min；3- 5081 順槽全風壓風量為 588m3/min；3- 邊角 082 順槽全風壓風量為609m3/min。

因 此 ， ∑ Q掘=589+952.5+543+588+609=3281.9m3/min

2.4 井下硐室需風量

1）井下爆炸材料儲存庫每小時4 次通風量：

Q庫=4V/60=4×1785/60=119m3/min

式中：V 為庫房的體積，m3；Q庫為庫房需風量，m3/min。

2）機電硐室需要風量應根據不同硐室內設備的降溫要求進行配風。選取硐室風量，須保證機電硐室溫度不超過30℃，其他硐室溫度不超過26℃。

式中：ρ 為空氣密度，取 1.2kg/m3；∑W 為機電硐室中運轉的電動機總功率，kW；Cp為空氣的定壓比熱，取1kJ/（kg·K）；θ 為機電硐室發熱系數；Δt 為機電硐室進、回風流溫度差，℃；Q 為機電硐室需要風量，m3/min；

計算如表1。

表1 井下硐室需要風量

2.5 礦用防爆柴油機車需風量

六、七、八采區軌道巷各同時使用一輛礦用防爆柴油機車，功率為30kw。

式中：Pdl為機車功率，kW；Ndl為機車臺數，臺；kdl為配風系數，取1.0；Qdl為機車尾氣排放稀釋需風量，m3/min；

2.6 其它需風量

式中：K其它為瓦斯涌出不均衡系數，取 1.3；QCH4

為平均瓦斯絕對涌出量，取0.69m3/min；133 為其它地點回風風流中瓦斯濃度不超過0.75%所換算的常數；Q 其它為其它地點需風量，m3/min。

則：Q其它=133×0.69×1.3=119.3m3/min;

根據以上計算Q其它取120m3/min。因為井下共計有 7 處，因此，Q其它=120×7=840m3/min。

2.7 礦井實際需要風量

將采、掘、硐室、備用、其它的風量數據代入計算公式，得:

式中：K 礦通—礦井通風系數，取1.2。

3 礦井通風能力核算：

由于本礦生產能力為240 萬t/a，按由里向外核定算法核定礦井通風系統生產能力。礦井目前礦井總進風量能滿足布置10 個采掘面同時作業，即采煤面布置“兩采三備五掘”的情況下，礦井實際供風量14182m3/min，大于礦井實際需風量13461m3/min。

3.1 單個采煤工作面年產量計算

1）3- 807 工作面產量計算：

式中：Ac 為回采工作面通風能力，萬 t/a；L 為回采工作面平均長度199m，放煤長度取197m；h 為回采工作面平均開采厚度，機采2.8m，放頂煤3.2m；r 為原煤視密度1.41t/m3；b 為采煤工作面平均日推進度3.6m/d；n 為年工作日數276 天；c 為工作面回采率，機組割煤取95%，放煤取85%；

2） 3 - 邊角05 工作面產量計算：

Ac05=10- 4?L?h?r?b?n?N?c

=10- 4×(130×2.2×95%+128×3.8×85%)×1.41×4.8×276

=127.98（萬 t/a）

3.2 掘進工作面年產量計算

Aj=10-4r∑SiLi

=10-4×1.41×70.96×10.8×276=29.82 萬 t/a

式中：Aj為掘進工作面平均生產能力，萬t/a；r 為原煤視密度，1.41t/m3；Si為 i 巷道純煤面積；Li為 i 巷道年總進尺。5 個掘進工作面參數如表2：

表2 5 個掘進工作面特征表

3.3 礦井通風能力計算

APc==149.2+127.98+29.82=307 萬t/a

式中：APc為礦井通風能力，萬t/a.

經核定該礦現通風能力為307 萬t/a。

4 礦井通風能力驗證

4.1 通風動力驗證

礦井共有5 個井筒，主斜井、副斜井、進風立井和南翼回風立井、北翼回風立井。通風方式為分區通風，其中主斜井進風量為1397m3/min，副斜井進風量為4436m3/min，進風立井風量為8780m3/min，礦井總進風量為14613m3/min，總回風量為14683m3/min，能滿足礦井風量要求。

南翼主要通風機運行葉片角度- 10°、頻率42.18Hz、負壓 2060 Pa，等積孔 A=2.03m2；北翼主要通風機運行葉片角度- 3°、頻率49Hz、負壓2040Pa，等積孔A=3.41m2，能滿足目前礦井生產需要.

4.2 通風網絡能力驗證

礦井于2017 年7 月主扇投運后，委托山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司進行了通風阻力測定，滿足要求， 阻測時， 經坊煤礦南翼通風阻力為206mmH2O；北翼通風阻力為148.3mmH2O。

1）阻力測定時南翼主扇工況：

H扇靜＝1950Pa；Q主扇＝5880m3/min；R主扇＝0.2030403N·s2/m8；等積孔 A＝2.64m2

礦井等積孔大于2m2，南翼通風難易程度為容易。

2）阻力測定時北翼主扇工況：

H扇靜＝1450Pa；Q主扇＝8120m3/min；R主扇＝0.0791696N·s2/m8；等積孔 A＝4.23m2

礦井等積孔大于2m2，北翼通風難易程度為容易。

由此可知，礦井通風阻力分配合理，通風風量完全可以滿足安全生產的需求。

4.3 用風地點有效風量驗證

礦井各工作面、井下硐室有效風量按照風速、溫度、風量分別進行驗證，可以得出完全符合安全生產的要求。

4.4 稀釋瓦斯能力驗證

通過對礦井各用風地點瓦斯量的測定，通過通風將瓦斯含量均稀釋到安全濃度以下。

5 結束語

本文通過計算采煤、備用、掘進工作面、井下硐室等需風量，確定了礦井實際需風量為13461m3/min；在進一步通過礦井通風力計算，得到經坊煤業礦井通風能力為307 萬t/a；最后通過礦井通風動力、通風網絡、有效風量及瓦斯稀釋，驗證了礦井通風能力可以滿足安全生產的要求。