煤礦通風系統(tǒng)分析及風量優(yōu)化探析

郭力強

（潞安集團漳村煤礦，山西長治046032）

對于礦山開采作業(yè)而言，通風工作是其過程中的重要環(huán)節(jié)。一般而言，目前通風的方式和途徑主要分為兩種，分別是自然通風與機械通風。其中，自然通風具體是指通過自然風力通風，機械通風具體是指通過機械能作為動力產(chǎn)生通風的效果。出于機械通風的各項優(yōu)點，比如具有較強的穩(wěn)定性和可靠性，比較容易調(diào)節(jié)和控制，因此，在目前的礦井作業(yè)通風工作中，主要以機械通風的方式為主。在煤礦礦井生產(chǎn)作業(yè)過程中，煤礦的通風系統(tǒng)是實現(xiàn)安全生產(chǎn)，提高作業(yè)安全系數(shù)的重要環(huán)節(jié)，礦井通風系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性是煤礦井下防范安全事故發(fā)生的重要保障。并且，隨著如今煤礦開采工作日益復雜性，在已投入生產(chǎn)的煤礦井作業(yè)過程中，對地下通風網(wǎng)絡的建設要求更高。因此，作為煤礦企業(yè)應充分通過一系列的解決辦法和優(yōu)化措施提高礦井下的通風效率，比如對通風系統(tǒng)進行優(yōu)化、對通風阻力進行有效降低，以此來提高通風系統(tǒng)工作的效率。本文以良好的通風系統(tǒng)能有效提高煤礦井下作業(yè)的生產(chǎn)效率為基礎，對煤礦通風系統(tǒng)中的通風網(wǎng)絡和通風構(gòu)筑物進行了充分的探究，以期提高煤礦生產(chǎn)的安全保障和企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 礦井通風系統(tǒng)分析

煤礦井下通風系統(tǒng)具體包括向巷道以及各生產(chǎn)工作面排送新鮮的空氣，并且能夠排除一些煤礦井下毒害氣體的通風設備和通風網(wǎng)絡。本節(jié)內(nèi)容將詳細地分析和探究通風系統(tǒng)當中的通風網(wǎng)絡和通風構(gòu)筑物，以期全面剖析礦井的通風系統(tǒng)。

1.1 礦井通風系統(tǒng)中的通風網(wǎng)絡

在對礦井通風系統(tǒng)的分析過程中，首先，礦井的通風系統(tǒng)由眾多的通風管路構(gòu)成，一般會借助平面圖的方法將通風系統(tǒng)簡化成一個由線與點構(gòu)成的網(wǎng)絡系統(tǒng)，也稱通風網(wǎng)絡。通風網(wǎng)絡通常采用直觀的幾何圖形予以描述，其中，實際的通風巷道由圖形上的線段分支表示，巷道中風流流向由圖形上的線段方向表示。一個比較簡單的通風網(wǎng)絡如圖1所示，圖中的實線是分支，其表示的巷道具備一些實際的參數(shù)，比如風阻、風量等，圖中的虛線表示的是偽分支，也就是說并不是實際的巷道，這種情況一般是介于主巷道進風口和通風設備出風口之間的虛擬分支。具體而言，圖中的2、3、4、5、6表示實際的分支，具備實際巷道，7表示偽分支，不具備實際巷道。通風系統(tǒng)的節(jié)點則是指通風系統(tǒng)通風網(wǎng)絡中由兩條或者兩條以上的分支相交形成的點，比如在圖1中具備①～⑤這5個交點。通路是指通風網(wǎng)絡中由多條方向相同，首尾相連的分支互相圍繞形成的線路，比如圖1當中的1-2-5、1-3-6以及1-2-4-5均是通風網(wǎng)絡中的通路。

當通風系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)中時，通風系統(tǒng)將遵守風量平衡定律，具體而言是指在相同的時間內(nèi)流出的空氣質(zhì)量和流進某節(jié)點的空氣質(zhì)量相等，公式如下所示：

式中：i——某節(jié)點中的分支數(shù)量；

Mi——流過第i個分支的空氣質(zhì)量，kg。

1.2 礦井通風系統(tǒng)中的通風系統(tǒng)構(gòu)筑物

通風系統(tǒng)構(gòu)筑物具體是指在煤礦井的通風網(wǎng)絡中，在某些位置設置的一些通風設施，其重要的作用是控制風流，并且保證風流流向生產(chǎn)地點。同時，根據(jù)風流是否通過，通風系統(tǒng)構(gòu)筑物還被分為隔斷風流構(gòu)筑物以及通過風流構(gòu)筑物，具體而言，隔斷通風構(gòu)筑物是指風簾、風門以及擋風墻等；通過風流構(gòu)筑物是指通風橋、反風裝置以及風機風筒等。

在部分通風系統(tǒng)中，會有出現(xiàn)既需要隔斷通風構(gòu)筑物，也需要通過風流構(gòu)筑物的情形，并且一般是在該位置設置風門。通常情況下風門的結(jié)構(gòu)如圖2所示，一個完整正常狀態(tài)下的風門系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)一般包括風門、電纜孔、調(diào)節(jié)風窗以及逆流鐵筒等等。在煤礦井下的通風系統(tǒng)中設置風門的時候，應至少設置兩道風門，并且，當風門要求通車的時候，其相互之間的距離應比運輸車的長度長；當風門只要求通過人的時候，其相互之間的距離應該超過5m。除此之外，為了避免瓦斯過量時逆流進通風設施，一般需要在主要進、回風巷之間相應地設置兩道反向的風門。

2 局部通風系統(tǒng)分析

一般而言，當煤礦正在處于新建或者生產(chǎn)狀態(tài)時，要求開采挖掘大量的工作面或者巷道，并在此基礎上建立準備新的采掘工作面。在這個過程當中，需要對工作面的持續(xù)通風提供保障，以確保能夠?qū)⒚簬r產(chǎn)生的有毒害氣體充分排出，并盡可能地抑制巷道掘進所產(chǎn)生的煙塵，然而，在采掘時，往往只有一個井巷的出口，沒有辦法形成風流貫穿，因此需要借助局部通風的方法充分實現(xiàn)通風的目的。

目前，在煤礦作業(yè)過程中通常采用風筒、局部通風機等設施進一步實現(xiàn)煤礦井下的局部通風，其作用原理是將局部通風機作為動力，進而通過風筒引導至掘進工作面等相關用風的場所。具體而言，其中依據(jù)通風式的不同，局部通風將被分為抽出式和壓入式通風。壓入式通風具有較高的安全性，以及較大的射程，通常可以用于以排除瓦斯為主的巷道作業(yè)當中；抽出式通風具有較高的通風效率，能夠充分保證巷道內(nèi)充滿清新的空氣，通常可以用于以排除粉塵為主的巷道作業(yè)當中。

當采用壓入式通風的時候，工作面所需的風量計算過程如下所示：

式中：Qkp——進行壓入式通風時所需要的風量，m3/s；

b——一氧化碳產(chǎn)生的當量，L/kg；

A——爆炸時使用的炸藥量，kg；

L——巷道的長度，m；

S——工作面巷道的截面積大小，m2；

CP——一氧化碳允許值，取0.02%；

t——通風時間，min；

pq——漏風系數(shù)。

當采用抽出式通風的時候，掘進工作面所需風量計算過程如下所示:

式中：Qhe——采用抽出式通風時所需的風量，m3/s；

L1——炮眼長度，m。

3 優(yōu)化礦井風量的相關策略

通常而言，優(yōu)化通風系統(tǒng)的目標包括兩方面:一方面是通過優(yōu)化通風網(wǎng)絡來降低通風的困難和復雜程度，有效地增加煤礦井下作業(yè)過程中的通風量，進一步保障煤礦生產(chǎn)的安全；另一方面是進一步通過降低通風系統(tǒng)所受的阻力，進而減少通風的能耗，增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益。優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)，可以有效提高礦井作業(yè)過程中各地點的用風需求，充分保障礦井安全，同時可以降低通風設備的損耗。因此，本節(jié)內(nèi)容將針對如何優(yōu)化通風網(wǎng)絡以及如何降低通風阻力這兩方面著重分析，以提供有效的優(yōu)化策略。

3.1 通風網(wǎng)絡的優(yōu)化

在特殊情況下，可能由于掘進巷道較長的原因，導致通風網(wǎng)絡布局沒有辦法有效地向工作地點進行通風，因此，應優(yōu)化通風網(wǎng)絡以保障煤礦生產(chǎn)的安全需求。本文將采用鉆孔方法，來達到掘進巷道向回風巷的回風功能，其作用原理如圖3所示。

首先，在掘進工作面打出一個鉆孔（300～500mm），依靠鉆孔接通掘進巷道和回風巷，在掘進的過程中可以借助鉆孔進行有效通風，并降低工作面中的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.2 通風阻力的降低

降低礦井通風過程中受到的阻力能夠有效保障生產(chǎn)的安全，并提高經(jīng)濟效益。本文利用減小摩擦阻力系數(shù)原理來降低通風阻力，比如增大巷道斷面或者減小巷道長度等。在礦井設計的初期階段，應盡量保證施工時巷道壁面的光滑，同時結(jié)合考慮摩擦阻力的影響來選用支護方式。當巷道其他參數(shù)固定不變時，斷面面積每增大33%，通風阻力則降低50%，風量流過巷道時需要的能耗也將降低一半。盡管斷面面積的增大也會增加在基礎建設中的投資，但考慮長遠的經(jīng)濟效益還是更加有效的。基于巷道產(chǎn)生的通風阻力與其長度成正比關系，因此，在符合工作面通風需求的基礎上，應盡量縮短各風路長度。