煤礦通風系統及風量優化研究

張海軍

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西晉城048000）

1 概述

通風系統在煤礦井下安全生產中起著至關重要的作用，通風系統的穩定可靠是井下一切生產作業的前提。隨著我國煤礦井下開采深度的不斷增加和開采水平的延伸，礦井通風線路也隨之不斷增長，導致井下通風阻力增大、通風系統更加復雜，進而造成原有的通風系統和通風設施不能滿足礦井采掘工作面作業需求[1-4]。因此，礦井必須對井下通風系統和通風設施定期進行檢查測定，針對通風系統存在的問題及時制定合理的措施進行優化改進，減小通風阻力，保證通風系統穩定可靠，保障礦井通風能力滿足采掘工作面安全生產需求，是井下通風工作的重要環節。

2 煤礦井下通風系統

井下通風系統是由礦井進風井和回風井布置方式，即通風方式，礦井主風機的工作方法，即通風方法，完成通風工作的各項設施，即通風設備,風流流動形成的線路結構形式，即通風網絡等四個方面組合起來的總稱。它的主要任務是為井下采掘工作面、巷道硐室等用風地點提供新鮮空氣，保證井下作業人員正常呼吸所需氧氣；沖走稀釋井下瓦斯、CO 等有毒有害氣體及煤巖塵，防止積聚造成災害事故，保證井下安全生產；降低井下溫度，為井下人員創造良好的生產作業環境。下面將從通風網絡和通風設施兩個主要方面進行分析研究礦井通風系統優化方法。

2.1 煤礦井下通風網絡

在對礦井通風系統進行分析研究過程中，為便于研究分析，經常采用平面布置圖的方法，把通風系統抽象成點為一個由點與線組合而成的網狀線路系統，這個系統通常稱為煤礦井下通風網絡[1]。通風網絡一般不考慮巷道的實際幾何要素（巷道的位置、長度、寬度、高度等），它是利用比較簡單的圖形來進行描述。在繪制的幾何圖形中，各個線段表示實際井下用于通風的巷道，線段上的箭頭指向表示巷道中風流流動的方向。見圖1，該幾何圖形代表的是一個礦井簡單的并聯通風網絡。圖中所畫的實線段是通風巷道風流路線的分支，即實際通風巷道，虛線代表的是風流路線偽分支，即表示是虛擬的通風巷道。在通風網絡中，分支與分支相交形成的交叉點，通常被稱為通風網絡的節點。通風網絡中各分支沿同一方向首尾相接組成的線路，將其稱為通風網絡的通路。

圖1 礦井通風網路線路圖

2.2 煤礦井下通風設施

在煤礦井下生產作業過程中，為保證作業地點風量滿足生產作業需求，通常會在井下選定某個合適的位置構筑一些通風設施或安裝通風設備用來引導風流流向和調節風量大小。通常將這些用于引導、遮擋風流方向和調節風量大小的通風設施設備統稱為通風構筑物[3]。按照構筑物能否允許井下風流通過情況，可以將其分為允許風流通過和隔斷風流通過共兩種類型的通風構筑物。允許風流通過的構筑物主要有風硐、風橋、導風板、調節風窗、反風裝置等；隔斷風流通過的構筑物主要有風門、密閉、擋風墻等[1]。

在井下開采過程中，由于通風系統建設需要，在部分巷道某些位置需要構筑阻斷或調節風流的通風設施，但井下人員或車輛還需從此處位置通過，這時就需要在此處構建風門。井下永久性風門系統主要由鋼質材料加工的風門、用磚石砌筑而成的風墻和用于調節巷道內風量大小的調節風窗等部分組成（如圖2 所示）。在煤礦井下巷道內構筑永久性風門時，要求一組風門不能少于2道，主要用于運輸車輛通過的風門其2道風門之間的間距要求不低于12m，主要用于井下人員通過的風門其2 道風門之間的間距一般要求不低于5m。有煤與瓦斯突出傾向的礦井，要求在建立風門時必須建立反向風門。

圖2 礦井井下永久性風門結構示意圖

3 礦井局部通風系統

煤礦井下巷道在掘進過程中，因巷道未貫通前其為獨頭巷道，因此不能形成獨立的全負壓通風。為保證掘進工作面的正常掘進，需采用局部通風機配合導向風筒等通風設備設施對掘進工作面迎頭進行供風。根據井下局部通風機工作方式的不同，局部通風一般可分為壓入式（也叫正壓式）和抽出式兩種通風方式。壓入式通風有效射程遠，對有毒有害的氣體及煤（巖）塵沖淡、稀釋作用較強，是目前我國煤礦井下選取的主要通風方式[4]。

煤礦井下掘進工作面通風采用壓入式時，其所需要的風量采用公式（1）進行計算：

式中：Qkp——掘進工作面采用壓入式通風掘進時所需風量，m3/s；

A——掘進工作面爆破時所需炸藥重量，kg；

b——掘進迎頭爆破時產生CO的量，L/kg；

S——掘進工作面巷道斷面面積，m2；

L——掘進巷道長度，m；

Cp——巷道中允許CO濃度的最大值，取0.02%；

Pq——巷道漏風系數；

t——巷道供風時間，min。

煤礦井下掘進工作面采用抽出式通風時，所需風量采用計算公式（2）進行計算：

式中：Qhe——掘進工作面采用抽出式通風掘進時所需風量，m3/s；

L1——掘進工作面爆破時所布置的炮眼深度，m。

4 井下通風系統優化

礦井井下通過不斷對通風系統的改造和優化，可以保證井下各個用風地點的風量需求，保證生產作業安全，同時可以節省通風設施的耗能。優化礦井通風系統主要有兩個目的：一是對通風網絡進行優化，減小井下通風復雜程度，增大巷道的有效風量；二是降低礦井井下通風系統在允許過程中所受到的各種阻力，降低通風能耗，延長通風設備使用壽命，減少礦井成本投入。下面主要從優化通風網絡和減小礦井通風阻力等方面來探討分析。

4.1 井下通風網絡優化

當巷道掘進施工距離較長時，原構建的通風網絡結構已無法滿足掘進工作面迎頭所需風量，為了保障掘進作業安全，需要對原有的通風網絡進行合理優化。本文采用在掘進巷道與回風巷道之間施工巷道穿透鉆孔的方式，將掘進巷道內的回風通過鉆孔流入到回風巷道（原理結構圖見圖3），從而有效降低通風阻力，對掘進工作面瓦斯和粉塵治理起到較好作用。

圖3 利用鉆孔優化通風網絡示意圖

4.2 減小井下通風阻力

減小通風阻力，是提高礦井通風效率，滿足井下通風安全需求的有效方法。從采取減小巷道通風摩擦阻力系數的方法來降低礦井通風阻力進行分析研究。減小巷道通風阻力摩擦系數主要措施有縮短巷道距離、加大巷道通風斷面等。煤礦井下在進行巷道斷面及支護方式設計時，要充分考慮巷道摩擦阻力對巷道通風的影響，巷道施工時，要最大可能地保證巷道表面平滑，從而減少巷道通風阻力摩擦系數。同時，在設計巷道時，合理增加巷道寬度和高度，增大巷道斷面，能有效提高礦井通風效率。有研究表明，在巷道其他支護參數不變的情況下，巷道斷面加大33%，巷道通風阻力將減小一半，通風能耗降低50%。雖然加大巷道斷面會增大初期建設投資，但從礦井長遠發展來看，增大巷道斷面，既能降低礦井通風阻力，提高礦井通風效能，保證礦井安全高效生產，同時也能減少礦井后期對巷道二次擴修維護成本，減少了礦井后期的成本投入。