礦井通風(fēng)系統(tǒng)的改造與優(yōu)化設(shè)計研究

鄧 敏

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)指的是以風(fēng)機(jī)為動力，由各種通風(fēng)設(shè)備構(gòu)成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。通風(fēng)系統(tǒng)的作用是將新鮮空氣輸送至井下各工作面，降低井下采區(qū)溫度和瓦斯?jié)舛龋乐挂蚓峦咚節(jié)舛冗^高而引起爆炸。由于通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全性，因此《煤炭安全規(guī)程》對通風(fēng)系統(tǒng)的各類指標(biāo)作出了嚴(yán)格的規(guī)定。隨著礦井發(fā)展，井下工作面越來越多，巷道結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，原有的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)被破壞，降低了通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行年限接近服務(wù)年限，各類故障頻繁出現(xiàn)，直接威脅了生產(chǎn)和人身安全。綜上所述，為了提高通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和可靠性，滿足新增工作面對新增風(fēng)量的要求，滿足礦井長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化具有重要意義。

1 改造目標(biāo)與流程

1.1 改造目標(biāo)

由于礦井發(fā)展和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量大小、覆蓋范圍和使用壽命與現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)或未來生產(chǎn)布局不匹配，需要對其進(jìn)行改造。在安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、資源節(jié)約總體目標(biāo)的指導(dǎo)下，不同的改造措施實現(xiàn)的效果不同。

1）增加風(fēng)量。由于工作面增加、煤層瓦斯含量增多、產(chǎn)量提高都會對通風(fēng)量產(chǎn)生更高的需求，因此總風(fēng)量不足是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的常見狀況。

2）節(jié)能減排。通風(fēng)系統(tǒng)的電能浪費(fèi)來源于風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)兩方面，巷道斷面小、風(fēng)路距離長都會導(dǎo)致風(fēng)阻變大。風(fēng)機(jī)型號老舊，機(jī)械磨損導(dǎo)致風(fēng)機(jī)耗電量增加。

3）穩(wěn)定風(fēng)流。通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，主通風(fēng)機(jī)或局部通風(fēng)機(jī)性能老化，都會導(dǎo)致風(fēng)流不穩(wěn)，因此需要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)性能，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 優(yōu)化流程

相比于新建礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)，生產(chǎn)礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)設(shè)施數(shù)量眾多、型號多樣、性能差別較大，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的技術(shù)改造更加復(fù)雜。在改造目標(biāo)的基礎(chǔ)上，為了充分利用現(xiàn)有條件，挖掘礦井潛力，提高礦井生產(chǎn)力，滿足礦井長遠(yuǎn)需求，通風(fēng)系統(tǒng)改造工程必須在一套科學(xué)的工作流程下進(jìn)行。如圖1所示，首先對風(fēng)機(jī)性能、系統(tǒng)阻力和系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析原因，并根據(jù)不同的原因采取不同的改造措施。通風(fēng)系統(tǒng)的問題可分為三類：第一類為配風(fēng)不合理，可采用的具體改造措施包括調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)、調(diào)整采區(qū)布局、封堵漏風(fēng)、提高通風(fēng)設(shè)施質(zhì)量等；第二類為巷道通過能力不足，可采用的具體改造措施包括清理檢修井巷、增加并聯(lián)風(fēng)道、調(diào)整系統(tǒng)縮短風(fēng)路、新開風(fēng)道或風(fēng)井；第三類為風(fēng)機(jī)能力不足，可采用的具體改造措施包括調(diào)整葉片安裝角、調(diào)整風(fēng)機(jī)裝束、更換電機(jī)、更換通風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行。將所有可能采取的改造措施進(jìn)行綜合，形成擬定方案，將擬定方案轉(zhuǎn)化為仿真模型，在計算機(jī)上進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果與改造目標(biāo)的差距對改造措施進(jìn)行調(diào)整，直到滿足改造目標(biāo)，得到最優(yōu)的技術(shù)改造方案[1-2]。

圖1 基于目標(biāo)的最優(yōu)改造方案工作流程

2 某礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1）主通風(fēng)機(jī)故障頻發(fā)。主通風(fēng)機(jī)輪轂、鉚釘、銅帶、軸承等部件頻繁出現(xiàn)故障，導(dǎo)致運(yùn)行時振動和噪音大，在檢修時風(fēng)機(jī)只能單臺運(yùn)行，導(dǎo)致性能下降明顯，一旦出現(xiàn)重大故障，將導(dǎo)致整個礦井停產(chǎn)，影響生產(chǎn)產(chǎn)能和人員安全。

2）通風(fēng)巷道繁多，可靠性低，安全性差。多個采區(qū)共用同一臺主通風(fēng)機(jī)，流程長短差距很大，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，在主通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)調(diào)控過程中，經(jīng)常出現(xiàn)滿足某一采區(qū)風(fēng)量，破壞另一采區(qū)風(fēng)量的現(xiàn)象，管理上難度較大。

3）采面和回風(fēng)溫度高。井下工作場所溫度普遍較高，采面溫度最高在35℃以上，風(fēng)流溫度最高達(dá)33℃以上，迎頭出水溫度最高達(dá)41℃以上，上述高溫環(huán)境急需采取多種降溫措施，并提高井下配風(fēng)量。

4）服務(wù)年限無法滿足正常接替。去年該礦井新增了3個掘進(jìn)工作面和1個采備面，新增的工作面和采備面需要風(fēng)量為2 800 m3/min，對主通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)量提出了更高的要求，主通風(fēng)機(jī)的最大運(yùn)行角度為40°，但是目前只能運(yùn)行在35°，增加運(yùn)行角度將會導(dǎo)致異常振動和聲音。

5）風(fēng)機(jī)效率低，電能消耗大，無法對風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)控。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行靜壓效率不到50%，目前風(fēng)機(jī)的發(fā)展方向為自動化和節(jié)能化，未配置風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)需要人工調(diào)節(jié)，驅(qū)動也未采用變頻技術(shù)，電能消耗非常可觀，無法滿足企業(yè)節(jié)能減排的要求。

3 改造與優(yōu)化措施

1）投運(yùn)新風(fēng)井。由于工作面預(yù)測風(fēng)量與實際工作風(fēng)量的差距很大，無法通過舊風(fēng)井改造滿足生產(chǎn)要求，因此必須在工作面封閉前投運(yùn)新風(fēng)井和主通風(fēng)機(jī)，新風(fēng)機(jī)可按照-3°或-6°運(yùn)行，根據(jù)風(fēng)壓特性曲線和主通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)解算主要永豐巷道的風(fēng)量，同時降低風(fēng)機(jī)葉片安裝角，提高礦井風(fēng)量[3-4]。

2）擴(kuò)大風(fēng)硐斷面。對于開采時間長、工作面多的礦井，風(fēng)硐斷面小、風(fēng)速大的特點(diǎn)導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的阻力過大。礦井的回風(fēng)井承擔(dān)了所有的回風(fēng)量，對于直徑2.1 m的井筒，總排風(fēng)量為3 600 m/min，負(fù)壓小于2 900 Pa。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，風(fēng)硐內(nèi)的摩擦阻力與風(fēng)硐斷面的立方成反比關(guān)系，因此保持巷道摩擦系數(shù)較低，減少岔口和彎道，降低局部阻力，擴(kuò)大風(fēng)硐斷面，改造后的風(fēng)硐設(shè)計如圖2所示。

圖2 風(fēng)硐改造示意圖

3）提高主風(fēng)機(jī)性能。主風(fēng)機(jī)的性能很大程度上影響整個通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率，原通風(fēng)機(jī)使用FBCDZ54-No28型通風(fēng)機(jī)，這款通風(fēng)機(jī)葉片單個可調(diào)，但是風(fēng)機(jī)效率較低，不具有在線監(jiān)控裝置。改造工程中，主通風(fēng)機(jī)型號選擇ANN-2509，這款通風(fēng)機(jī)控制自動化程度高，工況點(diǎn)調(diào)節(jié)方便，效率更高，通風(fēng)機(jī)可在葉片全閉合位置啟動，電機(jī)運(yùn)行至全速時自動調(diào)整葉片角度，而且配套有風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

4 改造與優(yōu)化效果

根據(jù)改造措施對改造前后的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)量和風(fēng)阻解算，新風(fēng)井投運(yùn)前后主要巷道風(fēng)量情況和風(fēng)硐斷面擴(kuò)大前后主要巷道風(fēng)阻情況如表1、表2所示。計算結(jié)果表明，新風(fēng)井投運(yùn)后進(jìn)風(fēng)斜井、總進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)下山巷的風(fēng)量明顯增大，風(fēng)硐斷面擴(kuò)大前后進(jìn)風(fēng)斜井、總進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)下山巷的風(fēng)阻明顯減小，改造方案滿足改造[5-7]。

表1 新風(fēng)井投運(yùn)前后主要巷道風(fēng)量情況（部分）m3/min

表2 風(fēng)硐斷面擴(kuò)大前后主要巷道風(fēng)阻情況（部分）kg/m7

5 結(jié)語

為了科學(xué)有效地對礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造與優(yōu)化設(shè)計，分析了通風(fēng)系統(tǒng)改造增加風(fēng)量、節(jié)能減排、穩(wěn)定風(fēng)流的目標(biāo)，建立了完整的改造最優(yōu)方案工作流程。結(jié)合現(xiàn)在通風(fēng)系統(tǒng)主通風(fēng)機(jī)帶病工作、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、采區(qū)溫度等現(xiàn)狀，給出了投運(yùn)新風(fēng)井、擴(kuò)大風(fēng)硐斷面、優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能的改造措施。實際改造效果表明，本次改造提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性和有效性，對提高煤礦產(chǎn)能，保障人身安全具有重要意義。