古城煤礦大風量高負壓通風系統分析及降阻優化

＊張振彬

（山西潞安化工集團有限公司古城煤礦 山西 046100）

通風問題往往是導致火災、粉塵災害產生的直接或間接誘因，因此為有效防止這些災害發生，應及時發現并解決礦井中存在的通風問題。礦井通風阻力是衡量礦井通風能力的重要指標[2]，同時也是優化礦井通風系統的根本依據。礦井通風系統的優化改造方案的擬定原則必須嚴格遵循安全可靠、經濟合理和便于管理這三點要求。針對古城煤礦大風量、高負壓通風特點，需要對目前通風系統實施降阻工程以提高通風能力和通風富余量。為此，提出了基于MVIS通風仿真系統進行仿真研究的方法[1]，對古城煤礦通風系統現狀及存在的問題進行分析，提出合理的優化改造方案。

1.礦井通風系統概況

古城煤礦井田位于太行山中段西側的上黨盆地西部。礦井設計生產能力800萬噸/年，服務年限71.4年。古城煤礦礦井通風方式為混合式通風方式，通風方法為抽出式，通風系統簡化圖如圖1所示，礦井現有兩個通風子系統，即中央風井通風系統、桃園風井通風系統。主要進風井有副立井、主斜井、桃園進風立井；兩個回風井，中央回風立井、桃園回風立井。通風方式目前實現了各盤區分區獨立通風，采區大巷布置均為三進兩回，中央回風立井目前負擔的東翼采區和西翼采區回風系統。桃園回風立井目前負擔的南翼采區回風系統。具體動力配置為：中央回風立井主通風機型號AGF606/4.0-2.4-2；桃園回風立井主通風機型號AGF606/4.0-2.2-2，一用一備，反風方式為反轉反風。

圖1 古城煤礦通風簡圖

2.礦井通風阻力測定結果及分析

古城煤礦通風阻力測試采用傾斜壓差計法、精密氣壓計的同步法以及精密氣壓計的基點法混合測試，發揮各自測試方法的優勢[3]。

(1)礦井通風能力指標判定

基于礦井通風能力指標，結合通風阻力測定結果，可以定量化判定礦井通風能力[4-7]。

①等積孔A

礦井等積孔判定礦井通風難易程度。單風機工作礦井等積孔計算公式如式（1）所示。

多風機聯合運行礦井等積孔計算公式如式（2）所示。

式（2）中：A-總等積孔，m2；Q-單臺通風機風量，m3/s；h-單臺通風機通風能力，Pa；Qi-第i臺通風機風量，m3/s；hi-第i臺通風阻力，Pa。

有效風量率指井下用風地點總風量Qs與礦井總進風量Qx。礦井有效風量率如公式（3）所示：

②礦井網絡復雜度R

網絡復雜度可以表示通風網絡的復雜程度，計算公式如式（4）所示。

式（4）中：m-節點數目；ni-通風網絡分支數；nj-角聯網絡分支數。

網絡復雜度可根據A值判斷復雜程度如表1所示。

表1 復雜程度判定

③阻力分布合理度s2

s2可以判斷通風系統阻力分配比例是否合理，其值越小，阻力分配合理度越高，計算公式如式（6）所示。

式（6）中：Yi-實際三區阻力數值；Yj-一般認為三區分布標準值。

④風量供需比τ

τ可以反應用風地點風量供應程度，計算公式如式（7）所示。

式（7）中：Qy-用風地點供風量，m3/s；Qx-用風地點需風量，m3/s。

⑤阻力測定誤差δ

式（8）中：δ-阻力測定誤差，%；h-測定的礦井通風總阻力；hfs-通風機裝置靜壓，Pa；hs-通風機風硐測壓點靜壓，Pa；hy-通風機風硐測壓點動壓，Pa；hn-礦井自然風壓，Pa。

(2)礦井通風系統測定結果評價結果分析

①中央回風井、桃園回風立井相對誤差分別為1.55%、0.90%，測量精度可靠，滿足通風阻力測定的要求，為進一步分析提供了必要的依據。

②由于南翼和東翼采區對風量需求較大，且古城煤礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯涌出量較大，加上系統內部漏風，現風機運行角度3°，下中央回風立井、桃園回風立井風機風量分別為27481m3/min、3350Pa，23956m3/min、3558Pa，兩回風井風機能力提升空間較小，容易出現東翼采區、南翼采區后續供風量不足的問題，無法保障后續安全生產的要求，因此需對通風系統進行降阻，提升礦井通風富余量。

③中央回風立井沿途路線進風區、用風區、回風區三區阻力分配比例為32:37:31，等積孔為9.42m2，為通風中等礦井，對于盤區式開采，用風消耗阻力明顯偏大。N1305回順巷道阻力消耗偏大，阻力為685Pa，這是因為巷道較長造成了巷道阻力過大。中央回風井最大通風阻力路線達到8645m，通風路線較長，一些巷道處于微風狀態，巷道中一些雜物不及時清理，井巷老舊導致巷道摩擦阻力變大，均會加大礦井負荷；井底布置的通風設施加大了通風阻力，同時降低了通風效率。因此，日常應加強這些巷道管理。中央回風井井底回風大巷消耗阻力577Pa，為提高礦山的經濟效益，在充分利用現有井巷基礎上，減少通風能耗，降低通風設備的運行費用，對中央回風立井井底進行降阻。

④桃園回風立井與中央回風井基本相同，為通風中等礦井，用風區消耗阻力所占比例明顯偏大，主要原因是用風區段阻力偏大。以S1301工作面為例，用風區回風段阻力消耗1801Pa，超過桃園回風立井總阻力的50%，沿空留巷巷道斷面小是造成其阻力增大的主要原因，同時部分回風巷道內摩擦系數較大也是造成通風系統風阻值較大的原因之一。

⑤目前古城煤礦有效風量為目前古城煤礦有效風量為778.63m3/s，礦井總進風量為848.9m3/s，用風量占總風量比例即有效風量率為778.63/848.9×100%=91.72%。有效風量率較高，繼續加強通風管理，保持較高的有效風量率。

⑥古城通風系統復雜，風門等構筑物較多，需要加強管理，超過1000Pa的風門占32%，約為1/3，風門壓差較大的風門占比大，壓差大的風門需要注意維護，使正、反向均處于良好狀態，保障通風系統可靠運行。

⑦通風系統穩定性分析，古城煤礦網絡分支串聯簡化后共有609條，網絡規模屬于中等，網絡復雜程度屬于復雜，南翼膠帶大巷、南翼輔運大巷處于中央風井系統和桃園風井系統兩個大系統的角聯部分，屬于大角聯結構，目前回風點位于南翼西用風系統，系統調整時需要密切注意其風流風向的穩定性，確保通風系統穩定運行。

3.基于MVIS對通風系統進行優化

為加強古城煤礦通風管理，古城煤礦與遼寧工程技術大學合作，通過對全礦井通風系統進行全面普查，礦井通風系統阻力測試，通風系統參數測試及數據預處理，以實測風量和經過計算所得巷道風阻為基準，實測風量為目標條件，對全礦井巷道風阻進行連續的優化調整，使通風網絡模擬結果與實際測定各巷道風量基本符合，建立近乎接近目前礦井通風狀態的仿真系統[6]。該系統為礦井通風日常管理，改擴建等起到了非常重要的作用。現基于MVIS仿真系統對目前礦井通風系統存在問題進行優化和改造。

(1)中央回風井總回風巷改造方案仿真

中央回風井降阻分析，中央回風井井底回風大巷消耗阻力為577Pa，如果能新掘一條并聯回風巷，保證各用風地點風量的情況下，中央回風井總阻力將降低150Pa，風機整體運行工況穩定、可靠、高效，預計通風機功耗將降低105kW，年均節約電費91.5萬元。雖然方案需開掘450m巷道，短期投資較大，但從長期來看，該方案具有顯著的安全經濟效益。

(2)中央回風井總回風巷改造方案仿真

以N1305工作面為例，用風區回風段阻力消耗偏大，為685Pa，這是系統優化重點要考慮的地點。如果回風斷面能增加2m2，如工作面風量不變的條件下，其總阻力降低240Pa。如果系統不調節，工作面風量預計增加280m3/min。

(3)南翼采區用風區阻力分析

以S1301工作面為例，用風區回風段阻力消耗為1801Pa，幾乎占到整個風井總阻力的一半，這是增風降阻系統優化首先要考慮的地點。沿空留巷巷道斷面小是造成其阻力增大的主要原因。其中沿空留巷阻力消耗860Pa，如果加強沿空留巷使回風斷面能增加2m2，如工作面風量不變的條件下，其總阻力能降低430Pa；如果系統不調節，工作面風量預計增加280m3/min。

4.結論

（1）古城煤礦中央回風立井、桃園回風立井的通風系統阻力測定誤差分別為1.55%、0.90%，測定精度可靠，可為礦井通風系統優化改造提供實際數據依據。

（2）中央回風立井回風量為458.01m3·s-1，礦井等積孔9.42m2；桃園回風立井回風量為399.26m3·s-1，礦井等積孔7.97m2；礦井均為通風容易礦井。通風三區阻力計算及分析，得出古城煤礦兩回風井用風區分配阻力占比均在三區阻力中最大，需針對阻力過高區段進行降阻?；贛VIS仿真軟件對通風系統進行了優化和改造，針對礦井存在的問題提出了相應的技術措施，降低了通風耗費，提高了經濟效益。

（3）應全面檢查井下構筑物、老舊巷道進行維護和管理，提高礦井系統有效風量利用率，保障通風系統可靠、安全、經濟。