煤礦通風系統風流穩定性影響因素分析

張亞龍

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

通風系統是確保煤礦井下生產安全的基礎，其構成包括地面主要通風機、通風巷道、通風設施、相關的風流監測及控制系統等[1-2]。在正常生產期間，通風系統是為井下各用風點提供足夠的新鮮空氣并稀釋瓦斯、粉塵等有害物質濃度，為井下作業人員提供相對良好的工作條件；當井下出現安全事故時，通過控制通風系統風流方向及大小，并與其他措施相配合，可避免事故擴大化[3-5]。

1 煤礦井下通風系統特點

1.1 動態性

煤礦井下通風系統結構隨著煤炭的開采逐漸發生變化，采掘作業不斷推進、接替，采區準備、開拓、生產、封閉等會使通風系統在網絡結構上出現動態變化。同時煤炭采掘作業時產生的瓦斯、高溫及煤塵等均會給通風系統造成一定的影響。此外，在采掘作業中采動動壓不斷地變化，通風系統中的巷道在采動壓力下斷面出現變化、部分區域出現冒頂，都會給通風系統的正常運行帶來影響；通風設施在采動影響下出現變形，造成漏風率增加；通風設備銹蝕、磨耗及性能衰減等會使通風系統運行狀態出現變化[6]。因此，通風系統會隨著礦井生產動態發生變化，具有動態性特征。

1.2 復雜性

煤礦井下通風系統運行時受到諸多因素的影響，是一個相對復雜的系統。

特別是對于開采范圍大或者進入后期開采的老礦而言，井下通風巷道長度達到200 km、通風設施數量達到100 個以上、用風點超過40 個、網絡分支可達600 條以上、通風網絡節點在500 個以上，通風系統整體較為復雜[7]。

2 影響通風系統穩定性的因素

影響通風系統穩定性的因素有多種，重點從通風設備、通風網絡及自然風壓等方面進行了分析。

2.1 通風設備

通風系統中的通風設備包括主要通風機、局部通風機等，主要通風機工作性能的變化會導致整個通風系統風量、穩定性出現波動；井下巷道內布置的局部通風機數量、工作性能出現變化會導致鄰近通風網絡中其他分支風量出現變化，并影響風網內其他通風機運行工況。當通風系統中其他設施不經濟或者無法滿足需要時，可通過局部通風機給通風網絡分支中增加動力，從而改變通風網絡分支中某風量，進而確保通風網絡中各用風點風量滿足需要。

2.2 通風網絡

井下掘進的巷道構成了煤礦通風系統通風網絡，風流在巷道中流動滿足煤礦生產需要。通風網絡主要結構包括通風構造物、巷道等。

通風網絡是通風系統的重要組成部分之一，通風網絡圖是分析通風網絡的依據，通風網絡圖是由分支的集合及點的集合組成。當部分巷道年久失效或者在地壓、動壓或者地質條件等因素影響下出現斷面嚴重收縮變形時，會明顯增加通風網絡通風阻力，嚴重時會導致井下用風點風量不足，通風能耗增加。

2.3 自然風壓

煤礦井下通風系統與大氣直接連通，大氣氣壓出現變化會直接影響井下通風系統。特別是地面空氣溫度出現變化后會影響井下通風系統風流溫度，從而影響井下空氣密度，在不同巷道位置形成由于空氣密度差異而引起的重力差，從而給通風系統運行帶來一定影響。一般情況下，在夏季由于地面空氣溫度較高、自然風壓為負，對井下通風系統造成一定的不利影響；在冬季時由于空氣溫度較低，從而自然風壓為正，可在一定程度上有助于礦井通風。

2.4 井下事故

當生產時巷道、采場等出現大面積坍塌，井下出現火災、瓦斯爆炸等安全事故時，會給通風系統穩定性造成較大威脅，同時通風系統穩定性出現變化會進一步加劇對井下安全事故的影響。井下出現的安全事故會導致通風網絡風阻發生變化、通風設施漏風等，同時部分事故會直接摧毀通風回路嚴重時導致的主要通風機反轉。

2.5 井下生產

煤礦井下生產包括采掘、運輸、巷道密閉等。大型機械設備在巷道、采場內運行時會在設備前后方形成負壓，從而形成渦流。巷道內的大型設備不僅會形成通風阻力，而且會給通風系統風流、風向造成一定影響。此外，井下掘進巷道或者采面內采用的松動爆破，會給通風系統穩定性造成一定影響。爆破后形成的沖擊波會降低巷道圍巖穩定性，嚴重時會導致巷道坍塌，從而使得某一通風風支中風阻出現明顯變化，同時爆破后產生的有毒氣體會使井下空氣質量明顯惡化。

3 通風系統穩定性判斷依據

當通風網絡中某條分支通風風阻Ri出現一定增量△Ri時，通風阻力的增加給鄰近通風分支中風量Qj帶來的影響fj滿足公式（1）：

式中：fj直接表征風路的穩定程度。

設定

式中：Qj'表示通風網絡中通風阻力發生變化后第j條通風支路風流量；Qj為通風阻力無變化時第j 條通風支路風流量；n 為通風支數。

從公式（1）（2）可看出，當fj接近1 時，通風分支風流穩定性相對較好；當fj接近0 時，通風分支風流穩定性相對較差；當fj值小于0 時，則表明該通風分支風量方向逆轉，該通風分支通風穩定性最差。通過上述分析，可對通風系統中各通風分支穩定性進行分析，從而掌握穩定性較差的通風回路，針對性地進行改造。

4 結論

1）影響煤礦通風系統穩定性的因素繁多，在煤礦通風管理中應考慮通風系統復雜性、動態性特征，采取必要的措施將通風系統保持在穩定狀態，從而為煤礦井下采掘作業創造良好的工作條件。

2）在通風管理中避免在主要進、回巷道中布置增加通風阻力的通風設施，主要是主要進、回風巷對井下通風系統穩定性有顯著影響。當通風設施出現故障或者損壞后，會給井下其他用風點造成顯著的不利影響。

3）在日常通風管理中定期對通風系統穩定性進行分析，拆除后續不再使用的通風設施，從而降低煤礦井下通風系統阻力，提升通風系統穩定性；定期對通風系統進行優化，降低通風系統復雜程度，同時降低通風系統調節次數，確保礦井通風系統平穩運行。