礦井分區域通風系統優化設計

劉昆輪， 韓耀中， 秦存利， 王剛

(1.神華新疆能源有限責任公司 生產技術部， 新疆 烏魯木齊 830000；2.山東新巨龍能源有限責任公司， 山東 菏澤 274918；3.山東科技大學 安全與環境工程學院， 山東 青島 266590；4.山東科技大學 礦山災害預防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地， 山東 青島 266590)

0 引言

劉興旭[4]針對大屯煤電集團孔莊煤礦礦井通風系統東風井I6和III5采區回風段存在風量集中、阻力大的問題，利用阻力測定和通風網絡解算方法掌握了通風系統現狀及必要的技術參數，對孔莊煤礦東風井通風系統及IV1采區和IV3采區的通風系統進行了優化，降低了南風井和東風井的主要通風機相互干擾的程度，保障了各用風地點風量充足與風流穩定。李文龍[5]對河北唐山開灤林西煤礦進行現場數據測定，利用礦井通風系統優化理論和礦井通風管理信息系統構建林西煤礦通風仿真系統，對通風系統進行仿真分析，提出了清理冒高巷道、斷面優化、降低總回風量、更換通風機等措施，解決了林西煤礦礦井負壓大、有效通風率低的問題，保障了礦井通風系統的穩定性。孟祥浩[6]針對山西潞安礦業(集團)有限責任公司王莊煤礦礦井通風動力與通風系統匹配性差、風流穩定性差的問題，提出了通風動力與通風阻力匹配度概念，對各回風井最大阻力路線的各段阻力和各個回風立井的主要通風機性能等進行了對比分析，得出了王莊煤礦通風系統各回風井通風阻力與通風動力匹配度。結合王莊煤礦目前的實際運行狀況和生產銜接計劃，給出了提高通風動力與阻力匹配度的優化改造方案，利用通風管理信息系統對方案實施后的礦井通風情況進行模擬仿真，提出了修復52專用回風巷，關閉740運輸巷的技術措施，保障了礦井井下風流的穩定性，提高了礦井通風動力與通風系統的匹配度。李偉等[7]針對山西忻州保德煤礦礦井通風系統存在回風段阻力高、通風系統不穩定等問題，對其進行了通風阻力測定，分析了礦井通風阻力分布以及通風系統現狀，提出了清理巷道堆積物、加強風門堵漏，對井巷局部地點的斷面、形狀、拐彎曲度、邊壁的粗糙程度進行優化等建議，解決了保德煤礦通風系統不穩定等問題，保障了礦井的安全高效生產。曹懷軒[8]針對山東濟寧東灘煤礦部分巷道段阻力較高、回風段阻力所占比重偏高、供風路線過長等問題，采用Ventsim三維通風仿真系統軟件建立了通風系統三維仿真模型，通過仿真模擬了東灘煤礦通風系統現狀，提出了針對該煤礦實際情況的優化方案，保障了礦井通風系統的穩定性。高磊[9]針對鐵法煤業集團大興礦南北兩翼分區域運輸大巷風流不穩定問題展開了研究，通過建立全礦井巷道系統3D單線網域的數字模型，運用仿真軟件TF1M3D對大興礦通風系統進行仿真分析，根據礦井工作面主要通風路線上的巷道阻力分布，分析了阻力升高區產生的原因，給出了可行的降阻途徑和措施，解決了運輸大巷風流穩定性差的問題。以上文獻對通風系統存在用風地點風流穩定性差、風量不足、風阻大、有效通風率低等問題的礦井進行了優化調整設計，但大多數通風系統優化設計是針對普通礦井通風系統的，很少有針對分區礦井通風系統的優化設計。而分區通風具有風流互不聯通、風路短、阻力小、漏風少、經濟合理的特點[10-14]，礦井設計為分區通風成為一種趨勢。為此，本文以新疆烏魯木齊烏東煤礦為研究對象，利用通風阻力測定及通風網絡解算的方法對其分區通風系統穩定性進行分析研究，針對系統存在的問題提出了優化設計方案，為類似分區域礦井通風系統優化提供借鑒。

1 礦井概況

烏東煤礦井田內煤層分布于八道灣向斜南北兩翼，其中南區位于八道灣向斜南翼，主采B1-2、B3-6煤層，B1-2煤層平均厚度為37.45 m，B3-6煤層平均厚度為48.87 m，煤層平均傾角為87°，屬近直立煤層；北區位于八道灣向斜北翼，主采43號煤層(即B3-6煤層，下同)、45號煤層(即B1-2煤層，下同)，43號煤層平均厚度為23.39 m，45號煤層平均厚度為27.14 m，煤層平均傾角為45°，屬急傾斜煤層。南北區礦井瓦斯絕對涌出量為26.01 m3/min，瓦斯相對涌出量為6.68 m3/t，CO2絕對涌出量為37.64 m3/min，CO2相對涌出量為9.66 m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為5.65 m3/min，煤巷掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為3.34 m3/min，礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。礦井水文地質類型為復雜型，正常涌水量為286 m3/h，最大涌水量為357 m3/h。礦井煤層自燃傾向性鑒定結果為Ⅱ類自燃煤層。

烏東煤礦礦井通風方式為分區抽出式。礦井分為南北二區，北區由主斜井、副斜井進風，回風立井回風；南區由副立井、副斜井進風，回風立井回風。南區風井總回風量為6 960 m3/min、負壓為650 Pa，北區風井總回風量為7 200 m3/min、負壓為560 Pa。南北二區在+400 m水平通過+400 m水平軌道大巷與+400 m膠帶大巷連接形成角聯風網。目前礦井生產活動集中在南區的+450 m、+425 m工作面，北區沒有生產活動，北區+575 m為備用工作面。

2 礦井通風系統阻力測定分析

2.1 通風阻力測定

2019年10月采用精密氣壓計逐點測定法對烏東煤礦通風阻力進行了測定[15-17]。根據礦井通風阻力測定的原則和要求，結合該礦井實際情況，在北區和南區通風系統各選擇了1條風流路線長、風量大，且能反映通風系統特征的路線作為主測路線。測點要求布置在風流穩定、巷道規整的地點，測點前后支護完好、無雜物堆積，且盡可能在標高控制點附近[18]，測點布置如圖1所示。2條主測路線如下：

圖1 礦井通風阻力測點布置Fig.1 Layout of mine ventilation resistance measurement points

主測路線1(北區+500 m水平東翼43號、45號煤層通風系統)：副斜井口→副斜井內+500 m水平車場前→+500 m水平出車側→+500 m水平東翼45號煤層北巷→+500 m水平東翼45號煤層南巷→2 226 m通風措施巷→+500 m水平東翼43號煤層南巷→+500～+575 m回風上山→+585 m水平總回風→北區回風立井風硐主要通風機前。

主測路線2(南區+425 m水平工作面通風系統)：新副井井口→新副井井底→+400 m水平軌道大巷→+400～+425 m軌道上山→+425 m水平B6巷→+425 m水平B3巷→南區回風立井風硐主要通風機前。

2.2 測定結果分析

(1) 通風阻力分布情況。將通風系統的風路分為進風段、用風段和回風段進行對比分析。2條主測路線的通風阻力分布情況見表1。從表1可看出，與一般礦井進風段、用風段、回風段3∶3∶4的比例相比，2條測量路線回風段的阻力占比高于這一數值，主要原因是主測路線1回風路線過長，占總線路的54.6%，主測路線2回風段通風斷面積小，僅為11 m2。

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表1 礦井通風系統阻力分布Table 1 Resistance distribution of ventilation system

(2) 通風阻力坡度及百米風阻分布。烏東煤礦2條主測路線通風阻力坡度及百米風阻分布分別如圖2和圖3所示。從圖2可看出，主測路線1的2 226 m通風措施巷至+500～+575 m回風上山(測點6—測點8)阻力坡度上升較為均勻，通風阻力由320 Pa上升至390 Pa，+585 m水平總回風至北區回風立井風硐主要通風機前(測點8—測點10)阻力上升較快，通風阻力由390 Pa上升至620.25 Pa，主要原因是風流路線逐漸延長，有效通風斷面減小，風流密度增加，巷道粗糙度增加，摩擦阻力系數增大。2 226 m通風措施巷(測點6)處局部風阻最大。從圖3可看出，主測路線2中的+425 m水平B3巷至南區立風井風硐主要通風機前(測點6—測點7)通風阻力坡度變化較大，通風阻力由192 Pa上升至620 Pa，為局部高阻力段，局部阻力達428 Pa，其余巷道阻力坡度比較均勻。

圖2 主測路線1阻力坡度Fig.2 Slope of resistance of main measurement route 1

圖3 主測路線2阻力坡度Fig.3 Slope of resistance of main measurement route 2

(3) 礦井等積孔。由2條主測路線計算出的北區、南區及全礦井的等積孔見表2。從表2可看出，礦井等積孔較大，總風阻較小，礦井通風難易程度為容易。

表2 礦井通風總風阻及等積孔Table 2 Total ventilation resistance and equal volume holes in mine ventilation

通過對測定結果的阻力分布、阻力坡度、百米風阻分布及礦井等積孔的計算分析可以發現：烏東煤礦通風系統南北2個分區的配風量較大、總阻力比較小，井下風網的阻力分布不合理，回風段阻力值過高，南區占比為74.4%，北區占比為56.5%。但是2個分區的負壓值比較接近，加上礦井自然風壓的作用，2個分區之間的穩定性與平衡性較差。

2.3 通風系統網絡解算

由于烏東煤礦的通風網絡比較復雜，所以，在解算前先對烏東煤礦通風系統進行了適當簡化，合并并刪除了小角聯、聯絡巷、車場等分支，繪制通風網絡圖及各風路節點。依據巷道各分支節點編制通風網絡解算原始數據表，將原始數據表導入通風網絡解算模擬軟件進行擬合，將主要巷道的風量、阻力、風阻等數據調整至收斂，從而得到了礦井通風系統所有的阻力特性技術參數。

2.4 礦井通風系統現狀分析

將阻力測定測得的通風技術參數(摩擦阻力系數、風量、斷面積)等輸入通風網絡解算模擬軟件，微調摩擦阻力系數，對風網進行自動迭代計算，直至風量與礦上實際風量基本一致，從而輸出風量、阻力、風速、通風機工況點等解算結果。結合阻力測定結果以及通風網絡解算結果對烏東煤礦通風系統進行分析，得出以下結論：

(1) 礦井采用分區式通風方式，2個分區的負壓值比較接近，在南北分區主要通風機對拉及自然風壓變化作用下，+400 m水平軌道大巷風量極不穩定，經常出現少風甚至風流反向的情況，對礦井安全生產不利。

(2) 礦井主要通風機效率低，南區為42%、北區為38%，工況點對應的礦井通風阻力值低于高效區阻力值。

(3) 烏東煤礦秋冬兩季自然風壓變化較大，北區自然風壓最大波動大約在65 Pa，北區秋季一天中自然風壓變化值為26.84 Pa，冬季一天中自然風壓變化值為46.43 Pa，影響北區主要通風機的穩定運行，嚴重時出現喘振現象。

3 通風系統優化方案的設計與分析

3.1 通風系統優化方案設計

通過前文分析可以發現，造成烏東煤礦通風系統部分用風地點風量不穩定的根本原因是分區通風使得大角聯分支失穩，自然風壓對礦井北區主要通風機影響嚴重，導致北區主要通風機運行不平穩，嚴重偏離高效區，主要通風機效率大大降低。因此，結合烏東煤礦的實際情況，同時考慮到北區+575 m備用工作面一旦啟封生產后配風量、通風阻力都會有所增大，礦井北區通風阻力、主要通風機運行的效率和平穩性，以及角聯分支+400 m水平軌道大巷少風、風流反向的問題，對通風系統進行優化的思路如下：① 將分區回風改為單翼集中回風，設計的依據是烏東煤礦井下巷道及風井井筒的斷面比較大，風速不會超限，大角聯分支的通風動力由兩端對拉變為單一方向，穩定性增加。礦井總阻力有一定程度的增大，主要通風機效率能夠大大提升，并且自然風壓變化對系統的影響也會減弱。② 考慮自然風壓對主要通風機的影響，對礦井北區采取增阻調節，改變礦井通風阻力特性曲線及主要通風機工況點，以提高主要通風機運轉效率。同時使2個分區之間形成壓差，這樣就能確保大角聯分支風流方向固定以及風量相對穩定。

綜合以上分析提出了以下3個可行的方案：

方案I：施工一條貫通北區+400～425 m回風上山底部與南區立風井井底的回風大巷(斷面16 m2，全長大約1 250 m)，封閉北區回風立井，全礦井由南區立風井回風。

方案II：在方案I的基礎上，控制南區副立井、南區副斜井進風量，使南區用風主要由北區進風井自+400 m水平軌道大巷進入。

方案III：在北區各生產水平施工調節風墻、風門等通風設施，增大北區通風阻力并根據情況提高南區配風量，適當提高礦井負壓，在+400 m水平軌道大巷中增加風量調節設施，加強該巷道的風量監測，避免風量超限。

3.2 通風系統優化方案網絡解算分析

為了預測優化方案的效果，依據礦井通風系統現狀分析中得到的井下風網阻力特性技術參數，并在原有風網解算基礎上建立優化調整的分支，采用已有相似巷道的參數對新建分支進行賦值，對各優化方案進行網絡解算。并且根據井田的巖層特性，對方案中需要掘進施工的巷道費用進行了計算，換算出了每米的施工單價。通風系統優化方案網絡解算結果見表3。

表3 通風系統優化方案網絡解算結果Table 3 Network calculation results of ventilation system optimization schemes

根據網絡解算的結果可知，方案I通過貫通北區+400～425 m回風上山底部與南區立風井井底的回風大巷，封閉北區回風立井，可有效解決+400 m水平軌道大巷風流不穩定的問題，主要通風機效率有少許提升(北區提升6%，南區提升7%)，但方案實施后，礦井的總負壓偏低，為750 Pa，礦井應對自然風壓變化的能力不足。方案II相比方案I，礦井總負壓足夠應對自然風壓的變化，進一步提高了礦井通風系統的安全穩定性，主要通風機的效率也大大提高(北區提升34%，南區提升21%)。方案III依然采取分區通風方式，便于2個分區局部用風地點的臨時調節。北區負壓增加了260 Pa，有利于應對自然風壓的變化，主要通風機的效率也有了明顯提升。+400 m水平軌道大巷在南北壓差的作用下風流方向能夠保持穩定，風量的穩定性也大大增加。

方案I可以在一定程度上解決礦井角聯風網的問題，但是總負壓依然偏低，不利于系統應對自然風壓的影響，并且需要施工1條1 250 m的巖巷。方案II也可以在一定程度上解決礦井角聯風網的問題，礦井總負壓大大提高，有利于系統應對自然風壓的影響，但北區總回風的風速超限，需要擴刷兩巷道斷面，并且需要施工1條1 250 m的巖巷。方案III徹底解決了礦井角聯風網的問題，礦井總負壓也比較大，能夠幫助應對自然風壓的影響，北區各水平增阻調節后，礦井阻力分布相對合理、風流相對穩定。從經濟性、可行性等因素綜合考慮，選定方案III作為烏東煤礦通風系統優化設計方案。

3.3 通風系統進一步優化建議

綜合考慮礦井開拓布置、工程造價、現有通風設施等因素，建議近期在北區各生產水平進行增阻調節，使北區負壓達到820 Pa左右，以應對自然風壓變化的影響，同時在南北區負壓差的作用下，構建風量調節設施，確保+400 m水平軌道大巷風量的穩定性。遠期可根據實際情況考慮施工貫通北區+400～425 m回風上山底部與南區立風井井底的回風大巷，封閉北區回風立井，全礦井由南區立風井回風。

4 結論

(1) 利用通風阻力測定及通風網絡解算的方法對烏東煤礦分區通風系統穩定性進行分析研究，分析得出了如下結論：烏東煤礦礦井通風系統南北2個分區的配風量較大、總阻力比較小，井下風網的阻力分布不合理，回風段阻力值過高，但是2個分區的負壓值比較接近，加上礦井自然風壓的作用，2個分區之間的穩定性與平衡性較差。 在南北分區主要通風機對拉及自然風壓變化作用下，+400 m水平軌道大巷風量極不穩定，會出現少風甚至風流反向的情況，礦井主要通風機效率低，南區為42%、北區為38%，工況點對應的通風阻力值低于高效區阻力值。

(2) 針對烏東煤礦分區通風系統存在的問題，提出了通風系統優化方案：在北區各生產水平施工調節風墻、風門等通風設施，增大北區通風阻力，并根據礦井實際情況提高南區配風量，適當提高礦井負壓，在+400 m水平軌道大巷中增加風量調節設施，加強該巷道的風量監測，避免風量超限。

(3) 在通風系統優化改造后，北區負壓有所提高，利于應對自然風壓的變化，提高了礦井通風系統的安全穩定性，主要通風機效率也有了明顯提升。+400 m水平軌道大巷在南北壓差的作用下風流方向能夠保持穩定，沒有再出現少風、風流反向的問題，風量的穩定性也大大增加，主要通風機運行的平穩性也提高了，證明了優化方案的有效性。