礦井通風系統改造技術探析

馬紅龍

（山東華新建筑工程集團有限責任公司，山東 泰安 271219）

0 前言

礦井通風系統作為建設的重要組成部分，其不僅會影響煤礦的生產效率和建設速度，而且保障員工礦井下作業安全，對行業后續發展有長遠的影響。隨著我國發展建設速度的不斷加快，對各類資源的需求也在逐漸提高，通風系統也發生重大的變化，礦井行業若想與當前時代對接，必須要重視通風系統改造，從而保障礦井安全生產，避免后續工作出現風險問題。

1 礦井通風系統概述

1.1 通風系統組成

礦井通風系統是指礦井通風方式和通風網絡的總稱，分為抽出式、壓入式及混合式3 種，為了能夠保障礦井高效安全地生產，需要對風機、CO 傳感器、交通狀態檢測、火災報警、TC 控制等方面加大關注力度，不斷提高礦井的經濟效益，減少煤礦事故。礦井通風方式分為中央式、對角式、分區式和混合式，在相關建設中需要從基本要求入手，結合礦井生產實際需求，優化系統中的各個組成部分，下面將對礦井通風系統進行探究。

1.2 通風系統應用

通風系統中心計算包括TC 收集CO 檢測器，系統根據報警級別接通風機中心，而計算機和TC 連續地收集并分析來自隧道的數據，通風程序在啟動該洞風機的同時也啟動相鄰隧道洞口處風機，根據交通流的增長趨勢在中心計算機進行設定，如未能達到預先設定的閾值則可以減少風機啟動數量，節約能源消耗。在礦井施工中，部分煙霧可能會通過隧道內橫穿通道進入另外一個隧道，所以需要設置多組風機系統，控制風機的正轉和反轉，保證礦井下的空氣質量。

2 礦井通風系統優化數學模型及理論

2.1 系統網絡結構

礦井通風系統的網絡結構不同，系統的總風阻和總阻力也不相同，可以結合“早分晚合”的原則，降低通風系統總阻力。提前合理布置風流流動線路，在風量相同的情況下，可以計算機通風系統模擬參數，改變通風網絡合理調配風機負擔，提升經濟效益。同時，在優化過程中需要盡量采用并聯網絡，采取新掘巷道或者封閉舊巷道的方法，利用鉆孔的方式從掘進工作面打出一個300mm～500mm 的鉆孔，通過鉆孔將掘進巷道與回風巷接通，保證經濟有效地供風，達到較為理想的降阻效果。

2.2 礦井系統風量

增阻調節法能夠降低巷道同一風路風量，執行中需要清除巷道中局部阻力障礙物，通過降低巷道的通風阻力改變進、回風路線，增加礦井總風量。在礦井通風系統改造中，通過降低進風流溫度縮短風流路線總長度，降低摩擦阻力系數增加風量。礦井根據通風保證巷道內具有清新空氣，工作面所需風量如公式（1）所示。

式中：Q為通風風量；通風時間；為巷道長度；為巷道空氣污染物允許值；P為漏風系數，C為通風系數。

為此實際執行中還可以調整離心式風機前導器葉片角度，通過增大礦井或局部的自然風壓，進一步減少礦井風機能耗，實際應用中的效果明顯。如圖1 所示。

圖1 風壓特性曲線調節

3 礦井通風系統改造的問題

3.1 礦井系統概述

某礦井面積為27.8019km，距市中心區直距22km，礦區走向長度約8.2km，傾斜寬度3.4km，南風井主要擔負著7 采區S2713 工作面、2701 工作面，煤系地層屬石炭系和二疊系，上覆第四系沖積層，井田內斷層較多，造成南二輔助軌道下山風量不足。主扇型號均為離心式通風設備，風流經過各大巷石門進入生產區域，回風入8 個水平回風大巷，如果只通過箕斗井進風不能滿足供風要求，最后由回風井將其排至地面導致風流紊亂，下面將對現存問題進行分析。

3.2 通風側翼問題

采區的通風問題關系到整個礦井未來生產的部署情況，其中9 采區2911 工作面、2902A 工作面，東翼軌道探巷和東翼皮帶探巷掘進工作面等地區的回風任務，有箕斗井專門供給-300 水平淺部的通風，-480 南翼運輸大巷年久失修，所有風量集中在-100 總回風巷，密閉墻受到損壞，存在裂隙導致漏風嚴重，因此需要解決礦井供風困難的問題，保證施工的穩定性。

3.3 通風系統問題

上述礦井的通風系統非常龐大，形成“四進三回”的通風系統，但巷道破壞導致采空區漏風嚴重，雖然在掘進工作面安設了輔助通風機，但是仍然不能解決巷道溫度高的問題，后續通過風量調節設施提高風阻，但相關工作的負荷也隨之增加，9 個掘進工作面需風量短缺4000min/m。為切實解決現存問題，該礦井通過改造解決用風緊張的問題，保證礦井工作安全有序地接替。

4 礦井通風系統改造技術的應用策略

礦井通風系統作為生產中的重要組成部分，與效益、安全等方面有直接的關系，因此需要結合實際情況進行改造，下面將結合上述礦井總結技術策略。

4.1 制定系統改造目標

上述礦井在通風系統改造前進行了布局規劃，保證系統能夠與現有生產系統相匹配，通過現場經驗和前人的總結，當前系統需要增加風量，對局部風量進行調節，為避免造成礦井通風阻力過大的問題，風機能力要與實際生產相適應。通風系統布置不合理可能在開采中出現風流不穩定的情況，為此在布局規劃中對通風網絡結構方面加大了關注力度，斷面面積每增大33%就需要相應地增加通風阻力，將整體系數控制在90%以上，使通風阻力與巷道的長度成正比，避免出現通風被動局面，使通風系統的調整工作滿足生產計劃的需要。

4.2 建立通風系統模型

通風井巷斷面優化作為一項礦井通風節能技術，需要結合多種因素確定最優斷面，井巷掘進費、服務維護費必須要滿足風速極限，確定斷面后續操作的可行性。受通風井巷的影響，在選擇斷面時需要從節能方面入手，考慮到掘進費和通風動力費主要與巷道斷面有關，在優化中相關參數必須進行詳細計算，通過C=C××進行計算，其中C為單位體積掘進深度；為巷道斷面積；為巷道長度，最終有效確定通風系統改造信息。

對礦井通風系統優化來說，需要預先確定礦井的通風阻力，公式為=×，當礦井總風阻不變按風量平方的倍數增加，分支阻力也需要按風量平方的倍數增加，礦井通風阻力越小越接近平衡。通風巷道的風阻（kg/m）（m）、斷面積（m）、周長（m）和風道的支護形式等參數，礦井總阻力取決于各分支阻力和網絡結構，它們之間的關系如公式（2）所示。

為此需要保證消耗能量和風阻成正比，避免出現通風系統負優化的情況。

4.3 優化通風系統改造過程

礦井通風系統改造較為復雜，且自身涉及的標準規范更多，因此在改造過程中，需要將工作分為2 個層次，以此合理布設通風設施，在擬定新方案后需要送至相關部分進行全方面審核，然后進行調整，解決通風系統的問題，改善礦井的通風狀況。在工作時需要有目標、有計劃、按步驟進行，按照先挖潛后擴建、先易后難的原則，在各方案之間選擇最優通風系統，擬訂方案的風網內部調節優化，如需要購置新設備則需要進行審核，在實行最優調節的基礎上，保障系統后應用的安全與穩定性，技術改造的過程如圖2 所示。

圖2 通風系統技術改造過程

4.4 建立通風仿真系統

上述礦井計算尖部通風阻力，在巷道中兩測點各安置一根皮托管，用風表在兩測點分別量出表速，從兩測點獲取對應的讀值，測試采用電子壓差計法，將測得的基本數據與各項參數對照，然后查看溫度和風流的絕對靜壓。皮托管布置于巷道中心，管軸與風向平行，連同井巷在末點安放壓差計，在兩測點附近分別測出風流，測算出兩測點的空氣密度，獲取壓差計之間的靜壓差和勢能差。

系統（MVIS）以解算調節為核心，內部設有礦井需風量計算模塊，實際應用中可以實現通風網絡調節，在該過程中應進行通風阻力測試，結合實際情況進行回路計算與調節，然后將通風系統圖形和數據無縫連接，集成礦井通風系統阻力測試，為后續仿真系統優化提供數據支持。基于網絡共享數據，礦井與礦井通風系統無縫關聯，通風網絡解算與調節中應提供系統圖，然后在工作面推進巷道長度變化仿真；新掘進風井、回風井仿真，在該過程中需要做好地面主扇選型與多風機聯合運轉分析，在應用過程中進行通風系統調節評價，獲取當前風流中的瓦斯濃度，最后生成仿真分析報告，為后續工作開展提供幫助。

上述礦井底圖繪制生成系統圖，利用網絡優化理論，保證網絡圖的拓撲關系保持一致，接著檢查仿真系統圖的連通性，經過反復的調試對比，對仿真系統進行風量調節、增阻調節，將誤差降到允許范圍內。將測量數據輸入MVIS 后，需要查看當前系統中數據是否缺項，然后將測量數據與礦井風量報表進行反復對比，將實測數據的誤差控制在允許范圍內，如存在問題需要進行反復調試與確認，最終得到礦井通風仿真系統，提高后續應用的可靠性。

4.5 通風系統安全優化

礦井通風系統兼顧事故后排風，風量須＞5 次/h 的換氣要求，在設計中可不考慮最小新風量，處理需要經表冷器冷卻后送入室內，根據傳熱公式設定參數為=15.4℃、=42.1kJ/kg，保證房內基本沒有濕負荷，使室內的相對濕度達到95%，從而承擔室內全部熱負荷。室內設定需要消除多余熱量，在該基礎上需要確定室內狀態點參數，根據實際情況可以選用137.4kW 的機組。

在GIS 室內，礦井通風系統分為平時通風和事故通風兩部分，按換氣4 次/h 計算，防止因礦井下有毒有害氣體而埋下安全隱患，在設計中需要對通風系統單獨設置。GIS 室通風可以按連續運行設計，日常通風由下部排風模式保證，在設計中也需要采用雙速風機，如出現緊急事故可以開啟高速工況通風，日常則開啟低速工況通風。

礦井通風系統在無風場的狀況下，需要對進排風口進行設置，了解當前礦井下的所需換氣量=/[（-）]kg/h），進風口與排風口氣流之間的空氣溫度影響大。為此需要結合實際改變氣流的方向及速度，使進排風氣流的流動路徑合理，一般規定進風量為排風量的60%左右，可設置進風機為雙速風機，盡量將排風井對進風井的影響降到最低，滿足井下通風量的實際需求。

礦井通風系統位于地下，在結構安全方面應進行考慮，通風換氣為設置氣體滅火啟動系統，在事故發生時及時關閉相應房間的Flail 電動防火閥，滅火后打開SPF 及補風口。同時需要建立分區式通風系統，保證礦井安全有序的進行接替，使系統能夠在發生危險時自動開啟并進行報警，事故發生時啟動全部防火閥，日常防火閥可用于通風，事故結束時關閉通風系統，實時控制阻止火勢蔓延。

4.6 通風系統網絡優化

礦井通風網絡中包括多個系統，在實際改造技術應用中需要進行分析，掌握通風網絡內風流變化的規律，如果全礦風量一定，在不考慮采用機械通風的情況下，要解決的是主要通風機的最小風壓和各調節分支的調節量，當各個通風機負壓相等時，按照自然分風功耗進行改造，確定安設調節風窗的分支。在控制分風網絡中，可采取調控措施平衡差異，對幾個子系統網絡進行計算，通過調節裝置進行全網阻力調平，最終采用分解解算來解決這類通風網絡的分風問題，使所有分支的風量都成為已知參數，滿足礦井通風系統需求。

5 結語

在了解礦井通風基本理論后，需要對通風指標進行測定，采用理論與實際結合的方法，得到的解算結果用于指導礦井的礦井通風管理，以此進行相應的技術改造與優化。為了解決礦井供風不足以及整個礦井用風緊張的問題，要求對測試數據進行整理和分析，采用計算軟件對礦井各個方案進行計算，將計算風量與風壓誤差控制在5%以內，經過上述改造后能夠滿足《煤礦安全規程》的要求。同時，上述礦井在改造中進行了分區域通風優化，充分利用現有的聯絡巷進行改造，在礦井臨時通風設施改造前進行分區布局調整，盡量減少巖巷作業和揭煤作業工程，經優化改造后的通風系統不僅可以有效縮短施工時間，且能夠提高整個深部水平通風條件，希望能夠為類似的工程提供參考。