開拓煤業兼并重組原主扇匹配性分析及主扇選型研究

＊王雪江 陳虎斌

（山西潞安集團蒲縣開拓煤業有限公司 山西 041200）

引言

根據山西省煤礦企業兼并重組整合工作領導組辦公室文件批復，同意山西蒲縣開拓煤礦有限公司、山西蒲縣道子里煤業有限公司（已關閉）兼并重組為山西潞安集團蒲縣開拓煤業有限公司，井田面積2.8084km2，批準開采井田內2號、3號、11號煤層，生產規模450kt/a。為構建低碳、環保的礦山工業系統，充分利用礦井已形成的井巷工程和井上、井下生產系統和通風系統，以最小的投資獲取最大的經濟效益和社會效益。礦井主扇是煤礦生產中的重要設備之一，它擔負著向井下輸送新鮮空氣、排除有毒有害氣體、創造良好生產環境、確保礦井安全的重任。通過對原主扇與未來通風系統的匹配分析，為主扇選型提供科學依據。

1.礦井概況及原主扇性能概述

礦井概況：井田開拓方式為斜井立井混合開拓，利用原開拓煤礦主斜井作為兼并重組后主斜井，新建副斜井、回風立井。主斜井擔負礦井提煤任務，為礦井的進風井和安全出口之一；副斜井擔負礦井人員升降、提升矸石及清理撒煤、下放材料、設備等輔助提升任務，為礦井的進風井和安全出口之一；回風立井裝備梯子間，擔負礦井回風任務，兼作安全出口。

根據煤層賦存情況，2號、3號煤層層間距為4.22m，距離較近，適宜劃為一個煤組；3號、11號煤層間距為93.78m，距離較遠。為此，設計將全井田劃分為兩個水平進行開采，即2號、3號煤采用聯合布置，劃分為一個水平，11號煤單獨劃為一個水平。煤層之間開采順序為先上后下依次開采。

采區劃分：所采煤層傾角較平緩，屬近水平煤層，地質條件簡單，根據煤層賦存情況，設計將2號煤劃分為3個采區；將3號煤劃分為1個采區；將11號煤劃分為2個采區。

原主扇情況：礦井兼并重組前已有FBCZ-6-16B型軸流式通風機兩臺，該風機的風量范圍Q=1140～2820m3/min，負壓范圍h=200～1050Pa；配用YBFe280M-6型防爆三相異步電動機，功率為55kW，轉速ne=980r/min。

2.原主扇匹配性分析依據

(1)各煤層回采工作面瓦斯涌出量

煤層瓦斯基本參數包括煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、鉆孔自然瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數、煤層透氣性系數、煤的工業分析、瓦斯吸附常數、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、堅固性系數及鉆孔瓦斯組分等參數。煤層瓦斯基本參數的測定結果為礦井瓦斯涌出量預測提供基本條件及主要參數的確定提供依據。礦井瓦斯涌出量預測的依據是 《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ1018-2006），采用的方法是分源預測法。礦井瓦斯涌出構成關系如圖1所示。

圖1 礦井瓦斯涌出構成關系圖

根據礦井瓦斯涌出量預測報告可知，2號煤層綜采工作面年產30萬噸時瓦斯絕對涌出量為0.18m3/min。

當2號煤層回采工作面年產量達到45萬噸時瓦斯絕對涌出量為0.27m3/min；

3號煤層回采工作面瓦斯絕對涌出量為0.51m3/min；

11號煤層回采工作面瓦斯絕對涌出量為2.63m3/min。

(2)各煤層掘進工作面瓦斯涌出量

2號煤層掘進工作面瓦斯絕對涌出量取實測值，掘進工作面瓦斯絕對涌出量為0.04m3/min；

3號煤層掘進工作面瓦斯絕對涌出量為0.44m3/min；

11號煤層掘進工作面瓦斯涌出量1采區為1.69m3/min，2采區為1.50m3/min，3采區為1.49m3/min。

(3)各煤層用風點設計配風量

基于《山西潞安集團一通三防管理制度》中礦井需風量計算辦法，采掘工作面實際配風量應按瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、爆破后的有害氣體產生量、工作面氣溫、風速和人數等規定分別進行計算，然后取其中最大值。其中按瓦斯涌出量計算：

式中：Q采—采煤工作面需風量，m3/min；

q采—采煤工作面瓦斯絕對涌出量；

kCH4—采煤工作面瓦斯涌出不均勻系數，正常生產時連續觀測1個月，日最大絕對瓦斯涌出量和月平均日絕對瓦斯涌出量的比值，無統計值最低取1.8。

考慮礦井通風系統形成過程中，礦井各時期主要用風點配風情況如下：2號煤層回采工作面682m3/min，備用工作面341m3/min，掘進工作面214m3/min；3號煤層回采工作面564m3/min，備用工作面282m3/min，掘進（巖巷）工作面214m3/min，掘進（煤巷）工作面311m3/min；11號煤層回采工作面1231m3/min，備用工作面616m3/min，一采區掘進工作面317m3/min，二采區掘進工作面281m3/min，三采區掘進工作面280m3/min；硐室及其他采區變電所120m3/min，中央變電所120m3/min，消防材料庫120m3/min，其它巷道用風800m3/min。

(4)各煤層巷道風阻參數

對于已有巷道，根據2021年度礦井通風阻力測定報告其風阻取實測值；對于未形成的設計巷道，取本礦相同物理參數的已有巷道的實測值；其它情況，結合潞安集團公司其它礦井同類型巷道百米風阻經驗值取值。

3.礦井投產后各煤層開采期間分階段通風系統匹配性研究

(1)礦井多煤層分步開采情況

階段一：按設計生產能力投產后首采工作面回采時期通風系統；

階段二：2號煤層向3號煤層過渡時期通風系統；

階段三：3號煤層通風困難時期通風系統；

階段四：3號煤層向11號煤層過渡時期通風系統；

階段五：11號煤層通風困難時期通風系統。

(2)礦井多煤層分步開采用風量布置情況

階段一：礦井首個綜采工作面回采時，考慮2號煤層布置一個綜采工作面和一個掘進工作面，3號煤層布置三個掘進工作面；

階段二：礦井2號煤層資源枯竭向3號煤層過渡時期，考慮2號煤層布置一個回采工作面，3號煤層布置一個備用工作面和兩個掘進工作面；

階段三：此時期的礦井通風系統，考慮3號煤層布置一個回采工作面，一個備用工作面和兩個掘進工作面；

階段四：礦井3號煤層資源枯竭向11號煤層過渡時期，考慮3號煤層布置一個回采工作面，11號煤層布置一個備用工作面和四個掘進工作面；

階段五：對于此時期的礦井通風系統，考慮11號煤層布置一個回采工作面，一個備用工作面和四個掘進工作面。

(3)礦井多煤層分步開采通風系統預測分析

按照上述分階段用風點布置時，通過網絡解算分析各時期主扇運行工況預測如下：階段一：主扇工況參數為負壓550Pa，排風量2834m3/min；階段二：主扇工況參數為負壓330Pa，排風量2870m3/min；階段三：主扇工況參數為負壓500Pa，排風量2769m3/min；階段四：主扇工況參數為負壓460Pa，排風量4736m3/min；階段五：主扇工況參數為負壓1470Pa，排風量5258m3/min。

(4)礦井多煤層分步開采礦井原主扇匹配分析

從階段一到階段五：礦井各時期預測工況范圍為負壓h=330～1470Pa，最大配風量范圍為Q=2769～5258m3/min；對比原主扇負壓范圍h=200～1050Pa，風量范圍Q=1140～2820m3/min。

經過對各時期通風系統網絡解算分析可知，礦井原有兩臺FBCZ-6-16B型軸流式通風機不能滿足礦井兼并重組后通風要求，需重新選擇滿足各時期通風要求的主扇。

4.回風井主扇選型

根據以上對礦井各階段開采時期通風系統進行網絡解算分析，新回風井主扇需滿足的各時期工況列表如下：

表1 新回風井主扇需滿足的各時期工況

根據新回風井主扇需求工況，按風機能力留有10%余量（安全生產行業標準AQ1028-2006）的原則，對主扇需滿足的工況進行修正后作為主扇選型理論參考工況（風壓修正系數1.1，風量修正系數1.1）；同時考慮到主扇個體特性與理論特性的差異，實際的主扇選型工況參數宜在理論工況基礎上擴大10%；另外，對于開拓煤業礦井，參考工況的標準狀況壓力參數可換算為現場壓力參數×1.15。進行以上各項修正后的主扇選型工況見表2。

表2 新回風井主扇選型工況表

按照以上主扇選型工況參數表，繪制主扇選型參考工況圖，見圖2。

圖2 新回風井主扇選型參考工況圖

圖中①標、②標、③標、④標、⑤標為標況參數工況點，主扇選型時，必須考慮以下幾點，最終主扇型號需由廠商與礦方具體確定：

（1）參照廠商提供的風機性能曲線進行選型時，需考察各標況參數工況點，主扇性能曲線應盡量符合以下（3）（4）（5）點要求；

（2）主扇安裝好后必須進行性能測試，需考察各現場參數工況點，主扇實測性能曲線應盡量符合以下（3）（4）（5）點要求；

（3）各工況點應在最小葉片角度性能曲線右側、次最大葉片角度性能曲線左側的合理、穩定工況范圍內；

（4）主扇最高風壓必須超過最高風壓工況點風壓值的20%；

（5）各工況點應盡量位于主扇性能曲線高效區內。

按某些主扇風機廠商提供的主扇性能曲線與上述選型工況點進行比選，主扇型號最小應為FBCDZ№21（輪轂比0.54、轉速740r/min、額定功率2×185kW，合理穩定工況范圍風量4158～8310m3/min），最終型號還應由廠商具體確定。

5.結束語

（1）多煤層開采過程中主扇匹配性分析應結合礦井實際生產情況，多煤層之間的過渡是確定通風困難時期的難點，如果未對多煤層聯合開采考慮，將導致未來煤層開采接替期間主扇風量不足，最終導致采掘失衡。

（2）新建礦井主扇型號的合理選擇至關重要；既能保證礦井建設全壽命周期內的風量需求，又能使得礦井整個通風系統安全穩定運行，還能保證主扇運行的高效性和安全性，從而獲得巨大的經濟效益和社會效益。

（3）本次研究充分考慮開拓礦建設周期內各階段通風困難時期的通風系統，經過與原主扇的匹配性分析，確定原主扇性能無法滿足未來全礦井通風需求；并根據本次研究結果確定了回風井新主扇型號，為礦井初步設計中主扇設備選擇提供了理論依據。