煤礦通風系統的優化與應用

韓 敏

（華陽集團智能礦山事業部通風部， 山西 陽泉 045000）

引言

煤礦通風系統的作用是通過通風機向礦井下源源不斷的輸入新鮮空氣，保證氧氣濃度符合工作人員呼吸、機械設備運行正常，并檢測一氧化碳等有害氣體濃度，當有害氣體濃度達到某一閾值時檢測器及時預警，防止因有害氣體超標而造成的人員傷亡，保障煤礦井下工作人員的生命安全，確保設備正常運轉，是煤礦生產安全有序進行的重要前提。合理對通風系統進行優化，才能發揮通風設備的能力。本文以山西省某礦區煤礦通風系統為例，介紹其優化與應用。

1 某礦井與通風系統概況

某礦井為基本建設礦井，位于太行山東麓，井田南北走向長10.5 km，東西傾向寬6.9 km，面積為70.8 km2，分兩區域開采。一分區裝備BD-II 系列軸流對旋抽出式主通風機，電機功率355 kW，額定風量74～210 m3/s，額定風壓350～3 200 Pa。二分區裝備FBCDZ 系列軸流對旋抽出式主通風機，額定風量為152～324 m3/s，額定風壓為1 087～3 767 Pa。兩分區采用的主通風機均為兩套，一套正常運轉，一套備用。該礦井風量需求為29 015 m3/s，而風量供給僅為24 687 m3/s，完全無法達到風量需求。

2 通風系統優化

2.1 優化通風設備

優化通風設備主要是指對主通風機及其他通風系統中配套設備的優化。該煤礦巷道在一天之中的不同時間段對于風量的需求并不相同，主通風機可以從以下途徑解決這一問題，即可以通過調節通風量，降低風量大小來形成一個最優化的風量，適應煤礦井下對于通風的具體需要。在此過程中，要在改進過去傳統調節方法的基礎上進行優化，拆除老舊設備，更換最新風機，對該礦BD-II 系列、FBCDZ 系列主通風機，調整風機內部葉片的角度（見圖1），確保影響通風量優化的各個因素與環節不出問題。在該煤礦過去通風過程中，電能過度使用也是一大弊端。因此在技術進步的背景之下，為了降低電能使用量，對于配件復雜的主通風機實施技術優化，更需要將主通風機以一個合理且高效率的技術方式與井下通風系統相融合。同時，在管理方面，管理層應當明確管理責任，建立健全管理制度，確保監管到位，認真落實具體管理要求，設備檢查尤其是對主通風機的檢查常態化，在煤礦巷道作業時間保證各個環節正常運轉，使通風系統達到最優化的理想狀態。此外，還應當注意巷道內作業安全，配套安裝更新氣體檢測設備，對于有毒有害氣體進行實時監測，并為其專門設置氣體通道，不僅利于通風系統發揮作用，還可保證井下技術人員施工的安全以及整個工作流程的順利進行。

圖1 BD-II 系列通風機葉片

2.2 優化通風阻力

通風阻力是指通風機在通風過程中所受到的阻力大小，分為巷道總阻力與支巷道阻力。支巷道阻力是某條支巷道所受到的通風阻力大小，所有支巷道所受通風阻力大小的總和即為巷道總阻力大小。計算礦井巷道總通風阻力的公式為[1-2]：

式中：f 為礦井巷道通風阻力；Q 為通風量大小。通過式（1）可知，礦井巷道通風阻力的大小與通風量的平方成正比關系。即在相同條件下，通風阻力與通風量成二次函數對應關系，通風量越大，礦井巷道通風阻力越大，且隨著通風量地不斷增大，阻力增加速度會不斷加快。

計算支巷道通風阻力的公式為：

式中：R 為礦井支巷道通風阻力；λ 為阻力常量；L 為巷道長度；U 為巷道橫截面周長；S 為巷道橫截面面積。

由式（2）可知，巷道長度越長、巷道橫截面周長越長、巷道橫截面面積越小，礦井支巷道通風阻力越大。

根據上述兩種通風阻力的計算公式，可以分別得到兩種阻力的優化方式。減小巷道總阻力，應盡量減少通風量，但是減少通風量的前提條件是需要保證氧氣供應充足并且有害氣體濃度不超標。根據支巷道阻力公式，減小分子或增大分母均可減小礦井支巷道通風阻力，減小分子即減小巷道長度、減小巷道橫截面周長；增大分母即增大巷道橫截面面積。但是在煤礦實際生產過程中，巷道橫截面會根據實際開采需求設計，無法輕易改變，因此，減小支巷道通風阻力，只能從支巷道長度入手，應盡可能避免使用較深巷道。

同時，通風阻力還受巷道網絡結構影響，巷道間使用串聯、并聯等不同結構所受阻力大小也不相同。巷道間網絡結構盡可能采用并聯方式，減少使用串聯方式，在并聯位置在總進風口與總回風口之間，可減少通風阻力。

2.3 優化通風網絡

礦井通風系統中的通風網絡指的是巷道、車場等所有與作業相關的通道或工作面交叉連接所形成的網絡，在該網絡中，風流流經每一條路線。通風網絡結構復雜，但基本是由串聯與并聯兩種形式構成，也就是說，可以將通風網絡拆分為每一個串聯單元與并聯單元所組成的基本網絡。其中，串聯是指風流直接從某一巷道進入下一巷道，沒有分支情況出現；并聯是指風流在某一巷道處產生分支，進入兩個或多于兩個支巷道中，之后又經多個支巷道匯入同一巷道中去。合理設計、優化通風網絡，分析計算每一支巷道進風量大小、通風阻力大小，判斷進風量是否滿足所需風量要求，并把控風壓，這對提升通風效果有重大影響。近年來，在對通風網絡進行優化研究中，通常使用分支界定法選取通風網絡模型。通過該算法得到的通風網絡模型每一支巷道風量大小均較為合理，整個網絡風量達到理論上的最優，同時能耗、成本損失可以降到最低。在通風網絡模型基礎上，結合該煤礦實際情況，對網絡中的支巷道、工作面、車場等設計進行微小調整，使其更加具有針對性。此外，還需考慮一般型通風網絡，在當前通風網絡中，部分支流已經確定，部分支流未確定，未確定部分需要根據煤礦生產實際需求進行設計。針對該種通風網絡，應結合所需對支流未確定部分進行線性規劃，求出最優解，并在適當位置安裝風窗、風機等設備[3-4]。

3 通風系統優化應用

該煤礦通風系統中部分巷道結構簡圖如圖2 所示，其中軌道巷通風阻力R1為0.45 N，舊巷道通風阻力R2為0.30 N，假設通風量為38 m3/h，則通過巷道通風阻力計算公式計算可得：f=R1Q2=0.45×382=649.8 Pa。

圖2 某礦區巷道通風簡圖

通過上述優化方式，采用并聯形式對通風阻力進行優化，如圖3 所示。

圖3 某礦區巷道通風優化簡圖

在該通風系統巷道網絡結構該段使用并聯方式后，通風阻力將大幅減小，該支巷道通風阻力大小為：

根據巷道通風總阻力計算公式可得總阻力大小為：f=RQ2=0.091×382=131.4 Pa。

優化前通風阻力大小為649.8 Pa，優化后通風阻力大小為131.4 Pa，阻力減少將近達到80%。同時，對主通風機、配套設備、通風網絡進行優化，風量供需如表1 所示。

表1 礦井通風系統優化后通風情況

4 結語

針對某煤礦通風效果較差問題，對該煤礦通風系統主要從通風設備、通風阻力、通風網絡三個方面進行優化。其中優化通風機是指調節通風機尤其是主通風機的工作性能，結合新技術，降低能耗與成本損失，提高通風效率。優化通風阻力是通過通風阻力與巷道長度、通風量的比例關系，盡可能減少深巷道的出現、在通風量可滿足工作人員、井下機械設備所需的前提下盡可能減小通風量，同時多使用并聯支巷道代替串聯巷道，減小通風阻力，優化通風系統通風效果。優化通風網絡是指在巷道、車場、工作面等組成的通風網絡設計過程中，合理布局規劃，可使用分支界定法等算法選取最優網絡模型，并根據實際安放風窗、風機等。在該煤礦生產中可以發現，結合使用三種優化方式，煤礦通風系統風量提升22.91%，滿足現階段礦井風量需求。