古城煤礦鮑店風井投運預測分析

紀 宇

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

古城礦井采用斜立混合開拓方式，達到800萬t/a生產能力時，共布置5個井筒，即在主井工業場地布置主斜井，在副井工業場地布置副立井和中央回風立井，在桃園風井場地布置桃園進風立井和桃園回風立井。其中主斜井擔負煤炭提升任務，兼作進風井及礦井安全出口；副立井擔負礦井全部人員、材料和設備的升降，兼作進風井及礦井安全出口；中央回風立井擔負北一、北二和北三盤曲的回風任務，兼作礦井安全出口；桃園進風立井擔負南一、南二和南三盤曲的進風任務，兼作礦井安全出口，預留整體提升大采高綜采支架等超大件的條件；桃園回風立井擔負南一、南二和南三盤曲的回風任務，兼作礦井安全出口。根據采區銜接計劃，古城煤礦為解決礦井遠端北二盤曲與北四盤曲通風問題，計劃投運一對進回風井。在已建立好的仿真系統基礎上，針對新風井投運后形成的新系統，分別從通風容易時期和通風困難時期進行通風系統預測分析。

1 礦井通風管理信息系統

為提高通風管理水平，古城煤礦與遼寧工程技術大學合作，通過對全礦井通風系統進行全面考查、礦井通風系統阻力測試、通風系統參數測試及數據預處理，以實測風量和經過計算所得巷道風阻為基準，實測風量為目標條件，對全礦井巷道風阻進行連續的優化調整，使通風網絡模擬結果與實際測定各巷道風量基本符合，建立近乎接近目前礦井通風狀態的仿真系統[1-2]。

2 需風量計算與新增巷道參數確定

對于新風井投運的通風系統預測工作，首先需要確定礦井需風量與新增巷道的風阻值，在此基礎上分別建立通風容易時期與通風困難時期智能通風設計系統進行預測研究[3-4]。

2.1 新增巷道參數確定

由于新通風系統暫未形成，無法進行通風阻力測定，礦井各盤區大巷支護形式、巷道斷面積基本一致，新設計巷道參數參考典型巷道風阻值進行了確定[5]，確定結果見表1.在此基礎上分別建立了古城煤礦通風容易時期與通風困難時期系統預測模型[6]。

2.2 容易時期通風系統預測

2.2.1 風量分配分析

1) 生產布置及用風地點配風量。北二采區：布置3個掘進工作面，分別為N2323掘進面輔助運輸巷(2 400 m3/min)、N2321掘進面膠帶輸送機巷(2 400 m3/min)、西翼輔助運輸大巷巖巷掘進(1 200 m3/min)。布置3個工作面，分別為N2315回采工作面(3 600 m3/min)、N2317備用工作面(2 400 m3/min)、N2319備用工作面(2 400 m3/min)。

2) 通風容易時期仿真分析。根據以上采掘布置，為滿足以上采掘生產要求，進行通風系統仿真。容易時期仿真系統布置如圖1所示。

圖1 通風容易時期仿真系統圖

3) 通風系統阻力分析。鮑店風井投運后，對通風系統容易時期總阻力進行計算，總阻力為2 786 Pa，最大阻力路線在N2315采煤工作面。得到通風容易時期鮑店回風井參數：風量390 m3/s，阻力2 786 Pa，等積孔8.79 m2，功耗1 086.54 kW.

通風容易時期鮑店回風井總阻力為2 786 Pa，符合AQ1028-2006《煤礦井工開采通風技術條件》規定，經過計算礦井等積孔為8.79 m2，屬于通風容易礦井。根據通風路線的長度，目前進風區、用風區通風路線長度分別為923 m、3 506 m和847 m，占總通風路線的比例分別為17.49%、66.45%和16.06%，容易時期用風區通風路線占比較高。

2.3 困難時期通風系統預測

2.3.1 風量分配分析

1) 生產布置及用風地點配風量。北四采區：布置5個掘進工作面，分別為N4315掘進面輔助運輸巷(2 400 m3/min)、N4313掘進面膠帶輸送巷(2 400 m3/min)、西翼輔助運輸大巷煤巷總掘(2 400 m3/min)、西翼膠帶輸送機大巷煤巷綜掘(2 400 m3/min)、西翼進風大巷巖巷綜掘(1 200 m3/min)。布置3個工作面，分別為N4307回采工作面(3 600 m3/min)、N4309備用工作面(2 400 m3/min)、N4311備用工作面(2 400 m3/min)。

2)通風困難時期仿真分析。根據以上采掘布置，為滿足以上采掘生產要求，進行通風系統仿真。通風系統仿真系統布置如圖2所示。

圖2 通風困難時期仿真系統圖

2.3.2 通風系統阻力分析

對鮑店風井投運后通風系統困難時期總阻力進行計算，總阻力為4 328 Pa，最大阻力路線在N4307回采工作面。

通風困難時期鮑店回風井總阻力為4 328 Pa，超過AQ1028-2006《煤礦井工開采通風技術條件》規定408 Pa.經過計算，礦井等積孔為10.49 m2，屬于通風容易礦井。根據鮑店回風井最大阻力路線對進風區、用風區、回風區阻力大小及所占比例統計分析。最大阻力路線中進風區、用風區和回風區的阻力占比分別為43.35%、20.31%和36.34%，進風區消耗阻力明顯偏大，由于通風路線過長，造成進風區和回風區阻力值過高，因此后續需要對進風區和回風區降阻。

根據通風路線的長度，目前進風區、用風區和回風區通風路線長度分別為3 941 m、2 398 m和4 187 m，占總通風路線的比例分別為37.44%、22.78%和39.78%，困難時期回風區通風路線占比較高。

在通風容易時期向通風困難時期過渡過程中，通風路線由5 276 m增加到10 526 m，系統需風量增加，總阻力呈平方關系增加，巷道維護量大，通風阻力大，通風安全管理困難。對于目前預測通風困難時期不能滿足AQ1028-2006《煤礦井工開采通風技術條件》的規定這一問題[7]，為確保困難時期通風系統穩定，制定以下兩個方案進行通風系統優化。

2.4 主要通風機參數確定

礦井的自然風壓值確定，夏季的自然風壓一般情況下反對主要通風機風壓，hn是負值，礦井風量減少；冬季的自然風壓一般情況幫助主要通風機運轉，hn是正值，礦井風量增加[8]。

2.4.1 通風系統容易時期

1) 主要通風機風量。因有外部漏風，通過主要通風機的風量Qf1必大于礦井總風量Q1，則：

Qf1=1.05Q

=1.05×390

=409.50 m3/s

=24 570 m3/min

式中：Qf1為主要通風機風量；1.05為抽出式通風礦井的外部漏風系數；Q為礦井總風量，取390 m3/s.

2) 主要通風機裝置靜壓。考慮礦井自然風壓的作用，以及考慮通風機局部阻力損失100 Pa，則通風容易時期主要通風機裝置靜壓(相當于通風機的全壓)為：

h1=hr-hn+△h

=2 768+55+100

=2 923 Pa

式中：h1為通風機裝置靜壓；hr為風機負壓；hn為礦井自然風壓；△h為局部阻力損失。

2.4.2 通風系統困難時期

因有外部漏風，通過主要通風機的風量Qf2必大于礦井總風量Q2。則：

Qf2=1.05Q

=1.05×580

=609.00 m3/s

=36 540 m3/min

式中：Qf2為主要通風機風量；1.05為抽出式通風礦井的外部漏風系數；Q為礦井總風量，取580 m3/s.

2) 主要通風機裝置靜壓。考慮礦井自然風壓的作用，以及考慮通風機局部阻力損失100 Pa，則通風容易時期主要通風機裝置靜壓(相當于通風機的全壓)為：

h1=hr-hn+△h

=4 382+55+100

=4 483 Pa

2.4.3 確定通風機裝置靜壓

通風機風量、風壓根據上面論證確定，電機功率輸入功率等參數見表2.

所選風機需滿足表2主要參數值要求，通風主要參數是指風量、風壓，相應的電機能滿足風機需要即可，電機功率按照正常使用進行計算得出。實際使用中如果風機效率偏低，則電機功率選擇要偏大。

表2 預選主要通風機特征值

2.5 優化措施

1) 降低工作面設計需風量。根據AQ1024-2006《煤礦瓦斯抽采基本指標》的規定：回采工作面絕對瓦斯涌出量在大于100 m3/min時，工作面的瓦斯抽采率不應小于70%.目前，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為138.0 m3/min，按照80%抽采率進行瓦斯抽采。經計算，抽采后采煤工作面風排瓦斯涌出量為27.6 m3/min.按照83%抽采率進行瓦斯抽采，抽采后采煤工作面風排瓦斯涌出量預計為23.46 m3/min，按采煤工作面瓦斯涌出量設計需風量為3 285 m3/min，經風速驗算后符合要求。同時，設計備用工作面需風量為1 900 m3/min，其他需風地點設計風量保持不變。

方案模擬結果表明，當設計采煤工作面需風量為3 209 m3/min，備用工作面為1 900 m3/min時，總阻力為3 896 Pa，相較前文設計降低了432 Pa，后續需要加強工作面沿空留巷的維護。該方案可行，能夠滿足AQ1028-2006《煤礦井工開采通風技術條件》的規定，調試后采煤工作面仿真風量見圖3.

圖3 新施工并聯回風大巷(m3/min)

2) 新施工一條并聯回風大巷。在西翼回風大巷1的北側新施工1條并聯回風大巷，長度為3 069 m，斷面積為24.8 m2.具體位置與仿真結果如4所示。

方案模擬結果表明，新施工并聯回風大巷擔負N4307采煤工作面回風任務，仿真風量為6 492 m3/min，此時通風困難時期總阻力為3 886 Pa，降阻能力低于方案一。但是一般來說，按掘進費用1萬元/m計算，實施方案二將花費較高開拓巷道費用。該方案理論可行，但經濟費用較高。

因此，選擇方案一對通風困難時期進行降阻，方案實施后總阻力為3 896 Pa，鮑店回風立井總回風量為33 600 m3/min.

3 結 語

本文以古城煤礦通風系統為研究對象，通過對古城煤礦通風容易時期、困難時期系統進行預測分析，得出的主要研究結論如下：

1) 鮑店進、回風井投運后，經過通風容易時期與通風困難時期系統預測，仿真系統預測總阻力分別為2 786 Pa和4 328 Pa，其中通風困難時期阻力超過規定范圍，需要加強工作面沿空留巷的維護，增加盤區回風巷道，根據生產銜接，保證鮑店風井能夠滿足生產要求。

2) 成功地建立古城煤礦礦井通風管理信息系統，使古城煤礦礦井通風管理更具有科學性、可靠性。

圖4 新施工并聯回風大巷(m3/min)