衰老礦井通風系統優化改造及實驗研究

常映輝

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030051）

引言

通風系統為煤礦生產系統的重要組成部分，根據《煤炭安全規程》的相關標準規定，要求煤礦必須有一套獨立完整的通風系統，其對于整個煤礦的運行狀態和安全狀態具有重要意義。對于一個礦井而言，隨著工作面的不斷深入，開采強度的不斷增加，導致現場通風結構越發復雜，涉及的通風設備增多，通風距離增長，原通風系統無法滿足實際生產的需求，主要表現為通風阻力增大、風量不足等問題。因此，根據實際生產需求對通風系統的優化改造，對于安全、高效生產是十分有必要的[1-6]。

1 衰老礦井概況

對于煤礦生產而言，隨著生產的進行，煤礦共經歷建設期、投產期、達產期、穩產期以及衰老期。尤其是在煤礦的衰老期，在長時間的開采下，工作面的開采深度不斷增加，所布置的綜采設備也不斷增加；同時，在多年的生產下原先設計的通風裝置工作效率降低。在上述綜合因素的作用下，導致衰老期礦井在通風系統方面存在風量不足、風阻增大等問題，嚴重威脅著工作面的安全生產。

對于衰老煤礦的判定，只需要依據該煤礦煤炭的可采的儲量以及可服務的時限即可，當其中一項滿足要求時即可判定為衰老礦井。其中，當煤礦的剩余可開采儲量小于其儲量的20%時，判定煤礦進入衰老期；對于年產量在120 萬t 的煤礦而言，其衰老期一般在9 年以后；而對于年產量在45 萬～120 萬t 的煤礦而言，其衰老期一般在6～10 年之間；對于年產量在45 萬t 以下的煤礦而言，其衰老期一般在5 年左右[7-10]。結合當前我國煤炭的開采能力，可將判定煤礦是否進入衰老期的標準總結如表1 所示。

表1 判定煤礦是否進入衰老期的標準

本文所研究煤礦設計的開采能力為1.5 Mt/年，屬于大型煤礦，該煤礦煤炭的總共儲量為99.365 Mt，在多年的開采下目前可開采的煤炭儲量僅為39.872 Mt。結合該煤礦當前的生產能力和剩余可開采煤炭的儲量，可服務年限小于10 年。因此，可以判定該煤礦已經進入衰老階段。

2 通風系統優化改造及模擬

本節根據煤礦的通風現狀，提出相應的通風優化改造方案，并采用數值模擬手段對通風優化改造方案的效果進行初步評估。

2.1 煤礦通風現狀分析

經對煤礦當前通風現狀進行分析，得知該煤礦目前處于通風困難時期，其所面臨的的通風問題如下：

1）該煤礦回風巷道的斷面面積較小，導致煤礦的通風阻力較大。煤礦通風阻力現狀如表2 所示。由表2 可知，當前礦井的通風總阻力達到2511.7 Pa，該項指標遠大于《煤礦井工開采通風技術條件》中所規定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，各個風段的風阻分配不合理。

表2 煤礦通風阻力現狀

2）經對現場關鍵用風地點的風量進行測定，發現存在風量不足的情況，而且已經對現場的生產造成影響；

3）在煤礦東風井和西風井出現較為嚴重的漏風現象。

2.2 煤礦通風系統優化改造方案

針對煤礦當前在實際生產中所面臨的通風問題，擬采取如下優化改造方案對其通風系統進行改造。具體如下：

總體思路：將煤礦的回風巷道拓寬，煤礦原東風井和西風井進行密閉操作處理，并將原工作面的皮帶斜井作為其回風井。

具體操作方案：將煤礦工作面380 總回風的公共區域以及工作面第四采區的總回風巷進行拓寬操作；將煤礦原東風井和西風井密閉，并將工作面的主斜井和副斜井改造為進風井，將皮帶運輸巷斜井改造為回風井。即擬改造后采用兩進一回的通風方式。回風巷道拓寬前后對比如表3 所示。同時，為該煤礦重新選配通風機，具體配套通風機的型號為BDK-60No20，采用一用一備的原則進行布置。

表3 回風巷道拓寬前后尺寸對比

2.3 優化后煤礦通風系統的數值模擬分析

本文采用ANSYS 軟件對優化煤礦通風系統的效果進行初步評估。

2.3.1 仿真模型的建立

為保證所構建的仿真模型能夠真實反映通風系統的能力，同時兼顧仿真計算量。在建模過程中需按照如下原則進行假設：

1）對現場工作面中已經堵塞、廢棄且風速過小的巷道進行忽略；

2）將現場工作面的巷道均視為矩形斷面形狀，而對于豎井視為圓形斷面形狀。

根據煤礦工作面的實際情況以及優化改造后各斷面的尺寸，基于ANSYS 軟件所構建的仿真模型如圖1 所示。

圖1 優化改造后的通風系統數值模擬仿真模型

對圖1 中所構建的數值模擬仿真模型設置其邊界條件，包括對空氣密度、動力黏度系數以及溫度等參數的設定；包括各個巷道的邊界類型、風量分配、湍流強度以及摩擦阻力系數進行設定。

2.3.2 數值模擬仿真結果分析

對煤礦通風系統改造后的風量進行測定，并與實際分配的理論風量對比，驗證優化改造的效果。數值模擬仿真結果如表4 所示。

表4 通風系統優化改造效果驗證

由表4 可知，現場采用設計的方案對通風系統進行優化改造后，各用風點的風量均大于相應位置的設計風量，即說明本次優化改造方案可解決工作面風量不足的問題。

同時，對通風系統改造后，工作面總的通風阻力僅為1 940 Pa，滿足《煤礦井工開采通風技術條件》中所規定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，礦井的等積孔為2.074 m2，對應的通風等級屬于容易。說明，本次優化改造合理。

3 結論

通風系統為煤礦生產中不可或缺的分系統，其對于保證綜采工作面的瓦斯、煤塵等濃度滿足《煤炭安全規程》的標準要求非常重要。尤其是對于衰老礦井而言，由于其在多年生產的基礎上，通風系統主要面臨阻力增大、風量不足等問題，嚴重威脅著工作面生產的安全性。以衰老礦井為例提出優化改造方案，并對效果進行驗證，總結如下：

1）針對風量不足和阻力增大的問題，可通過擴大回風巷道斷面面積并重新配套通風機解決；

2）對通風系統進行優化改造后，各用風點的風量大于其實際需風量；同時，工作面總通風阻力為1 940 Pa，滿足《煤礦井工開采通風技術條件》中所規定的通風阻力小于2 000 Pa 的要求；

3）改造后的礦井通風等級屬于容易。