潤東煤業礦井氣流穩定性與通風系統優化研究

路瑞軍

（山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業有限公司，山西 晉城 048006）

隨著煤礦機械化程度提高和煤炭產量增加，礦井出現氣流不穩定等安全隱患[1-3]，造成工作面溫度升高、濕度增大，危險氣體及粉塵含量增加等一系列問題。隨著工作面埋深及開采距離的增加，工作面通風阻力增加，氣流穩定性變差。潤東煤業礦井現有通風系統僅可滿足現階段生產規模需求，隨著開采深度和規模的增加，掘進和回采工作面的通風壓力和通風穩定性顯著增大。為了滿足礦井通風需要和安全生產需求，對現有通風系統進行優化改造，實現該礦井的可持續和高效生產。

1 對角通風系統理論

礦井通風系統主要有中央式、對角式、分區式和混合式，潤東煤業礦井現有通風系統設計為雙向對角通風式。隨著煤礦產量的增加和采掘工作面延深，掘進和回采工作面的新鮮空氣紊亂問題日益嚴重，主副井氣流逆流和巷道氣流超限嚴重影響生產進度[4-6]。對角通風系統是一個內部有許多對角支路的復雜系統，如果對角之路僅有一個，該通風被認為簡單的對角通風系統。

圖1 為對角通風系統簡化示意圖。由圖1 可知，分支5 是對角線，被節點2 和3 包圍。分支5 的特點是氣流可以根據空氣的阻力風向相互轉向，根據對角通風系統簡化示意圖提出了一個氣流阻力關系來分析對角線支路氣流方向的判據：

圖1 對角通風系統示意圖

當K＞1，風流從節點3 通過5 到節點2；當K=1，沒有風流通過5；當K＜1，風流從節點2 通過5 到節點3。

式中：K為通風對角線的判別系數；R為對角線的通風阻力；Ri為各支路的空氣阻力（i=1,2,3,4），N2·S2/m8；Q為對角線總空氣量；Qi為各支路的氣流（i=1,2,3,4），m3/s。

從節點1 →2 →4 單對角線通風阻力可知，當Q1＞0 和Q3＞0 時，公式（1）、（2）成立。

復雜對角通風系統主要包含兩個或多個對角分支。根據復雜對角通風系統包含的對角分支，結合節點合并原理和礦井通風穩定性實際需要，對礦井通風過程中一些距離短、阻力小的節點進行合并。復雜對角通風系統簡化主要分為3 步：1）認真分析對角通風系統和各個支路的氣流方向；2）根據實際礦井生產需求找出氣流流向不合理的支路；3）對系統進行調整和優化。

2 對角通風系統優化

圖2 和圖3 為原通風系統簡化示意圖和優化后通風系統簡化示意圖。復雜對角通風系統可根據節點數量和支路氣流不同分為不同的等級，等級不同，復雜對角通風系統氣流穩定性不同。復雜對角通風系統節點和支路主要由主井、副井、煤倉、物料運輸巷道等組成。由圖2 可知，改變支路的空氣阻力會影響對角通風系統的氣流方向，造成氣流不穩定，影響通風效果。

圖2 原通風系統簡化示意圖

圖3 優化后通風系統簡化示意圖

如圖3 所示，礦井通風系統需要不斷進行改造和優化，通過合并減少較短或距離較近的節點進行優化通風系統。將圖2 中的節點10 與節點11 合并為圖3 的節點11，減少節點數量，改變復雜對角通風系統節點數量，將礦井通風系統分為兩個簡單的對角通風系統。第一個對角線由物料運輸巷道、通風巷道組成，另一個對角線由主井、副井和其他巷道組成。

沿著對角通風回路對氣流和風量進行了多次測量。根據式（1）、（2）、圖3，計算局部對角通風系統（節點12、節點7、節點11）總空氣阻力方法如下：

式中：Qd是對角連接系統中的氣流，m3/s。

當判別系數K＞1，將氣流方向改為反方向，節點12 到節點11。氣流反向的原因是局部對角通風系統風阻很高，而平行巷道風阻較低。

根據潤東煤業現有通風系統情況，提出了礦井氣流穩定性與通風系統優化多種應對措施。安裝空氣調節器是為了增加巷道中的空氣阻力。如果巷道空氣阻力增加，平行巷道（圖3 中的節點11、節點7）空氣阻力也會增加。為解決高風阻（圖3 中的節點4、節點7）和降低風速超限（圖3 中的節點6、節點7）問題，需要將空氣阻力（圖3 中的節點4、節點7）的大小進行調節，同時也調節了對角線空氣阻力的大小（圖3 中的節點12、節點7）。

圖4 為優化巷道通風系統簡化模型。當判別系數K 小于1 時，巷道通風系統優化后，主井的氣流方向從節點12 到節點11 方向進行。此時可以解決巷道通風系統中氣流反向的問題，從而減少了巷道（圖4 中節點11、節點7）的積風，降低了風阻，有效解決了巷道（圖4 中節點4、節點7）風速超值問題。優化通風系統后，巷道風速由11.6 m/s 降至6.1 m/s。

圖4 優化巷道通風系統簡化模型

3 最佳改善方案

3.1 改善措施

對潤東煤業礦井現有通風系統進行分析，從通風線路、通風網絡布置等方面進行優化，主要包括以下改進措施：1）將兩臺功率為11 kW 的風力機改為兩臺功率合計為21 kW 的風力機，以增加巷道通風功率。2）將直徑為300 mm 的風管更換為直徑為500 mm 的剛性風管，以減少風阻力。3）將通往單頭開挖工作面的風管改為直徑為300 mm的風管。用剛性材料制成的風管減少了氣流的通風阻力。4）封閉井下通風系統廢棄巷道，解決原通風系統井下氣流短路、新風損失的問題。5）在工作面斷面中部，增加串聯的11 kW 軸向風機，在調節風扇功率時，必須保證進風扇功率小于出風扇功率。6）在井下通風系統中增加風門等通風結構，合理調整井下風量的走向，按需求在不同工作面上分配風量。

3.2 效果分析

采用比較分析法對工作面環境的溫度和濕度進行了分析，圖5 所示為21150 工作面不同監測點的溫度和濕度效果。工作面通風系統未優化前的最高溫度為38 ℃，優化后最高溫度為30 ℃，溫度降低了8 ℃。通風系統未優化前，21150 工作面的相對濕度高達97%，優化后相對濕度為85%，相對濕度下降了12%左右。

圖5 優化前后溫度濕度對比分析

4 結論

1）為了提高潤東煤業礦井氣流穩定性和礦井安全生產要求，不斷優化對角通風系統，對具有多層復雜對角通風系統的巷道、工作面通風系統存在問題進行了全面分析，并提出了一系列優化方案。

2）通過對角通風系統節點的合并和通風系統的優化，解決了礦井工作面氣流反向和風速超值問題，改變了通風回路的阻力，為井下巷道和工作面提供了足夠的通風。

3）工作面未優化前的最高溫度為38 ℃，優化后溫度為30 ℃，溫度降低達到了8 ℃。在通風系統未優化前，相對濕度高達97%，優化后相對濕度為85%，相對濕度下降了12%左右。