靈東礦通風(fēng)阻力測定與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

秦坤鵬 謝國強 張連超

（1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105）

礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常運行、保持高質(zhì)量風(fēng)流，可為礦井生產(chǎn)帶來充足的新鮮風(fēng)流，帶走有毒有害氣體和粉塵，為生產(chǎn)創(chuàng)造有利的工作環(huán)境。礦井生產(chǎn)的進(jìn)行和接續(xù)，意味著礦井通風(fēng)系統(tǒng)在不同生產(chǎn)時期要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整、改造或者優(yōu)化。礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)[1-3]、改造[4]和優(yōu)化[5-11]的有力工具，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機調(diào)節(jié)和投運[12]、巷道貫通或廢止[13-16]、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案論證[17-21]中得到了廣泛的應(yīng)用。本文就扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司靈東煤礦通風(fēng)系統(tǒng)上層通風(fēng)系統(tǒng)改造進(jìn)行論證分析，2023 年初對2023 年及2025 年礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析研究，對通風(fēng)系統(tǒng)高質(zhì)運行提供有力的支持，為后期工程推進(jìn)提供重要參數(shù)。

1 工程背景

靈東煤礦瓦斯絕對涌出量2.191 m3/min，相對涌出量0.196 m3/t，屬低瓦斯礦井。煤層有自燃傾向性，煤層為Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期44 d。煤塵爆炸指數(shù)39.72%，具有爆炸性。礦井無沖擊地壓傾向。受承壓水威脅，礦井正常涌水量160 m3/h，最大涌水量230 m3/h。礦井通風(fēng)方式為中央并列式。

2 通風(fēng)阻力測定

實測之前需要收集礦井采掘工程平面圖、通風(fēng)系統(tǒng)圖，收集井下通風(fēng)設(shè)備和設(shè)施的安裝布置情況、生產(chǎn)作業(yè)情況、風(fēng)機運轉(zhuǎn)、巷道規(guī)格、井下漏風(fēng)以及自然通風(fēng)等資料。礦井通風(fēng)阻力測定依照《礦井通風(fēng)阻力測定方法》（MT/T 440-2008）進(jìn)行。依照此標(biāo)準(zhǔn)，共有三種方法：傾斜壓差計法、氣壓計基點法和氣壓計同步法。本次通風(fēng)阻力測定主要以傾斜壓差計法為主，輔以氣壓計基點法進(jìn)行數(shù)據(jù)的補充。

礦井的通風(fēng)阻力由各段巷道的通風(fēng)阻力在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的整體表現(xiàn)決定，巷道阻力由巷道風(fēng)阻和風(fēng)量兩項參數(shù)決定，它表明了當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能量主要消耗在哪里，對礦井最大阻力路線的分析和礦井通風(fēng)阻力大的巷道的分析是實施礦井通風(fēng)降阻的基礎(chǔ)。根據(jù)阻力測定結(jié)果，靈東礦的通風(fēng)總阻力是550 Pa，總風(fēng)量為5930 m3/min，屬于通風(fēng)容易礦井。最大阻力路線：副井→井底車場→軌道大巷（西翼）→軌道下山車場→軌道下山→西一采區(qū)西翼軌道大巷→聯(lián)絡(luò)巷→212301 上運輸順槽→212301 上工作面→212301 上回風(fēng)順槽→西一采區(qū)西翼回風(fēng)大巷→西一采區(qū)南翼回風(fēng)大巷→回風(fēng)下山→聯(lián)絡(luò)巷→回風(fēng)大巷（西翼）→回風(fēng)井。其中，主要巷道的參數(shù)見表1。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，礦井通風(fēng)阻力不大，這主要與以下幾種因素有關(guān)：

1）巷道斷面較大，對于巷道減少通風(fēng)阻力貢獻(xiàn)較多；

2）建井時間短，巷道變形量小，由于巷道變形引起的巷道風(fēng)阻增加可忽略不計；

3）礦井通風(fēng)路線較短，除工作面外，巷道的總長度只有4000 m 左右，礦井總風(fēng)量不到100 m3/s，因此礦井通風(fēng)阻力不大。

3 通風(fēng)系統(tǒng)仿真模擬

3.1 仿真系統(tǒng)建立

將靈東煤礦的三維系統(tǒng)單線圖導(dǎo)入Ventsim 通風(fēng)仿真系統(tǒng)，生成三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)。經(jīng)過圖的連通性檢查、進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井檢查，根據(jù)通風(fēng)阻力測試數(shù)據(jù)，對仿真系統(tǒng)的巷道進(jìn)行摩擦風(fēng)阻賦值，最后進(jìn)行仿真系統(tǒng)的精度驗證。靈東煤礦仿真系統(tǒng)的主要巷道風(fēng)量與實測風(fēng)量比較情況見表2。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，通風(fēng)仿真系統(tǒng)的主要巷道仿真風(fēng)量與實際風(fēng)量的誤差最大為2.13%，最小只有0.30%，均小于工程誤差5%，說明仿真系統(tǒng)精度已經(jīng)滿足要求，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行通風(fēng)方案的模擬。

表2 靈東煤礦仿真系統(tǒng)風(fēng)量誤差分析

根據(jù)建立的通風(fēng)仿真系統(tǒng)，對現(xiàn)在及將來生產(chǎn)格局調(diào)整與生產(chǎn)銜接計劃進(jìn)行仿真系統(tǒng)的模擬分析。針對Ⅱ2-1煤層西翼已經(jīng)開采結(jié)束，對關(guān)閉其大部分巷道，只留部分服務(wù)于Ⅱ3層煤的巷道，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)模擬分析。結(jié)合生產(chǎn)銜接計劃，對2023 年、2025 年礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。

3.2 關(guān)閉Ⅱ2-1 巷道通風(fēng)系統(tǒng)模擬

由于Ⅱ2-1煤層已經(jīng)采完，對該系統(tǒng)巷道擬進(jìn)行封閉處理，可以簡化通風(fēng)系統(tǒng)，減少有效風(fēng)量損失。以礦井2022 年生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對關(guān)閉Ⅱ2-1大部分巷道時通風(fēng)系統(tǒng)情況進(jìn)行模擬分析。Ⅱ2-1關(guān)閉的主要巷道有：西翼軌道大巷、西翼運輸大巷和西翼回風(fēng)大巷以及相關(guān)的聯(lián)絡(luò)巷。模擬的條件：礦井按照一個生產(chǎn)工作面和兩個掘進(jìn)面的用風(fēng)進(jìn)行模擬，設(shè)定總風(fēng)量區(qū)間5500～5930 m3/min，由礦井通風(fēng)仿真系統(tǒng)自己調(diào)整適應(yīng)，給出相關(guān)工作參數(shù)。礦井在Ⅱ3生產(chǎn)時，礦井的阻力路線比Ⅱ2-1要長，主要是軌道下山和回風(fēng)下山這兩條巷道。因此，如果設(shè)定礦井總風(fēng)量為2022 年10 月份的風(fēng)量，則礦井總阻力要比2022 年的阻力大，按照礦井主要通風(fēng)機特性曲線的一般形式，礦井的總風(fēng)量要小于設(shè)定風(fēng)量。以2022 年10 月份通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力為固定值進(jìn)行模擬分析，此時模擬分析的風(fēng)量會略小于實際風(fēng)量，因為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的特性曲線發(fā)生變化，此時設(shè)定的負(fù)壓值比實際工況點要略小。

仿真分析結(jié)果表明，關(guān)閉Ⅱ2-1系統(tǒng)巷道，總風(fēng)量為5930 m3/min 時，礦井負(fù)壓為630 Pa，因為礦井風(fēng)量主要集中在Ⅱ3通風(fēng)系統(tǒng)，采煤工作面風(fēng)量近1580 m3/min，比Ⅱ2-1巷道關(guān)閉前工作面風(fēng)量增加了近300 m3/min，兩個工作面掘進(jìn)風(fēng)量達(dá)到1200 m3/min，較Ⅱ2-1巷道關(guān)閉前工作面風(fēng)量增加了近200 m3/min。當(dāng)?shù)V井總風(fēng)量為5500 m3/min 時，礦井總阻力550 Pa，采煤工作面風(fēng)量1411 m3/min，比Ⅱ2-1巷道關(guān)閉前工作面風(fēng)量增加了111 m3/min，兩個工作面掘進(jìn)風(fēng)量達(dá)到1100 m3/min，較Ⅱ2-1巷道關(guān)閉前工作面風(fēng)量增加了近100 m3/min。

通過以上分析可得到，在關(guān)閉Ⅱ2-1巷道系統(tǒng)后，礦井的風(fēng)量在5500～5930 m3/min 區(qū)間調(diào)整時，礦井總阻力在550～630 Pa 區(qū)間變化，采煤工作面風(fēng)量和掘進(jìn)面風(fēng)量提升潛力得到釋放，風(fēng)量保障均有一定程度的提高。

3.3 靈東煤礦2023 年通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析

依照礦井采掘接續(xù)計劃，2023 年進(jìn)行212302上工作面的開采，屆時，按照礦井“一采兩掘”進(jìn)行配風(fēng)，開展2023 年通風(fēng)系統(tǒng)的模擬。同樣，與考慮關(guān)閉Ⅱ2-1巷道通風(fēng)系統(tǒng)模擬類似，按照關(guān)閉與未關(guān)閉兩種條件進(jìn)行模擬，將礦井實際工作狀態(tài)下的工況限定在模擬區(qū)間，得到的模擬結(jié)果可對將來的實際通風(fēng)管理進(jìn)行指導(dǎo)和參考。

模擬結(jié)果表明，在2023 年開采212303上工作面后，礦井總風(fēng)量為5930 m3/min，此時，關(guān)閉Ⅱ2-1巷道，礦井總阻力701 Pa，212303上工作面風(fēng)量1444 m3/min，兩個掘進(jìn)面風(fēng)量達(dá)到1115 m3/min，此時，礦井總風(fēng)量主要集中在II3通風(fēng)系統(tǒng)；未關(guān)閉Ⅱ2-1巷道，礦井總阻力660 Pa，212303上工作面風(fēng)量為1100 m3/min，掘進(jìn)面配風(fēng)量按照兩個掘進(jìn)面達(dá)到1000 m3/min，此時工作面風(fēng)量與掘進(jìn)面風(fēng)量存在不足的情況。關(guān)閉Ⅱ2-1巷道，Ⅱ3通風(fēng)系統(tǒng)有效風(fēng)量增加，礦井通風(fēng)阻力特性曲線變陡，風(fēng)機工況點上移，礦井總阻力有一定程度增加。

3.4 靈東煤礦2025 年通風(fēng)系統(tǒng)仿真分析

2025 年通風(fēng)系統(tǒng)的模擬條件與2023 年通風(fēng)系統(tǒng)的模擬分析前提基本相同：

1）關(guān)閉Ⅱ2-1巷道通風(fēng)系統(tǒng)部分巷道。

2）模擬按照固定風(fēng)量和固定風(fēng)壓兩種條件進(jìn)行。在此模擬條件下，可以將礦井實際的工作狀態(tài)下的工況限定在模擬區(qū)間，得到的模擬結(jié)果可對將來礦井的實際通風(fēng)管理進(jìn)行指導(dǎo)和參考。

2025 年計劃開采212304上工作面，此時通風(fēng)系統(tǒng)如果以固定風(fēng)量5930 m3/min 作為分析系統(tǒng)的前提，礦井負(fù)壓將升至896 Pa，因為此時礦井最大阻力路線的長度將超過5200 m，同時礦井的主要風(fēng)量在Ⅱ3通風(fēng)系統(tǒng)，此時Ⅱ3系統(tǒng)風(fēng)量為3763 m3/min，212304上工作面風(fēng)量為1120 m3/min，兩個工作面掘進(jìn)風(fēng)量為1010 m3/min。如果以礦井阻力550 Pa 為模擬分析前提條件，此時礦井總風(fēng)量為4089 m3/min，Ⅱ3系統(tǒng)風(fēng)量為2949 m3/min，212304上工作面風(fēng)量為794 m3/min，兩個工作面掘進(jìn)風(fēng)量為893 m3/min，此時工作面的配風(fēng)量將存在不足。因此考慮增加礦井阻力700 Pa 為模擬分析前提條件，在此前提下，礦井總風(fēng)量為4600 m3/min，Ⅱ3系統(tǒng)風(fēng)量為3313 m3/min，212304上工作面風(fēng)量為1000 m3/min，兩個工作面掘進(jìn)風(fēng)量為900 m3/min。通過以上分析可以看出， 2025 年212304上工作面開采時，同時保證兩個掘進(jìn)面供風(fēng)，礦井的最大阻力路線長度為5200 m 左右，如果礦井工作面風(fēng)量保證在1200 m3/min，礦井阻力將超過900 Pa。通過合理的控風(fēng)與調(diào)節(jié)，如果工作面保證在1000 m3/min，阻力在700 Pa，此時礦井工況點將根據(jù)工作面的配風(fēng)量，工作阻力區(qū)間在700～950 Pa 之間，風(fēng)量在5000～5900 m3/min 之間。

4 結(jié)論

通過對靈東煤礦通風(fēng)阻力測試，構(gòu)建三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)，針對關(guān)閉Ⅱ2-1部分巷道對通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及后續(xù)生產(chǎn)時期通風(fēng)系統(tǒng)影響進(jìn)行分析對比，得到以下結(jié)論：

1）在關(guān)閉Ⅱ2-1巷道系統(tǒng)后，礦井的風(fēng)量在5500～5930 m3/min 區(qū)間調(diào)整時，通風(fēng)總阻力在550～630 Pa 區(qū)間變化，采煤工作面風(fēng)量和掘進(jìn)面風(fēng)量提升潛力得到釋放，風(fēng)量保障均有一定程度的提高。

2）2023 年開采212303上工作面后，礦井總風(fēng)量為5930 m3/min 時，關(guān)閉Ⅱ2-1巷道，通風(fēng)總阻力701 Pa，212303上工作面風(fēng)量1444 m3/min，兩個掘進(jìn)面風(fēng)量為1115 m3/min；若未關(guān)閉Ⅱ2-1巷道，通風(fēng)總阻力660 Pa，212303上工作面風(fēng)量為1100 m3/min，兩個掘進(jìn)面配風(fēng)量為1000 m3/min，如再需要增加風(fēng)量，需對主扇進(jìn)行調(diào)節(jié)增加礦井通風(fēng)能力。

3）2025 年開采212304上工作面后，礦井最大阻力路線增長，礦井阻力增加。