提高礦井通風安全性的分區域通風系統設計

邢永生

（大同煤礦集團華盛虎峰煤業有限公司，山西 運城 043300）

0 概述

煤炭是我國重要的能源結構形式，為我國的經濟發展提供支撐動力。我國大量的煤礦采用井下作業的方式開采，開采過程中產生大量的有毒有害氣體，需要通風系統的安全可靠運行，礦井通風系統的安全性對煤礦的安全生產具有重要的影響作用[1]。隨著采煤技術的不斷發展，煤礦的開采深度及推進長度不斷增加，對礦井的通風系統提出了更高的要求。針對某煤礦開采過程中的通風系統進行設計分析，采用分區域布置的方式進行礦井通風系統的設計，并針對通風系統的性能進行實驗分析[2]，并進一步優化通風系統，提高通風系統的安全穩定性，保證煤礦的安全生產。

1 礦井分區域通風系統的設計

礦井開采過程中通風系統是必備的安全系統，主要通過風扇及通風網路組成，氣流通過礦井的入風井口進入礦井后，在風扇的作用下，通過各用風場所后進入回風井，從而排出礦井內部[3]，氣流所流經的整個路線稱為通風系統。經過通風系統的作用，向井下的各用風場所輸入新鮮的空氣，并將井下的有毒有害氣體帶出礦井，改善井下的工作環境，且在發生礦井災害時，提高通風系統的調節控制風量及方向[4]，減小災害的作用。在進行礦井的通風系統設計時，分區域式的通風系統具有氣流獨立、互不影響、風路短、阻力小的優點，且具有較強的經濟性，成為礦井通風系統的主要設計方式[5]。

針對某煤礦的分布特征進行分區域通風系統的設計，礦井分為兩個主采區，北區的煤層平均厚度為36.5 m，南區的煤層平均厚度為48.5 m，煤層的平均分布傾角為86°，屬于近直立煤層，煤層的傾角較大，不利于工作面的通風。采用分區域的設計方式對礦井的通風系統進行設計，依據礦井的分布，南北兩區進行獨立設計，北區采用主斜井、副斜井為進風口，回風立井為回風口；南區采用副立井、副斜井為進風口，回風立井為回風口[6]。依據礦井的分布及工作面長度，設計北區的總回風量為7 250 m3/min，負壓為560 Pa，南區的總回風量為6 950 m3/min，負壓為650 Pa，通風系統的分布如圖1 所示。

圖1 礦井分區域通風系統的設計布置示意圖

2 礦井通風系統的性能分析

2.1 通風阻力測試

采用阻力測定的方式對礦井的分區域通風系統進行性能分析，采用氣壓計對礦井的通風系統進行壓力測定[7]。在南北區分區域的通風系統中，各選擇1條氣流路線長、風量最大且能夠反映通風系統特性的線路作為主測路線[8]，測點的布置同樣標注在圖1 中。其中，北區的主測路線主要為副斜井口經過+500 m水平車場到達出車端，經+500 m 水平煤層北巷到達煤層南巷，通過+575 m 回風上山，到達+585 m 總回風，進入回風立井完成回風；南區的主測路線主要為新副井井口經過井底到達+400 m 水平大巷，經過+425 m 軌道上山到達水平巷道，進入南區回風立井完成回風。測試過程中進行測點布置時，要保證測點位置的支護完整，沒有影響通風的雜物存在[9]，且所在位置通風穩定，盡量靠近標高的控制點。

2.2 通風阻力測定結果分析

通過對礦井分區域通風系統的阻力測定，得到南北區域兩條主測路線的阻力坡度及百米風阻的分布如圖2、圖3 所示。在圖2 中，測點1-4 為進風段，4-7為用風段，7-10 為回風段。從圖2 中可以看出，南區主測路線上進風段及用風段的阻力上升較為均勻，用風段的阻力值由320 Pa 上升至390 Pa，在回風段的通風阻力上升較快，快速上升至620 Pa，這是由于南區的回風段長度過長，使得隨著風流路線的增加，有效的通風面積逐漸較小，氣流的密度增加，造成巷道氣流得到粗糙度增加[10]，從而引起摩擦阻力的快速增加。對主測路線上的總阻力值進行統計，得到回風段的阻力值占比為56.5%。南區主測路線的百米風阻變化較大，呈先上升再下降的變化趨勢，以測點6 的百米風阻最大，達到0.5 kg/m7，然后逐漸減小。

圖2 南區主測路線的阻力及百米風阻變化

圖3 北區主測路線的阻力及百米風阻變化

在圖3 中，測點1-3 為進風段，3-5 為用風段，5-7 為回風段。從圖3 中可以看出，北區主測路線上進風段及用風段的阻力上升較為變化較小，在回風段5-6 上的通風阻力上升平緩，而6-7 段的阻力值急劇上升，用風段的阻力值由180 Pa 上升至620P a，這是由于北區的回風段通風面積較小，從而引起摩擦阻力的快速增加。對主測路線上的總阻力值進行統計，得到回風段的阻力值占比為74.5%。北區主測路線的百米風阻變化較小，基本呈穩定分布的狀態，以測點4的百米風阻最大，達到0.2 kg/m7。

3 礦井分區域通風系統的優化

通過上述的分析可知，采用分區域設計的方式進行通風系統的設計，南北分區的回風段阻力值均占比較高，由于兩個分區的負壓值相差較小，造成了南北分區之間通風系統的穩定性及平衡性較差[11]，從而影響礦井的通風安全，需對通風系統進行一定的優化補充。

煤礦分區通風系統風量不穩定的原因在于南北分區的大角聯失穩，且自然風壓的存在對北區風機的影響較大，使得通風機的效率降低。針對礦井通風系統進行一定的優化，在分區設計的基礎上，對北區采用增加阻力的調節，改變通風阻力的分布曲線[12]，使南北分區之間得到壓差增大，從而保證大角聯分支的風量及方向穩定。為此，在北區各生產水平上增加調節風墻及風門等設施，提高礦井的負壓，從而減小自然風壓的影響，提高礦井通風系統的穩定性，保證煤礦的通風安全。

4 結論

1）礦井通風系統對煤礦的安全開采具有重要的影響作用，采用分區域的通風系統設計具有氣流獨立、互不影響、風路短、阻力小的優點，且具有較高的經濟性。針對某煤礦的分布特征，進行南北區分區域通風系統的設計，實現通風系統的分區運行，兩者之間存在一定的角聯區域。

2）對所設計的南北分區通風系統進行通風阻力的測定，選擇各自分區的測定路線，結果表明，南北分區的風量較大，但總阻力值較小，回風段的阻力值占比較大，造成兩個分區的負壓值相差較小，受到自然風壓的影響較大，造成通風系統的穩定性較差。

3）對分區域通風系統進行優化設計，對北區進行通風設施的增加，提高通風的阻力值，從而提高北區的負壓值，從而避免自然風壓的影響作用，保證通風系統的穩定運行，保證煤礦的通風安全。