馮劍

【摘 要】 由于礦井開采范圍增大后，針對礦井通風(fēng)線路加長、通風(fēng)阻力增大等地質(zhì)條件的復(fù)雜化，文章以山西某礦多區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)狀為背景，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，提出了兩種方案，并從通風(fēng)難易程度、經(jīng)濟(jì)成本以及通風(fēng)安全性三方面對兩方案進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，采用分區(qū)通風(fēng)方法時(shí)能夠滿足礦井生產(chǎn)需求，通風(fēng)線路簡單，經(jīng)濟(jì)成本較低，能夠保證各個(gè)區(qū)域風(fēng)量的充足性，與目前礦井的生產(chǎn)現(xiàn)狀更加相符，具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 復(fù)雜條件;通風(fēng)系統(tǒng);優(yōu)化方案;對比分析

【中圖分類號】 TD724 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0048-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

目前煤礦開采向深部逐漸延伸，開采難度在不斷增大，導(dǎo)致煤礦通風(fēng)系統(tǒng)日漸復(fù)雜。一些礦井由于開采范圍增大后，礦井的通風(fēng)線路變長，并且通風(fēng)阻力、礦井所需風(fēng)量都有了明顯的增大，這些條件的改變導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，造成原有的通風(fēng)系統(tǒng)無法再滿足安全生產(chǎn)的需求，因此對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級十分重要。

本文以山西某礦復(fù)雜礦井條件為基礎(chǔ)，針對礦井通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題提出了多個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，通過理論對比的方法分析了各方案在通風(fēng)難易程度、經(jīng)濟(jì)成本以及安全性等方面的優(yōu)劣性，從而提出了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案，該結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

1 礦井概況

山西某礦開采煤層包括4—10號煤層，煤層的標(biāo)高范圍為+790—+1020m，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)量為120萬t/a。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)采區(qū)有兩個(gè)，到目前為止礦井一采區(qū)工作面基本已經(jīng)生產(chǎn)完畢，即將對二采區(qū)工作面進(jìn)行回采。為了延續(xù)礦井生命，保證礦井產(chǎn)量，自2013年開始，對井田內(nèi)南部區(qū)域進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，作為后續(xù)礦井開采的范圍，南擴(kuò)區(qū)單獨(dú)作為一個(gè)采區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)，煤層標(biāo)高在+840—+980m，采區(qū)面積為3.24km2。到目前為止，南擴(kuò)區(qū)的大部分主要巷道已經(jīng)掘進(jìn)完畢，并新修建了南風(fēng)井作為南擴(kuò)區(qū)專用回風(fēng)井，礦井范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，因此也導(dǎo)致了通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何保證多個(gè)區(qū)域能夠順利通風(fēng)，對原有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是當(dāng)前所必須解決的難題。

礦井現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)井為3個(gè)，包括主斜井、副斜井以及進(jìn)風(fēng)斜井，進(jìn)風(fēng)井布置在工業(yè)廣場內(nèi)，可為整個(gè)礦井提供風(fēng)量，回風(fēng)井有兩個(gè)，為原有回風(fēng)立井以及新修建的南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井。原有回風(fēng)立井中主要通風(fēng)機(jī)型號為BDK65-8-N026/2×400kW，其排風(fēng)量能夠達(dá)到3800～9400m3/min，新修建的南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)型號為FBCDZN027/2×450kW，其排風(fēng)量能夠達(dá)到6200-13000m3/min。

2通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

在過去對礦井通風(fēng)量的計(jì)算分析表明，礦井總回風(fēng)量為9308m3/min，根據(jù)兩個(gè)回風(fēng)井通風(fēng)設(shè)備的能力，設(shè)計(jì)了兩個(gè)優(yōu)化方案，具體如下：

（1）方案一：對兩個(gè)回風(fēng)井之一進(jìn)行關(guān)閉，采用獨(dú)立風(fēng)井進(jìn)行回風(fēng)。由于新修南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井通風(fēng)量最大為13000m3/min，能夠滿足礦井需求，因此對原回風(fēng)立井進(jìn)行關(guān)閉，僅保留南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井，采用三進(jìn)風(fēng)井一回風(fēng)井，通風(fēng)方式變更為中央并列式通風(fēng)方式，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作。

（2）方案二：將礦井區(qū)域進(jìn)行劃分，采用分區(qū)通風(fēng)方法。將原回風(fēng)立井和新修南擴(kuò)區(qū)風(fēng)井同時(shí)投入使用，采用三進(jìn)風(fēng)井兩回風(fēng)井，通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)，將礦井生產(chǎn)區(qū)域劃分為南區(qū)與北區(qū)，北區(qū)即一、二采區(qū)由原回風(fēng)立井進(jìn)行回風(fēng)，南區(qū)由新修建的回風(fēng)井進(jìn)行回風(fēng)。

3通風(fēng)優(yōu)化方案比較

為選取合適的礦井通風(fēng)方案，將從礦井通風(fēng)難易程度、經(jīng)濟(jì)成本以及通風(fēng)安全性三個(gè)方面對上述方案進(jìn)行了比較。

3.1礦井通風(fēng)系統(tǒng)難易程度比較

在不同的礦井通風(fēng)方案下，通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力與等積孔有著一定的差異，通過對比這兩方面大小，從而分析通風(fēng)系統(tǒng)的難易程度。

（1）礦井通風(fēng)阻力計(jì)算

對兩種方案下通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

h=h摩+h局（1）

式中，h為通風(fēng)系統(tǒng)阻力，Pa，其中h摩為礦井巷道中的摩擦阻力，h局為通風(fēng)系統(tǒng)的局部阻力。

礦井巷道內(nèi)的摩擦阻力計(jì)算公式為：

h摩=α×L×P×Q2/S3（2）

式中，α為各巷道內(nèi)的空氣摩擦阻力系數(shù);L為巷道的長度，m;P為礦井巷道的斷面周長，m;Q為巷道內(nèi)所需的風(fēng)量，m3;S為礦井巷道的斷面面積，m2。

礦井內(nèi)所有巷道的通風(fēng)阻力和各巷道的風(fēng)量分配主要依靠Ventsim通風(fēng)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對通風(fēng)系統(tǒng)中各地點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)阻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過多次的分配計(jì)算后，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)阻平衡后，從而得出礦井通風(fēng)系統(tǒng)摩擦阻力。礦井局部通風(fēng)阻力一般按照摩擦阻力的15%進(jìn)行計(jì)算，將兩部分相加獲得礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力。

方案一中，礦井各巷道風(fēng)流自進(jìn)風(fēng)井流入，經(jīng)過井下車場、巷道后，再由南風(fēng)井排出;方案二中礦井風(fēng)流自進(jìn)風(fēng)井流入，經(jīng)過井下車場、巷道后，一、二采區(qū)風(fēng)流從原回風(fēng)井中排出，南擴(kuò)區(qū)巷道內(nèi)風(fēng)流從新修建的南風(fēng)井排出。經(jīng)計(jì)算，在采用方案一的情況下，礦井通風(fēng)阻力大小為2320Pa，采用方案二的情況下，新修建的南風(fēng)井礦井通風(fēng)阻力大小為1552Pa，原回風(fēng)立井通風(fēng)阻力大小為1121Pa。

（2）通風(fēng)系統(tǒng)等積孔計(jì)算

等積孔計(jì)算公式為：

式中，A為等積孔，m2;Q為礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量，m3/min;h為通風(fēng)系統(tǒng)阻力，Pa。

將各方案中通風(fēng)系統(tǒng)基本參數(shù)帶入，計(jì)算得方案一通風(fēng)系統(tǒng)的等積孔為3.82m2，方案二通風(fēng)系統(tǒng)的等積孔為6.2m2，通過對比可以看出，方案二條件下通風(fēng)系統(tǒng)的等積孔要大于方案一，表明采用方案二的通風(fēng)系統(tǒng)更加簡單容易。

3.2通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本比較

各種通風(fēng)優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)對比主要工程成本、電力損耗、設(shè)備維修以及人工費(fèi)用等，未來北區(qū)工作面的生產(chǎn)年限為4年，通過對比4年內(nèi)兩種方案在這幾方面的經(jīng)濟(jì)消耗從而選擇合理的方案。

（1）方案一經(jīng)濟(jì)成本分析

工程費(fèi)用：方案一采用獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，舍棄原通風(fēng)立井采用三進(jìn)一回的通風(fēng)方法，通風(fēng)機(jī)型號為FBCDZN027/2×450kW，在采用該設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)時(shí)間內(nèi)，巷道內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)保證小于6m/s，但根據(jù)現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，巷道在局部位置出現(xiàn)風(fēng)速超速現(xiàn)象，因此需要在這些位置對巷道進(jìn)行擴(kuò)刷，巷道擴(kuò)刷情況如圖1所示，其費(fèi)用為4000元/m，經(jīng)計(jì)算，4年內(nèi)巷道擴(kuò)刷費(fèi)用共計(jì)為560萬元。

電力損耗：新修南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井通風(fēng)設(shè)備型號為FBCDZN027/2×450kW，其耗電量預(yù)計(jì)為每年380萬kW·h，電費(fèi)按照0.5元/kW·h計(jì)算，得4年內(nèi)該通風(fēng)設(shè)備電力損耗費(fèi)用共計(jì)為760萬元。

設(shè)備維修：根據(jù)新修南回風(fēng)井設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，每年費(fèi)用約為5.04萬元，4年內(nèi)設(shè)備維修費(fèi)用共計(jì)為20.16萬元。

人工費(fèi)用：人工費(fèi)用主要由風(fēng)機(jī)配備人員數(shù)量決定，一般條件下每臺風(fēng)機(jī)必須配備操作人員兩人，班長一人，此外設(shè)備在維護(hù)期間需配備維護(hù)人員，維護(hù)人員數(shù)量為3人，經(jīng)計(jì)算，每年人工費(fèi)用為19.33萬元，4年人工費(fèi)用共為77.32萬元。

對上述費(fèi)用進(jìn)行匯總，方案一經(jīng)濟(jì)成本共計(jì)為1417.49萬元。

（2）方案二經(jīng)濟(jì)成本分析

工程費(fèi)用：方案二采用分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，保留原回風(fēng)立井，同時(shí)將新修的南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井投入使用，兩回風(fēng)井可提供回風(fēng)量均比較大，對巷道內(nèi)風(fēng)流速度并沒有要求，在巷道內(nèi)各位置風(fēng)流速度未出現(xiàn)超速情況，因此無需對巷道進(jìn)行擴(kuò)刷，無工程損耗費(fèi)用。

電力損耗：原回風(fēng)立井通風(fēng)設(shè)備型號為BDK65-8-N026/2×400kW，其耗電量預(yù)計(jì)每年為270萬kW·h，新修南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井通風(fēng)設(shè)備型號為FBCDZN027/2×450kW，其耗電量預(yù)計(jì)為每年為210萬kW·h，電費(fèi)按照0.5元/kW·h計(jì)算，得4年內(nèi)該通風(fēng)設(shè)備電力損耗費(fèi)用共計(jì)為960萬元。

設(shè)備維修：原回風(fēng)立井設(shè)備維護(hù)費(fèi)用每年約為2.04萬元，新修南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井設(shè)備維修費(fèi)用與上述相同，每年約為5.04萬元，4年內(nèi)設(shè)備維修費(fèi)用共計(jì)為28.32萬元。

人工費(fèi)用：方案二中共采用兩臺通風(fēng)設(shè)備，人工費(fèi)用為方案一的兩倍，共計(jì)為154.64萬元。

對上述費(fèi)用進(jìn)行匯總，方案二經(jīng)濟(jì)成本共計(jì)為1142.96萬元。

表1為兩方案所需經(jīng)濟(jì)成本。對兩方案經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行對比，方案一在工程、電力、維修以及人工各方面都需要投入，方案二經(jīng)濟(jì)成本主要集中在電力損耗方面，無需在井下進(jìn)行大型施工，可節(jié)約較多的工程損耗，經(jīng)濟(jì)成本總體要比方案一少274.53萬元，結(jié)果表明方案二在經(jīng)濟(jì)成本方面更優(yōu)于方案一。

3.3通風(fēng)系統(tǒng)安全性比較

通過綜合對比兩種方案通風(fēng)系統(tǒng)可靠性從而得出最優(yōu)方案。

方案一：采用方案一即采用獨(dú)立通風(fēng)方法，新修南擴(kuò)區(qū)回風(fēng)井一個(gè)風(fēng)井就可以滿足礦井的使用，但通風(fēng)線路要更遠(yuǎn)，其長度約為11500m，通風(fēng)阻力更大，通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，并且對新修南擴(kuò)區(qū)風(fēng)井通風(fēng)設(shè)備的負(fù)荷較大，因此通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較差，易受到局部因素的影響造成通風(fēng)系統(tǒng)失效，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性較低。

方案二：采用方案二即采用分區(qū)通風(fēng)方法，通風(fēng)線路的長度進(jìn)行了縮減，通風(fēng)阻力較低，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)更加簡單，若通風(fēng)系統(tǒng)局部出現(xiàn)破損，影響范圍較小，并且對每個(gè)風(fēng)機(jī)的負(fù)荷也比較小，通風(fēng)更可靠性較高。

綜合對比兩種方案的難易程度、經(jīng)濟(jì)成本以及通風(fēng)安全性，結(jié)果表明采用分區(qū)通風(fēng)方法時(shí)，可靠性更高，通風(fēng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并且能夠滿足礦井的安全生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)成本較低，因此采用方案二與目前礦井的生產(chǎn)情況比較符合。

4結(jié)論

本文以山西某礦復(fù)雜通風(fēng)條件為基礎(chǔ)，提出了兩種礦井通風(fēng)方案，并從通風(fēng)難易程度、經(jīng)濟(jì)成本以及通風(fēng)安全性三方面對兩種方案進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，在采用分區(qū)通風(fēng)方案下，通風(fēng)系統(tǒng)更加簡單，經(jīng)濟(jì)成本較低，安全性更好，能夠保證各個(gè)區(qū)域風(fēng)量的充足性，與目前礦井的生產(chǎn)現(xiàn)狀更加相符。

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