周琛，盧平，苗彪彪，李鎮(zhèn)韜

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

2018 年全國(guó)共開(kāi)采原煤35.46 億t，不僅在全球各國(guó)中排名第一，而且產(chǎn)量接近全球煤炭總產(chǎn)量的一半。煤炭資源是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此做好礦井的安全工作是必不可少的[1-2]。 礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)的八大系統(tǒng)之一，扮演著服務(wù)于生產(chǎn)的重要角色，但同時(shí)又對(duì)生產(chǎn)起到制約的作用，它對(duì)井下作業(yè)環(huán)境質(zhì)量、生產(chǎn)安全有序的進(jìn)行、井下小氣候的調(diào)節(jié)、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有舉足輕重的影響[3]。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、主通風(fēng)機(jī)等若干子系統(tǒng)及其單元組成的大型復(fù)雜關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[4]。對(duì)于年產(chǎn)量超過(guò)百萬(wàn)噸的大型礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，具有通風(fēng)巷道復(fù)雜，影響因素多，計(jì)算量大的特點(diǎn)，所以僅僅是靠人工來(lái)分析是難以得到滿足生產(chǎn)要求的最佳優(yōu)化結(jié)果的。早在20 世紀(jì)60 年代國(guó)外就開(kāi)發(fā)出通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算應(yīng)用程序，利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)陸續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)出通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解算應(yīng)用軟件，其中代表性的有Mintech、Datamine[5-7]。我國(guó)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算研究起步較晚，是從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始的，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和遼寧工程技術(shù)大學(xué)等科研院校，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬和計(jì)算機(jī)聯(lián)合應(yīng)用理論研究等方面進(jìn)行了有益探索，也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件如通風(fēng)專家3.0 版和Windows MⅤENT2.0 等[8-10]。 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬作為分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的有力工具，得到了很好發(fā)展，使礦井通風(fēng)技術(shù)得到新的發(fā)展。

本文以山東楊村煤礦為例，進(jìn)行通風(fēng)現(xiàn)狀調(diào)查，測(cè)定礦井通風(fēng)阻力，繪制礦井通風(fēng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)圖，對(duì)礦井通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬解算，找出礦井通風(fēng)出現(xiàn)的主要問(wèn)題，提出優(yōu)化改造方案。

1 礦井概況

楊村煤礦位于濟(jì)寧市高新區(qū)，井田平面為不規(guī)則的多邊形，南北走向長(zhǎng)約9 km，中偏北部最寬處約5.4 km，南部呈倒三角形，面積27.451 km2。1989 年開(kāi)始投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/a，1995 年經(jīng)山東省批準(zhǔn)從興隆莊礦劃給楊村煤礦部分3 煤以后，經(jīng)過(guò)實(shí)施礦井生產(chǎn)技術(shù)改造工程，2006 年核定生產(chǎn)能力為115 萬(wàn)t/a，2018 年礦井核定生產(chǎn)能力為142 萬(wàn)t/a，2017 年實(shí)際生產(chǎn)原煤113.06 萬(wàn)t。礦井通風(fēng)方式為兩翼對(duì)角式，副井、主井進(jìn)風(fēng)(主井向井下供給少量風(fēng))，南、北風(fēng)井回風(fēng)。2019年3 月，礦井總進(jìn)風(fēng)量7 798 m3/min，總回風(fēng)量7 896 m3/min，其中北風(fēng)井回風(fēng)量3 476 m3/min，負(fù)壓為1 530 Pa，南風(fēng)井回風(fēng)量4 420 m3/min，南風(fēng)井排風(fēng)量4 530 m3/min，負(fù)壓為1 410 Pa。

2 礦井通風(fēng)阻力調(diào)查與分析

2.1 通風(fēng)阻力測(cè)定

按照礦井通風(fēng)阻力測(cè)定的要求，結(jié)合礦井巷道布置的具體條件和通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化的需要，對(duì)楊村煤礦北翼通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力進(jìn)行了測(cè)定[11]，原始數(shù)據(jù)及測(cè)算結(jié)果如圖1。

圖1 楊村煤礦北翼通風(fēng)系統(tǒng)各測(cè)段通風(fēng)阻力分布圖

楊村煤礦北翼通風(fēng)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題如下：①礦井南、北兩翼公共進(jìn)風(fēng)段—— -273 軌道運(yùn)輸大巷南部副井南繞道至東大巷段：長(zhǎng)度約380 m，通風(fēng)斷面小，約10 m2，過(guò)風(fēng)量大，5 314 m3/min，風(fēng)速高達(dá)8.86 m/s，風(fēng)速超限，通風(fēng)阻力高達(dá)154.2 Pa，后期隨著北翼采區(qū)風(fēng)量的增加，此段過(guò)風(fēng)量進(jìn)一步增加，成為進(jìn)風(fēng)“卡脖子”地段；②一采區(qū)總回風(fēng)巷——一采回風(fēng)上山與一采運(yùn)輸上山：兩條巷道底鼓、片幫、冒落等嚴(yán)重，導(dǎo)致局部地段有效通風(fēng)斷面僅3～4 m2，長(zhǎng)度約1 200 m，通風(fēng)量達(dá)3 015 m3/min，通風(fēng)阻力高達(dá)371.1 Pa；③-190 總回風(fēng)巷：長(zhǎng)度約850 m，通風(fēng)斷面約10.7 m2，風(fēng)量3 021 m3/min，通風(fēng)阻力高達(dá)267.7 Pa，導(dǎo)致回風(fēng)段總阻力占總阻力的63.8%。

2.2 主要通風(fēng)井性能

礦井通風(fēng)方式為兩翼對(duì)角式，副井、主井進(jìn)風(fēng)，南、北風(fēng)井回風(fēng)。北風(fēng)井地面通風(fēng)機(jī)房安裝兩臺(tái)1986 年12 月生產(chǎn)的G4-73-11№22D 型離心式通風(fēng)機(jī)，一供一備；均配備1989 年9 月生產(chǎn)的JS138-10 型電機(jī)，風(fēng)機(jī)額定功率180 kW，轉(zhuǎn)速580 r/min。

山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司于2018 年9 月15 日對(duì)該礦北風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了安全性能檢測(cè)。從圖2 中可以看出，北風(fēng)井G4-73-11№22D型離心式通風(fēng)機(jī)目前的運(yùn)行工況點(diǎn)位于通風(fēng)機(jī)特性曲線右下側(cè)、單調(diào)下降的線段上，主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量3 476 m3/min，負(fù)壓為1 530 Pa，通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，處于安全合理的運(yùn)行狀態(tài)。G4-73-11№22D 型離心式通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為4 383 m3/min，供風(fēng)能力小，雖然目前通風(fēng)機(jī)風(fēng)量基本滿足安全需求，但后期進(jìn)一步提高供風(fēng)量的能力有限。

圖2 楊村煤礦北風(fēng)井G4-73-11№22D風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線

2.3 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學(xué)模型

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型本質(zhì)為大型非線性方程組，滿足風(fēng)量基本分配規(guī)律：

阻力定律：hi=Ri?Mi2

- 分支風(fēng)壓向量矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，=[H1,H2,…,Hn]T，Hi=hi-hNi-hfi

hi- 分支i的通風(fēng)阻力；hNi- 分支i的位能差；hfi-分支i的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；

Ri-分支風(fēng)阻；Mi-分支風(fēng)量

對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(分支n，節(jié)點(diǎn)m)，其獨(dú)立回路數(shù)：N=n-m+ 1。

3 改造方案及分析

3.1 礦井主要進(jìn)回風(fēng)巷道通風(fēng)能力分析

表1 列出了楊村煤礦主要進(jìn)回風(fēng)巷道的通風(fēng)能力。在進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)方面，存在的問(wèn)題是：①-273 軌道運(yùn)輸大巷：為南翼、東翼采區(qū)公共進(jìn)風(fēng)巷道，斷面小，僅10.4 m2，最大過(guò)風(fēng)量約5 000 m3/min，其中南部副井南繞道至東大巷口段目前風(fēng)速為6.2 m/s，礦井后期隨著東翼16、17 煤的開(kāi)拓，用風(fēng)量將大幅增加，此段風(fēng)速將超限，通風(fēng)阻力大，成為通風(fēng)卡脖子地段。②東大巷：為東翼3 煤采區(qū)與后期東翼16、17煤采區(qū)主要進(jìn)風(fēng)巷道，最大過(guò)風(fēng)量為5 472 m3/min，根據(jù)《兗州煤業(yè)股份有限公司楊村煤礦3 煤淺部采區(qū)方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》中3 煤接續(xù)安排，3 煤生產(chǎn)后期全部集中于東翼，風(fēng)量達(dá)4 000 m3/min，加上東翼16、17 煤采區(qū)用風(fēng)，此段巷道風(fēng)量將超限。③南三煤軌道上山：東翼3 煤采區(qū)主要進(jìn)風(fēng)巷道，最大過(guò)風(fēng)量約3 000 m3/min，3 煤總需風(fēng)量達(dá)4 000 m3/min，當(dāng)此巷道成為其唯一進(jìn)風(fēng)巷道時(shí)，風(fēng)速超限。

在回風(fēng)系統(tǒng)方面，問(wèn)題存在于總回風(fēng)巷道：①一采區(qū)軌道上山與一采區(qū)皮帶上山：并聯(lián)總回巷道，平均斷面僅6.4 m2，單條巷道最大過(guò)風(fēng)量約3 000 m3/min，累計(jì)6 000 m3/min，目前兩條巷道底鼓變形嚴(yán)重，局部地點(diǎn)有效通風(fēng)斷面僅3～4 m2，風(fēng)速超限，屬于通風(fēng)卡脖子地段，考慮到后期北風(fēng)井負(fù)擔(dān)的風(fēng)量約7 400 m3/min，需采取增加巷道斷面或增加并聯(lián)巷道的降阻措施。②-190 總回風(fēng)巷：連接北風(fēng)井的總回巷道，最大過(guò)風(fēng)量約5 400 m3/min，為了緩解后期總風(fēng)量7 400 m3/min 的通風(fēng)阻力，需同時(shí)使用北風(fēng)井南、北兩條巷道來(lái)分風(fēng)。

表1 礦井主要進(jìn)回風(fēng)巷道通風(fēng)能力

因此，楊村煤礦主要進(jìn)回風(fēng)巷道均存在一定的問(wèn)題，北翼總回風(fēng)巷道的問(wèn)題尤為突出。

3.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造效果預(yù)測(cè)

基于礦井通風(fēng)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，結(jié)合礦井安全生產(chǎn)實(shí)際，提出如下的四種井下降阻措施，見(jiàn)表2。

表2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案

經(jīng)過(guò)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，結(jié)果表明：①僅擴(kuò)修-273 軌道運(yùn)輸大巷(方案1)，能解決此段巷道風(fēng)速超限問(wèn)題，降低此段巷道通風(fēng)阻力，但對(duì)全礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響較小，礦井通風(fēng)總阻力由3 631.2 Pa降至3 473.6 Pa，根據(jù)《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》規(guī)定礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量在5 000～10 000 m3/min時(shí)，系統(tǒng)的通風(fēng)阻力應(yīng)小于2 500 Pa[12]，故此方案不滿足要求；②在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)修一采軌道、皮帶上山并增加一、三采并聯(lián)回風(fēng)巷道，即改善回風(fēng)系統(tǒng)(方案2)，此方案可大幅降低總回風(fēng)巷道通風(fēng)阻力，礦井通風(fēng)總阻力由3 473.6 Pa 降至2 717.2 Pa，仍不滿足安全要求；③進(jìn)一步采取井下降阻措施，即調(diào)整通風(fēng)設(shè)施將北翼采區(qū)風(fēng)量向南翼分流，控制分流風(fēng)量為500 m3/min，方案3 顯示礦井通風(fēng)總阻力降至2 509.9 Pa，基本滿足安全要求；④進(jìn)一步控制北翼采區(qū)風(fēng)量向南翼分流風(fēng)量為1 000 m3/min，方案4 顯示礦井通風(fēng)總阻力降至2 439.8 Pa，完全滿足安全要求。表3 反映了4 種改造方案后主要巷道風(fēng)阻力變化。

表3 改進(jìn)后主要進(jìn)回風(fēng)巷道通風(fēng)阻力 Pa

因此，為滿足安全要求，需要同時(shí)實(shí)施擴(kuò)修-273 軌道運(yùn)輸大巷，擴(kuò)修一采軌道、皮帶上山并增加一、三采并聯(lián)回風(fēng)巷道，北翼采區(qū)向南翼分流(分流風(fēng)量＞1 000 m3/min)等綜合井下降阻措施。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)通風(fēng)路線系統(tǒng)阻力分布分析，公共回風(fēng)段通風(fēng)阻力偏大通風(fēng)功耗多浪費(fèi)在進(jìn)回風(fēng)段，用風(fēng)段實(shí)際利用的很少。

(2)通過(guò)實(shí)施擴(kuò)修-273 軌道運(yùn)輸大巷，擴(kuò)修一采軌道、皮帶上山并增加三采軌道、皮帶上山并聯(lián)回風(fēng)巷道，北翼采區(qū)向南翼分流(分流風(fēng)量≥1 000 m3/min)等綜合井下降阻措施，礦井通風(fēng)總阻力降至2 439.8 Pa，完全滿足《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》安全要求。