呂辰 包俊 劉輝 金侃

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 310018；2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽淮南 232001)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的組成部分，它在滿足井下工作人員新鮮空氣供給的同時(shí)，也擔(dān)負(fù)著排出作業(yè)點(diǎn)有毒有害氣體的任務(wù)，一個(gè)好的礦井通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)滿足“系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理”的整體設(shè)計(jì)原則[1]，即礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)簡(jiǎn)單明了，便于日常通風(fēng)管理，并且構(gòu)建的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還要穩(wěn)定可靠，不僅能滿足礦井日常安全生產(chǎn)的供風(fēng)調(diào)風(fēng)需求，還要能滿足礦井災(zāi)變時(shí)期礦井通風(fēng)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)紊亂的抗災(zāi)需求，同時(shí)礦井通風(fēng)系統(tǒng)日常運(yùn)行費(fèi)用要經(jīng)濟(jì)合理，減少煤礦運(yùn)營(yíng)成本[2]。

我國(guó)從20世紀(jì)50年代初開始逐步建立起礦井機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，到了20世紀(jì)60年代，建立了分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)和棋盤式通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)[3]。如今，利用人工智能，實(shí)現(xiàn)了“安全、節(jié)能”的礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)新技術(shù)，這為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力保障。當(dāng)然，隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，以及開采條件的愈加復(fù)雜，許多早先設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)有的日常生產(chǎn)，如某些巷道運(yùn)行風(fēng)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)巷道風(fēng)量忽大忽小，有時(shí)為零，甚至風(fēng)向反向；當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)布局發(fā)生變化時(shí)，礦井工作面風(fēng)量無法實(shí)現(xiàn)按需分配，甚至出現(xiàn)礦井通風(fēng)阻力增大分布不合理，礦井主要通風(fēng)機(jī)已不能滿足通風(fēng)需求。為滿足《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[4]，提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗災(zāi)能力，保障生產(chǎn)作業(yè)人員的生命健康與安全，迫切需要了解當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布情況，掌握礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的安全隱患，科學(xué)地進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定與分析

本文以潘北煤礦2014年通風(fēng)系統(tǒng)改造為例，通過對(duì)其通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的測(cè)定和解算分析，為通風(fēng)系統(tǒng)的全面優(yōu)化提供了基礎(chǔ)的參考依據(jù)。

1.1 潘北煤礦礦井概況

潘北礦為一單斜構(gòu)造，礦井地質(zhì)儲(chǔ)量2.56億t，可采儲(chǔ)量1.44億t，礦井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)能為240萬(wàn)t/a，礦井瓦斯平均絕對(duì)涌出量為13.33 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)34.75%～39.78%。測(cè)試時(shí)礦井采用立井多水平、分區(qū)石門開拓，工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)主、副井及中央風(fēng)井。生產(chǎn)水平標(biāo)高為-650 m，在-490 m增設(shè)輔助水平，分東一、西一、西二采區(qū)，有3個(gè)回采工作面(東一13-1煤、東一6-1煤、西一8煤)、1個(gè)備用工作面(西一5-2煤)和13個(gè)掘進(jìn)工作面。礦井采用中央并列抽出式機(jī)械通風(fēng)，主、副井為進(jìn)風(fēng)井，中央風(fēng)井為回風(fēng)井。風(fēng)井安裝了2臺(tái)ANN-3 800/2 000 N型軸流式抽風(fēng)機(jī)(1備1用)，配套1DD5809-8HC80-Z型異步電動(dòng)機(jī)，額定功率為3 000 kW，額定轉(zhuǎn)速為745 r/min。測(cè)試時(shí)礦井最大通風(fēng)流程5 318 m，風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行角度為32°，負(fù)壓1 842 Pa，總回風(fēng)量16 824 m3/min。

1.2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)解算的要求，首先采用氣壓計(jì)逐點(diǎn)測(cè)定法，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力進(jìn)行測(cè)算。測(cè)點(diǎn)沿入風(fēng)井口，經(jīng)井底車場(chǎng)、進(jìn)風(fēng)大巷、采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、工作面進(jìn)風(fēng)巷、工作面、工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷、回風(fēng)大巷、回風(fēng)井至風(fēng)硐風(fēng)機(jī)入口路線進(jìn)行布設(shè)。為了全面考察礦井通風(fēng)現(xiàn)狀，根據(jù)潘北礦生產(chǎn)實(shí)際情況，布置了東翼1121(3)工作面、西翼12128工作面、東翼采區(qū)11116工作面、東翼-650 m路線等4條測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)點(diǎn)應(yīng)滿足：①測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量為網(wǎng)絡(luò)圖中的節(jié)點(diǎn)，在分風(fēng)點(diǎn)或合風(fēng)點(diǎn)；②兩測(cè)點(diǎn)間的壓差應(yīng)不小于50 Pa。風(fēng)速測(cè)點(diǎn)則應(yīng)滿足：①測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在分(或合)風(fēng)點(diǎn)之前或之后、且巷道斷面速度場(chǎng)分布較穩(wěn)定的地點(diǎn)；②設(shè)在分(或合)風(fēng)點(diǎn)前方時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置不得小于巷道寬度的3倍；③設(shè)在分(或合)風(fēng)點(diǎn)后方時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置不得小于巷道寬度的8倍；④若需要在巷道轉(zhuǎn)彎、斷面變化大的地方設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，設(shè)在前方的不得小于巷道寬度的3倍；設(shè)在后方不得小于巷道寬度的8倍；⑤測(cè)點(diǎn)前、后3 m內(nèi)巷道的斷面形狀規(guī)則、支護(hù)良好、巷道內(nèi)無堆積物[5]。其中東翼1121(3)工作面測(cè)試系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置，如圖1所示，圖中帶圈數(shù)學(xué)表示工作面測(cè)點(diǎn)的具體位置，其他工作面測(cè)點(diǎn)布置省略。

圖1 1121(3)工作面測(cè)點(diǎn)布置

1.2.2 測(cè)試系統(tǒng)通風(fēng)阻力及自然風(fēng)壓計(jì)算

(1)測(cè)試系統(tǒng)總阻力計(jì)算。巷道兩測(cè)定斷面i與i+1之間的通風(fēng)阻力計(jì)算公式如下：

h(i,i+1)=hs(i,i+1)+hv(i,i+1)+hz(i,i+1)

(1)

式中，h(i,i+1)為測(cè)定斷面i與i+1之間的通風(fēng)阻力，Pa；hs(i,i+1)為斷面i與i+1之間的靜壓差，Pa；hv(i,i+1)為斷面i與i+1之間的動(dòng)壓差，Pa；hz(i,i+1)為斷面i與i+1之間的位能差，Pa。

靜壓差計(jì)算：

(2)

動(dòng)壓差計(jì)算：

(3)

式中，ρi、ρi+1分別為i、i+1測(cè)點(diǎn)的空氣密度，kg/m3；vi、vi+1分別為i、i+1測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s。

位能差計(jì)算：

hz(i,i+1)=9.81×ρm(Zi-Zi+1)

(4)

式中，Zi、Zi+1分別為測(cè)段上下兩測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高，m。

總阻力值計(jì)算：測(cè)試系統(tǒng)總阻力等于系統(tǒng)的通風(fēng)最困難路線上從進(jìn)風(fēng)井口到風(fēng)硐內(nèi)通風(fēng)機(jī)入口前各條巷道通風(fēng)阻力之和hr。

hr=∑h(i,i+1)

(5)

(2)測(cè)段風(fēng)阻及阻力系數(shù)計(jì)算。

巷道風(fēng)阻：

(6)

式中，R(i,i+1)為測(cè)段(i,i+1)的風(fēng)阻，N·s2/m8；Q(i,i+1)為測(cè)段(i,i+1)的風(fēng)量，m3/s。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)阻計(jì)算：

(7)

巷道百米阻力：

(8)

式中，h100(i,i+1)為測(cè)段百米阻力，Pa；L(i,i+1)為測(cè)段長(zhǎng)度，m。

巷道阻力系數(shù)：

(9)

式中，α(i,i+1)為測(cè)段阻力系數(shù)，N·s2/m4；S(i,i+1)為測(cè)段平均斷面，m2；U(i,i+1)為測(cè)段平均周長(zhǎng)，m。

1.2.3 通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果

依據(jù)式(1)—式(9)，東翼1121(3)工作面測(cè)試系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。西翼12128工作面、東翼采區(qū)11116工作面、東翼-650 m路線測(cè)試系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果略。

表1 東翼1121(3)工作面測(cè)試系統(tǒng)總阻力計(jì)算結(jié)果

表2 東翼1121(3)工作面測(cè)試系統(tǒng)測(cè)段風(fēng)阻及阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

潘北煤礦各測(cè)試系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 通風(fēng)系統(tǒng)阻力及路線長(zhǎng)度分布

1.3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)與分析

(1)東翼采區(qū)11116工作面通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果分析。由表3可知，東翼11116工作面通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)段阻力占系統(tǒng)總阻力的比率較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析可知，主要原因在于-480 m～-390 m東翼回風(fēng)下山測(cè)段安裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施，-490 m頂板回風(fēng)繞道測(cè)段存在90°的大幅轉(zhuǎn)角，且巷道通風(fēng)斷面不規(guī)則，造成局部阻力較大。

(2)西翼采區(qū)12128工作面通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果分析。由表3可知，西翼12128工作面通風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)段阻力占系統(tǒng)總阻力的比率較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析可知，主要原因在于-490 m西翼回風(fēng)石門測(cè)段和-490 m西翼回風(fēng)巷測(cè)段安裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施，局部阻力較大。

(3)東翼采區(qū)1121(3)工作面通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果分析。由表3可知，東翼1121(3)工作面通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布不合理，回風(fēng)段阻力占系統(tǒng)總阻力的比率較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析可知，主要原因在于-490 m頂板回風(fēng)繞道測(cè)段有幾個(gè)90°的大幅轉(zhuǎn)角，且巷道不規(guī)則，造成局部阻力較大。

(4)東翼采區(qū)-650 m通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果分析。由表3可知，東翼-650 m路線通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段阻力占系統(tǒng)總阻力的比率較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析可知，主要原因在于-636 m東翼回風(fēng)大巷測(cè)段有風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)施，局部阻力較大。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

(1)礦井局部通風(fēng)能力較弱，出現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中因人為調(diào)阻設(shè)施設(shè)置不合理所導(dǎo)致的局部斷面減小，風(fēng)速超限現(xiàn)象嚴(yán)重，如-636 m東翼回風(fēng)大巷，有局部人為調(diào)阻設(shè)施，通風(fēng)斷面S=4 m2，風(fēng)速為v=14.8 m/s，嚴(yán)重超限。

(2)礦井通風(fēng)風(fēng)量分配不合理，出現(xiàn)部分巷道風(fēng)量不穩(wěn)，漏風(fēng)、風(fēng)流短路、紊亂以及有害氣體涌出等現(xiàn)象，如在測(cè)算過程中發(fā)現(xiàn)巷道-490～-556 m泄水巷測(cè)段風(fēng)流很不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為上部風(fēng)反向，中下部風(fēng)正向，巷道整段風(fēng)量較小。

(3)內(nèi)部通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不暢，存在部分巷道通風(fēng)阻力較高，如1121(3)上順槽的上隅角處有一個(gè)斷面僅4 m2的“卡脖子”地帶，且1121(3)上順槽堆積有大量支架、設(shè)備材料，導(dǎo)致測(cè)段阻力損失達(dá)到561 Pa，占系統(tǒng)總阻力30.8%，該段阻力對(duì)礦井總阻力大小造成了直接影響。

3 結(jié)論與建議

(1)中央風(fēng)井系統(tǒng)最困難阻力路線經(jīng)過1121(3)工作面，而1121(3)上順槽有卡脖子現(xiàn)象，該處通風(fēng)斷面較小直接影響礦井總阻力，建議及時(shí)對(duì)1121(3)上順槽卡脖子處進(jìn)行清理、擴(kuò)巷，保證巷道風(fēng)流暢通。

(2)通過對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬分析可知，對(duì)1121(3)上順槽卡脖子處進(jìn)行清理、擴(kuò)巷后，其它地點(diǎn)調(diào)節(jié)設(shè)施保持不變，則1121(3)工作面風(fēng)量將過剩，而其它的工作面風(fēng)量不足；建議對(duì)1121(3)上順槽卡脖子處進(jìn)行清理、擴(kuò)巷后，同時(shí)改變其它采區(qū)調(diào)節(jié)設(shè)

施的斷面大小。模擬結(jié)果顯示，在所有用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量滿足的情況下，主要通風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行角度大約為30°，可使中央風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降3.3 m3/s，負(fù)壓下降138 Pa，風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗降低5.8%。

(3)-490～-556 m泄水巷風(fēng)很不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在上部風(fēng)反向，中下部風(fēng)正向，巷道風(fēng)量較小，建議對(duì)其加強(qiáng)管理。

(4)-650～-570 m皮帶上山為-650 m和-570 m兩個(gè)水平直接的角聯(lián)巷道，風(fēng)流方向直接受這兩個(gè)水平需風(fēng)量的影響，建議合理分布這兩個(gè)水平的用風(fēng)地點(diǎn)數(shù)量。