武溫博

(西山煤電(集團(tuán))公司 組織人事處，山西 太原 030053)

目前，隨著山西整合礦井規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，礦井設(shè)計朝著機(jī)械化、集約化的方向發(fā)展［1］。為此，在礦井設(shè)計中，降低粉塵、瓦斯等危害成為煤礦設(shè)計的關(guān)鍵。良好的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是實現(xiàn)有效控制工作面粉塵、降低瓦斯?jié)舛茸钣行У氖侄危?］。因此，有必要結(jié)合企業(yè)實際，進(jìn)行有效的通風(fēng)系統(tǒng)分析設(shè)計，以滿足風(fēng)量要求，實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，必須結(jié)合煤礦實際的地質(zhì)條件，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出適用于本煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計方案，并結(jié)合設(shè)計理論，進(jìn)行通風(fēng)風(fēng)量、總風(fēng)阻經(jīng)驗公式的推導(dǎo)。本文結(jié)合古書院煤礦的生產(chǎn)實際，對該礦通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了合理的設(shè)計。

1 礦井概況

古書院煤礦位于山西省東南部沁水煤田，屬低瓦斯礦井。井田內(nèi)地形以構(gòu)造剝蝕中低山為主，地表北部為基巖出露，南部為黃土覆蓋，地貌屬低山丘陵。井田東西7 km，南北5 km，面積25.418 km2?？刹擅簩訛? 層，其中9#煤為主采煤層，平均厚度是11.5 m，角度平均是5°，可采儲量約168.43 Mt。該礦年產(chǎn)量3 Mt，服務(wù)年限為54 年。

該礦采用斜井單水平盤區(qū)式開拓方式，采煤方法為長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采。為提高開采效率，井田劃分為4 個帶區(qū)，即東區(qū)南翼為一帶區(qū)、北翼為二帶區(qū);西區(qū)南翼為三帶區(qū)、北翼為四帶區(qū)。帶區(qū)內(nèi)布置1 個綜放工作面和一備用面，根據(jù)通風(fēng)需要，1 個工作面布置2 條順槽，留大煤柱護(hù)巷，工作面回采后采用連采機(jī)回收煤柱。運(yùn)輸大巷采用膠帶運(yùn)煤，大巷輔助運(yùn)輸采用無軌膠輪車運(yùn)輸材料和矸石。

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計原則

礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計主要滿足投產(chǎn)快、出煤多、安全可靠、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理等總原則。對于古書院煤礦主要考慮以下幾個方面。

1)每個礦井至少要有2 個通到地面的安全出口，各個出口之間的距離不得小于30 m;如果采用中央并列式通風(fēng)，還要在井田邊界附近設(shè)置安全出口。

2)進(jìn)風(fēng)井口要避免污風(fēng)、塵土、煉焦氣體、矸石燃燒氣體等的侵入。進(jìn)風(fēng)井口距離產(chǎn)生煙塵、有害氣體的地點不得小于500 m。

3)各工作面的回風(fēng)在進(jìn)入采區(qū)回風(fēng)道之前、各采區(qū)的回風(fēng)在進(jìn)入回風(fēng)水平之前都不能任意貫通，下水平的回風(fēng)流和上水平的進(jìn)風(fēng)流必須嚴(yán)格隔開。

4)符合采區(qū)通風(fēng)和掘進(jìn)通風(fēng)的若干要求，滿足防治瓦斯、火、塵、水和高溫對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的要求，有利于深水平或后期通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展變化。

3 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

古書院煤礦通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，確定礦通風(fēng)系統(tǒng)布置方式、回采及掘進(jìn)工作面通風(fēng)方式，并依據(jù)該礦工作實際，確定礦井風(fēng)量、礦井通風(fēng)阻力，在此基礎(chǔ)上，選擇礦井通風(fēng)設(shè)備。

3.1 通風(fēng)方式的確定

該礦主采煤層屬近水平煤層，煤層無自燃發(fā)火危險，因此，選用中央分列式通風(fēng)方式。采用這種通風(fēng)方式具有風(fēng)流不折返、阻力小、便于管理回風(fēng)井防塵系統(tǒng)設(shè)備等優(yōu)點。此外，由于煤層埋藏較淺，未見地表和采空區(qū)溝通跡象，因此采用抽出式通風(fēng)。

由該礦地質(zhì)條件可知:采區(qū)相對瓦斯涌出量較低，煤塵無爆炸危險性。為避免煤塵飛揚(yáng)，降低進(jìn)風(fēng)流中瓦斯及煤塵的濃度，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計為輔助運(yùn)輸大巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷回風(fēng)的布置方式。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定回采工作面進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷布置方式。U 型后退式布置具有采空區(qū)漏風(fēng)小的特點，與Y 型和W 型、X 型相比，其布置簡單，工程量、維護(hù)費用低，適用于低瓦斯礦井。因此，選擇U型布置方式。

掘進(jìn)工作面的通風(fēng)方法設(shè)計為壓入式局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)法。壓入式通風(fēng)優(yōu)點是局部通風(fēng)機(jī)在新風(fēng)中，安全性好;有效射程遠(yuǎn)，風(fēng)量大，可防止瓦斯層狀積聚;正壓通風(fēng)，可使用柔性風(fēng)筒。由于掘進(jìn)過程中的瓦斯涌出量較大，宜采用壓入式通風(fēng)，見圖1。

圖1 壓入式通風(fēng)示意圖

3.2 礦井風(fēng)量計算

礦井風(fēng)量計算依據(jù)從用風(fēng)點由里向外的計算方法。逆風(fēng)時將用風(fēng)點計算值×1.2，即為各風(fēng)點實際風(fēng)量。順風(fēng)流而下時，遇到分風(fēng)點則需綜合其它風(fēng)路的風(fēng)量，一起分配給未分風(fēng)前的風(fēng)路，作為該風(fēng)路的分量，直至確定進(jìn)風(fēng)井的風(fēng)量。

1)采煤工作面所實際需求風(fēng)量Qca。

工作面實際需要風(fēng)量應(yīng)按瓦斯涌出量、工作面氣溫、風(fēng)速和人數(shù)等規(guī)定分別計算后，取其最大值，計算公式如下:

式中:

qca—工作面瓦斯平均絕對涌出量，m3/min;

kca—瓦斯涌出不均衡系數(shù);

Vca—工作面風(fēng)速，m/s;

Sca—工作面平均斷面積，m2;

φca—單人每分鐘供給風(fēng)量，m3/min;

Nca—工作面同時工作人數(shù)上限。

在此基礎(chǔ)上，利用工作面最低、最高風(fēng)速對實際需風(fēng)量進(jìn)行驗算。

2)掘進(jìn)工作面需風(fēng)量。

各掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量計算為按工作面瓦斯涌出量計算與按人數(shù)計算求得風(fēng)量的最大值，計算公式如下:

式中:

Qjue—掘進(jìn)工作面實際需風(fēng)量，m3/min;

qjue—瓦斯的平均絕對涌出量，m3/min;

kjue—瓦斯涌出不均衡系數(shù);

Njue—工作面同時工作的人數(shù)上限。

3)其它巷道所需風(fēng)量。

其它巷道所需風(fēng)量依據(jù)巷道實測瓦斯涌出量和設(shè)計風(fēng)速計算，并取其最大值，公式如下:

式中:

Qq—其它巷道所需風(fēng)量，m3/min;

qq—瓦斯的平均絕對涌出量，m3/min;

kq—瓦斯涌出不均衡系數(shù);

Nq—工作人數(shù)上限。

4)礦井總風(fēng)量。

礦井總風(fēng)量根據(jù)各用風(fēng)地點需風(fēng)量、采用由里向外配風(fēng)得到總風(fēng)量，公式如下:

式中:

Q—礦井總風(fēng)量;

Qbe—備用工作面所需風(fēng)量;

Qdong—硐室需風(fēng)量。

3.3 礦井總風(fēng)阻計算

古書院礦為單水平開采，一帶區(qū)服務(wù)15 年后，二帶區(qū)接替，其服務(wù)年限為9 年。因此，首采帶區(qū)的101#工作面為通風(fēng)容易時期，二帶區(qū)最后212#工作面為通風(fēng)困難時期，設(shè)計通風(fēng)容易和困難時期的通風(fēng)立體圖［3］、網(wǎng)路圖及最大阻力路線圖［4］。在此基礎(chǔ)上，礦井總風(fēng)阻計算只需考慮容易、困難兩個時期的極限值即可。

1)確定礦井通風(fēng)容易時期對應(yīng)的用風(fēng)點的總風(fēng)阻Re，其計算公式如下:

式中:

fe—巷道摩擦阻力，MPa;

l—巷道長度，m;

U—巷道周長，m;

Qe—礦井通風(fēng)容易時期的總風(fēng)量，m3/s;

A—巷道面積，m2。

2)礦井通風(fēng)困難時期對應(yīng)的用風(fēng)點的總風(fēng)阻Rd計算公式如下:

式中:

Qd—礦井通風(fēng)容易時期的總風(fēng)量，m3/s。

3.4 礦井通風(fēng)設(shè)備的選擇

礦井通風(fēng)設(shè)備的選擇主要是主扇、電動機(jī)的選型。其中，主扇是在確定通風(fēng)容易和通風(fēng)困難兩個時期主扇運(yùn)轉(zhuǎn)時工況點的基礎(chǔ)上，利用扇風(fēng)機(jī)的特性曲線確定。主扇工況點是主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻曲線與通風(fēng)機(jī)特性曲線的交點，主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻曲線由風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和風(fēng)量關(guān)系確定;通風(fēng)機(jī)特性曲線則由主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)確定。依據(jù)上述分析得到通風(fēng)容易、困難兩個時期的風(fēng)阻關(guān)系如下:

式中:

fs_e、fs_d—分別表示通風(fēng)容易、困難兩個時期;

Rfs—風(fēng)阻，N·S2/m5;

Ffs—主扇靜風(fēng)壓力，Pa;

Qfs—實際風(fēng)量，m3/s。

根據(jù)通風(fēng)容易和困難時期風(fēng)阻，在扇風(fēng)機(jī)個體特性圖表上選定風(fēng)機(jī)，該礦前、后期風(fēng)機(jī)均選擇BDK618 -12 -No.40 對旋式軸流風(fēng)機(jī)，再依據(jù)該風(fēng)機(jī)的特性曲線(見圖2)得到扇風(fēng)機(jī)實際工況點A、B。

圖2 風(fēng)機(jī)實際工況點示意圖

由于主要通風(fēng)機(jī)輸入功率較大，通風(fēng)容易與困難時期均選用同一型號的同步電動機(jī)，再根據(jù)電動機(jī)的輸出功率和輸入功率以及主扇要求的轉(zhuǎn)速選擇型號為TD173/39 -12 的同步電動機(jī)。

4 結(jié) 論

礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，本文針對古書院煤礦生產(chǎn)需求，在分析通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，確定礦井通風(fēng)系統(tǒng)布置方式、回采及掘進(jìn)工作面通風(fēng)方式，并依據(jù)該礦工作實際，計算了礦井風(fēng)量、通風(fēng)阻力。在對礦井風(fēng)量、通風(fēng)阻力計算過程中，提出了適用于該礦地質(zhì)條件的經(jīng)驗公式。在此基礎(chǔ)上，完成了通風(fēng)機(jī)及電動機(jī)的選型，滿足了生產(chǎn)需要。

［1］ 莢勝豐.特大型礦井通風(fēng)系統(tǒng)合理性研究［J］. 中小企業(yè)管理與科技，2011(8):61 -63.

［2］ 林在康. 風(fēng)機(jī)裝置性能圖冊［M］. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:109 -112.

［3］ 徐瑞龍. 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1996:96 -97.