張景鋼,謝 宏,康孟元，孫 鑫

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2. 河北冀中能源東龐煤礦，邢臺(tái) 05400)

0 引言

隨著煤開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采深度的增加，遇到的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，不但給開(kāi)采帶來(lái)難度，而且一些礦井面臨許多通風(fēng)問(wèn)題。隨著礦區(qū)面積的增加一些礦井的通風(fēng)線路變長(zhǎng)，礦井所需的通風(fēng)阻力和風(fēng)量明顯增大。這些條件的變化導(dǎo)致礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，導(dǎo)致原有的通風(fēng)系統(tǒng)已不能滿足安全生產(chǎn)的需要，因此對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)顯得尤為重要。

礦井通風(fēng)系統(tǒng)反映礦井設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，關(guān)系著井建速度、基建投資和投產(chǎn)時(shí)間，對(duì)礦井投產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)效益有很大的影響[1]。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,它服務(wù)于生產(chǎn)系統(tǒng),同時(shí)又制約著生產(chǎn)系統(tǒng)。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)劣好壞,直接影響著礦井的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治和經(jīng)濟(jì)效益[2]。在實(shí)際生產(chǎn)中,往往由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的不合理,影響了礦井的正常生產(chǎn)和礦井的抗災(zāi)能力,導(dǎo)致礦井經(jīng)濟(jì)效益的嚴(yán)重滑坡。為確保礦井安全生產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn),提高礦井的抗災(zāi)能力,最終提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益,通風(fēng)系統(tǒng)必須保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。因此,建立完善、合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)和提高效益的基本保證[3]。實(shí)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造正是為這一目的而進(jìn)行的,它是通風(fēng)管理工作和礦井設(shè)計(jì)過(guò)程中的一項(xiàng)主要任務(wù)和內(nèi)容。

1 礦井概況

東龐煤礦位于河北省內(nèi)丘縣西南，北距內(nèi)丘縣城10公里，南距邢臺(tái)市20公里。目前礦井主采2#號(hào)煤，該煤層厚度0～9.47 m，平均厚度4.18 m。截至2018年底，2#號(hào)煤剩余工業(yè)儲(chǔ)量9619.4萬(wàn)噸，可采儲(chǔ)量6141.7萬(wàn)噸，村莊壓煤量2231.5萬(wàn)噸，大巷煤柱1452.8萬(wàn)噸。東龐井開(kāi)采2#號(hào)煤層，按規(guī)劃，可布置工作面的煤量為4606萬(wàn)噸。

1.1 礦井通風(fēng)現(xiàn)狀

東龐煤礦通風(fēng)為混合、抽出式通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)井為主井、副井、二煤擴(kuò)延區(qū)箕斗井、新風(fēng)井，二煤擴(kuò)延區(qū)箕斗井為輔助進(jìn)風(fēng)井，回風(fēng)井為南風(fēng)井、北風(fēng)井和東風(fēng)井。南風(fēng)井服務(wù)9#采區(qū)、9北輔助采區(qū)等南翼地區(qū)和二煤擴(kuò)延區(qū)，北風(fēng)井服務(wù)6#采區(qū)、10#采區(qū)、-480二期區(qū)域等北翼地區(qū)，東風(fēng)井服務(wù)11#采區(qū)、12#采區(qū)等三水平東翼區(qū)域風(fēng)量[4]。其中：礦井總進(jìn)風(fēng)25799 m3/min，礦井總回風(fēng)量27239 m3/min，主要通風(fēng)機(jī)總排風(fēng)量28300 m3/min，總進(jìn)風(fēng)量比礦井需風(fēng)量大，目前基本滿足礦井生產(chǎn)的通風(fēng)量的需求。

1.2 通風(fēng)問(wèn)題及需風(fēng)量分析

根據(jù)礦井十年規(guī)劃，結(jié)合擬定的配風(fēng)原則，計(jì)算出至2023年各風(fēng)井計(jì)劃需風(fēng)量達(dá)到最大。

-480水平深部的11#、12#采區(qū)風(fēng)量緊張是急需解決的問(wèn)題，尤其12#采區(qū)，關(guān)系到2020年及以后的采掘部署是否能夠落實(shí)。后續(xù)需風(fēng)量至少 18000 m3/min，風(fēng)量缺口約6000～8000 m3/min。

表1 2023年計(jì)劃用風(fēng)表

目前，12#采區(qū)供風(fēng)6500 m3/min，11#采區(qū)供風(fēng)3700 m3/min，總計(jì)10200 m3/min；區(qū)域通風(fēng)由東風(fēng)井擔(dān)負(fù)、長(zhǎng)期負(fù)重爬坡，目前已經(jīng)達(dá)到極限。但實(shí)際總需風(fēng)量為18000 m3/min，其中：12#采區(qū)12000 m3/min(一個(gè)6.5 m高架回采工作面、一個(gè)5 m 備用工作面、一個(gè)撤架工作面、兩個(gè)底板巖巷、四個(gè)煤巷掘進(jìn)、其他硐室)，11#采區(qū)6000 m3/min(一個(gè)5 m回采工作面、兩個(gè)煤巷掘進(jìn)、其他硐室)。而目前風(fēng)量缺口約7800 m3/min，其中12#采區(qū)5500 m3/min,11#采區(qū)2300 m3/min。

1.3 礦井通風(fēng)阻力

根據(jù)2019年5月的《煤礦在用主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全檢驗(yàn)報(bào)告》、《礦井通風(fēng)阻力測(cè)定報(bào)告》，結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，礦井通風(fēng)阻力為表2所示。

表2 主要路線通風(fēng)阻力測(cè)算結(jié)果表

1.4 主要通風(fēng)機(jī)參數(shù)

下面分別是北風(fēng)井、東風(fēng)井、南風(fēng)井的主要通風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖。

圖1 北風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

圖2 東風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

圖3 南風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 初選方案一

新風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)增設(shè)1個(gè)回風(fēng)井，形成12#采區(qū)獨(dú)立回風(fēng)。

(1) 方案描述

在12#采區(qū)邊界的新風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)新建風(fēng)井(暫命名為“新回風(fēng)井”)，以保證前后銜接、平穩(wěn)過(guò)渡。新井直徑7.2 m，井深720 m，面積40.7 m2。為保證巷道風(fēng)速滿足要求，12#采區(qū)施工一條回風(fēng)巷。永久隔離11#采區(qū)回風(fēng)巷與12#采區(qū)回風(fēng)巷，使兩個(gè)采區(qū)均形成獨(dú)立通風(fēng)格局。新回風(fēng)井安設(shè)豪頓華或GAF型主要通風(fēng)機(jī)，投運(yùn)后，調(diào)整新回風(fēng)井和東風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)葉片角度，滿足11#、12#采區(qū)需風(fēng)。[5]

12#采區(qū)邊界新風(fēng)井區(qū)域增設(shè)1個(gè)回風(fēng)井，負(fù)擔(dān)12#采區(qū)，形成12#采區(qū)獨(dú)立回風(fēng)，現(xiàn)新風(fēng)井擔(dān)負(fù)12#采區(qū)供風(fēng)。11#采區(qū)最多時(shí)1個(gè)回采工作面、兩個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面，預(yù)計(jì)用風(fēng)在5000 m3/min以上，11#采區(qū)供風(fēng)由東風(fēng)井負(fù)擔(dān)。北風(fēng)井負(fù)擔(dān)2600輔助采區(qū)，南風(fēng)井負(fù)擔(dān)2900采區(qū)及二煤擴(kuò)延區(qū)，形成四進(jìn)四回系統(tǒng)。

圖4 初選方案一通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(2) 改造工程

① 12#采區(qū)邊界，新風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，增加一條新回風(fēng)井，井深720 m，直徑7.2 m，面積40.7 m2；選用東風(fēng)井風(fēng)機(jī)ANN-25001250B，角度66°或南風(fēng)井風(fēng)機(jī)GAF，-1°。

② 12#采區(qū)掘進(jìn)一條回風(fēng)巷與新回風(fēng)井溝通，根據(jù)工程進(jìn)度(采掘部署)選擇巷道長(zhǎng)度，約1500 m，斷面積不小于20 m2；延長(zhǎng)12#采區(qū)原回風(fēng)巷與新回風(fēng)井溝通。

③ 隔離11#采區(qū)與12#采區(qū)回風(fēng)，兩個(gè)采區(qū)均形成獨(dú)立通風(fēng)局面；在東翼總回風(fēng)北巷與12#采區(qū)回風(fēng)巷交叉點(diǎn)建造永久密閉予以隔離。

④ 系統(tǒng)改造后，東風(fēng)井風(fēng)機(jī)只擔(dān)負(fù)11#采區(qū)用風(fēng)，需風(fēng)量減小，所以需要將東風(fēng)井風(fēng)機(jī)調(diào)整角度，由66°調(diào)整到55°。

⑤ 系統(tǒng)改造后，12#采區(qū)由新風(fēng)井進(jìn)風(fēng)、新回風(fēng)井回風(fēng)，12#采區(qū)可用風(fēng)量顯著增加，預(yù)計(jì)供風(fēng)量為11700 m3；11#采區(qū)由主副井進(jìn)風(fēng)、東風(fēng)井回風(fēng)，供風(fēng)量為5400 m3。

新回風(fēng)井投運(yùn)后，整個(gè)-480水平深部的通風(fēng)系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單，11#采區(qū)、12#采區(qū)均形成一個(gè)進(jìn)風(fēng)井、一個(gè)回風(fēng)井的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，抗災(zāi)能力大大增強(qiáng)；較改造前通風(fēng)系統(tǒng)有顯著提高，風(fēng)量增長(zhǎng)約6000 m3，能夠滿足未來(lái)采掘配風(fēng)需求，并有提升空間，保障礦井全生命周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3) 風(fēng)網(wǎng)解算

初選方案一的風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

(4) 模擬結(jié)果分析

① 南風(fēng)井風(fēng)機(jī)、北風(fēng)井風(fēng)機(jī)主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)都處在高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，能力滿足供風(fēng)需要；

② 新建12#采區(qū)邊界回風(fēng)井，東風(fēng)井、新回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)均在高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，能夠滿足后期用風(fēng)需要；

③ 各用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量均能滿足要求。12#采區(qū)供風(fēng)195 m3/s，11#采區(qū)供風(fēng)90 m3/s；新井進(jìn)風(fēng)186.4 m3/s，滿足要求；

④ 礦井北翼淺部、深部分別由北風(fēng)井、東風(fēng)井、新回風(fēng)井分區(qū)供風(fēng)，分區(qū)通風(fēng)合理；

⑤ 11#、12#采區(qū)分區(qū)供風(fēng)，提高了用風(fēng)保障可靠性程度；

⑥ 11#采區(qū)分區(qū)供風(fēng)，12#采區(qū)通風(fēng)路線縮短，提高了用風(fēng)保障可靠性程度。

結(jié)論：增加12#采區(qū)邊界新回風(fēng)井，可以解決礦井目前存在的通風(fēng)問(wèn)題，能夠保障礦井全生命周期運(yùn)轉(zhuǎn)，該方案可以采用。

2.2 初選方案二

2600上山(地面矸石山廣場(chǎng))新建進(jìn)風(fēng)井，新風(fēng)井改為回風(fēng)井

(1) 方案描述

該方案是在2600上山處地面矸石山廣場(chǎng)內(nèi)新建進(jìn)風(fēng)井，將12#采區(qū)邊界處的新風(fēng)井改為回風(fēng)井。在2600上山處地面矸石山廣場(chǎng)內(nèi)新建風(fēng)井(暫命名為2600新進(jìn)風(fēng)井)，為保證前后銜接、平穩(wěn)過(guò)渡。新井直徑7.2 m，井深400 m，面積40.7 m2。調(diào)整2600采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，將2600軌道上山由回風(fēng)巷改為進(jìn)風(fēng)巷，整修2600皮帶上山，降低-480水平深部進(jìn)風(fēng)側(cè)通風(fēng)阻力[6-7]。在2600新進(jìn)風(fēng)井底施工石門(mén)與2600軌道上山、皮帶上山溝通。為保證巷道風(fēng)速滿足要求，12#采區(qū)施工一條回風(fēng)巷。永久隔離11#采區(qū)回風(fēng)巷與12采區(qū)回風(fēng)巷，使兩個(gè)采區(qū)均形成獨(dú)立通風(fēng)格局。將12#采區(qū)邊界的新風(fēng)井改造為回風(fēng)井，安設(shè)豪頓華或GAF型主要通風(fēng)機(jī)，投運(yùn)后，調(diào)整新回風(fēng)井和東風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)葉片角度，滿足11#、12#采區(qū)需風(fēng)。[6]

改造完畢后，2900采區(qū)、二煤擴(kuò)延區(qū)由主副井、二煤箕斗井進(jìn)風(fēng)，南風(fēng)井回風(fēng)；2600輔助采區(qū)由主副井、2600新進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，北風(fēng)井回風(fēng)；11#采區(qū)由主副井、2600新進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井回風(fēng)；12#采區(qū)由主副井、2600新進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，新回風(fēng)井回風(fēng)。礦井形成四進(jìn)四回通風(fēng)系統(tǒng)。

圖5 初選方案二前期通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(2)改造工程

① 為降低2600輔助采區(qū)、11#采區(qū)、12#采區(qū)進(jìn)風(fēng)阻力，首先擴(kuò)巷整修2600回風(fēng)上山保證通風(fēng)斷面，長(zhǎng)度約600 m；之后進(jìn)行局部通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，將2600軌道上山、2600皮帶上山調(diào)整為主要進(jìn)風(fēng)巷，其中2600皮帶上山需處理冒頂約1000 m。

② 在2600上山，地面矸石山廣場(chǎng)內(nèi)增加一條新進(jìn)風(fēng)井，井深400 m，直徑7.2 m，面積40.7 m2。

③ 在新進(jìn)風(fēng)井底施工石門(mén)與2600軌道上山、皮帶上山溝通。

④ 將12#采區(qū)邊界新風(fēng)井改造為回風(fēng)井，選用東風(fēng)井風(fēng)機(jī)ANN-2500 1250B或南風(fēng)井風(fēng)機(jī)GAF，角度66°或-1°。

⑤ 12#采區(qū)掘進(jìn)一條回風(fēng)巷與新回風(fēng)井溝通，根據(jù)工程進(jìn)度(采掘部署)選擇巷道長(zhǎng)度，約1500 m，斷面積不小于20 m2；延長(zhǎng)12#采區(qū)原回風(fēng)巷與新回風(fēng)井溝通。

隔離11#采區(qū)與12#采區(qū)回風(fēng)，兩個(gè)采區(qū)均形成獨(dú)立通風(fēng)局面；在東翼總回風(fēng)北巷與12#采區(qū)回風(fēng)巷交叉點(diǎn)建造永久密閉予以隔離。

系統(tǒng)改造后，東風(fēng)井風(fēng)機(jī)只擔(dān)負(fù)11#采區(qū)用風(fēng)，需風(fēng)量減小，所以需要將東風(fēng)井風(fēng)機(jī)調(diào)整角度，由66°調(diào)整到55°。

⑥ 系統(tǒng)改造后，12#采區(qū)可用風(fēng)量顯著增加，預(yù)計(jì)供風(fēng)量為12060 m3/min；11#采區(qū)預(yù)計(jì)供風(fēng)量為5430 m3/min。

2600新回風(fēng)井投運(yùn)及新風(fēng)井改造后，降低了主要用風(fēng)地點(diǎn)進(jìn)風(fēng)阻力，并通過(guò)一系列通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，使11#采區(qū)、12#采區(qū)均形成獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，抗災(zāi)能力大大增強(qiáng)；較改造前通風(fēng)系統(tǒng)有顯著提高，風(fēng)量增長(zhǎng)約6000 m3/min，能夠滿足未來(lái)采掘配風(fēng)需求，并有提升空間，保障礦井全生命周期運(yùn)轉(zhuǎn)。[7]

(3) 風(fēng)網(wǎng)解算

初選方案二的風(fēng)網(wǎng)解算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

(4) 模擬結(jié)果分析

① 南風(fēng)井風(fēng)機(jī)、北風(fēng)井風(fēng)機(jī)主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)都處在高效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)，能力滿足供風(fēng)需要；

② 各用風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量均能滿足要求。12#采區(qū)供風(fēng)202.39 m3/s，11#采區(qū)供風(fēng)91.53 m3/s；新風(fēng)井進(jìn)風(fēng)340.8 m3/s，滿足要求；

③ 礦井北翼淺部、深部分別由北風(fēng)井、東風(fēng)井、新風(fēng)井分區(qū)供風(fēng)，分區(qū)通風(fēng)較為合理；

④ 11#、12#采區(qū)分區(qū)供風(fēng)，提高了用風(fēng)保障可靠性程度；

⑤ 2600進(jìn)風(fēng)巷道及-480水平深部進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)量較高，存在風(fēng)速超限問(wèn)題。

結(jié)論：2600上山新建進(jìn)風(fēng)井，新風(fēng)井改回風(fēng)，能夠解決礦井目前存在的通風(fēng)問(wèn)題。

3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

3.1 方案概述

我們將初選方案一、初選方案二兩個(gè)個(gè)方案納入經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。以上兩個(gè)方案經(jīng)模擬解算驗(yàn)證，從主要通風(fēng)機(jī)工況的合理性、礦井總風(fēng)量、十二采區(qū)供風(fēng)量等重要指標(biāo)來(lái)考察，都是可行的；對(duì)照《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》(AQ1028-2006)等法規(guī)，也是合法的。[7]但在總的工程量、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性方面存在差異。[8-9]

3.2 方案工程對(duì)比

工程對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 方案工程對(duì)比

續(xù)表

從表7可知，盡管方案二優(yōu)化效果不錯(cuò)，但是實(shí)際工程量相比方案一大許多。通過(guò)工程比較，建議選擇方案一，作為優(yōu)選方案。

3.3 技術(shù)可行性

技術(shù)方案比較見(jiàn)表6。

表6 技術(shù)方案比較

從對(duì)比表中可知，方案一、方案二風(fēng)量、風(fēng)壓均能達(dá)到要求，均達(dá)到預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)。但是做系統(tǒng)改造期間，方案一明顯對(duì)生產(chǎn)影響較小，且東龐礦瓦斯問(wèn)題比較突出，方案二在系統(tǒng)調(diào)整期間，瓦斯管理難度陡然增大，所以從安全可靠角度，方案一較為合理。

3.4 經(jīng)濟(jì)合理性

方案經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表7。

表7 方案經(jīng)濟(jì)性比較

從整體工程費(fèi)用概算來(lái)看，方案一需要8960萬(wàn)元，方案二需要11200萬(wàn)元。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，方案一更好。

4 結(jié)論

(1) 本文首先對(duì)多風(fēng)井耦合礦井——東龐煤礦的通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，分析得出東龐煤礦在通風(fēng)系統(tǒng)上存在的問(wèn)題，從而提出兩個(gè)改造方案。對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行總體描述，然后對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行了工程對(duì)比，并對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性、安全可靠性比較。方案一動(dòng)用工程更少，技術(shù)可行性更強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)上更為合理。此方案可以服務(wù)到礦井結(jié)束，期間不用做大的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整，具備保障東龐煤礦生產(chǎn)原煤390萬(wàn)噸/年的通風(fēng)能力，可以服務(wù)到礦井結(jié)束，都不需要再做大的調(diào)整。故建議采用方案一。

(2) 多風(fēng)井耦合礦井通風(fēng)問(wèn)題是當(dāng)下亟需面對(duì)的問(wèn)題，隨著很多礦井進(jìn)入深部以及衰老期，多風(fēng)井耦合，相互影響，極大的影響對(duì)礦井通風(fēng)安全穩(wěn)定性及抗災(zāi)能力。

(3) 多風(fēng)井耦合礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究對(duì)該類礦山進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造具有一定的指導(dǎo)意義。實(shí)例中最優(yōu)方案優(yōu)化效果是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算的結(jié)果，與工程實(shí)際狀態(tài)存在一定的誤差。由于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造工程施工滯后，其優(yōu)化效果有待進(jìn)一步探究。