武 超

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司 ，山西 太原 030006）

0 引 言

煤炭資源目前在我國(guó)仍占據(jù)著較大的比例，是不可或缺的能源之一，如何針對(duì)煤炭資源進(jìn)行安全高效的開采，是廣大科研學(xué)者研究的重要課題之一[1,2]。高瓦斯煤炭資源開采過(guò)程中最大的危險(xiǎn)源即為瓦斯事故，今年來(lái)多起重大瓦斯事故都造成了較大的危害，歸其原因即為礦井通風(fēng)不利，沒(méi)有及時(shí)將瓦斯疏散及抽出。因此，計(jì)算礦井工作面所需風(fēng)量及核定礦井通風(fēng)能力對(duì)煤炭資源的安全開采顯得尤為重要[3]。

1 工程概況

1.1 礦井生產(chǎn)概況

山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司位于中國(guó)山西省長(zhǎng)治市，隸屬山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)公司控股管理。山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司礦井通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)，礦井通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式，礦井井田開拓為斜井和立井混合開拓。主斜井、副斜井和進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，南翼回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)五、六采區(qū)回風(fēng)和北翼回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)七、八采區(qū)回風(fēng)。

經(jīng)坊煤礦礦井布置四個(gè)生產(chǎn)采區(qū)（分別為五采區(qū)、六采區(qū)、七采區(qū)和八采區(qū)）。阻測(cè)期間五采區(qū)布置一個(gè)備用工作面（3- 邊角03 工作面）和兩個(gè)掘進(jìn)工作面（3- 邊角052 順槽和3- 5082 順槽掘進(jìn)工作面）；六采區(qū)布置一個(gè)掘進(jìn)工作面（3- 603 探巷掘進(jìn)工作面）；七采區(qū)布置兩個(gè)掘進(jìn)工作面（3- 邊角061 順槽和3- 邊角062 順槽掘進(jìn)工作面）；八采區(qū)布置3- 803回采工作面、3- 807 備用工作面、3- 8021 順槽和3- 8022 順槽兩個(gè)掘進(jìn)工作面。

1.2 礦井瓦斯含量

根據(jù)2017 年8 月山西省煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)報(bào)告，3 號(hào)煤層煤塵有爆炸性；自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ，屬不易自燃煤層。礦井煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為19.21m3/min，瓦斯主要來(lái)源為回采工作面。

2 礦井需風(fēng)量計(jì)算

2.1 采煤工作面需風(fēng)量

1）按瓦斯涌出量計(jì)算[4]：

Q1=1000qchK采通

式中：qch為工作面回風(fēng)流中平均瓦斯絕對(duì)涌出量，根據(jù)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)院做的《瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》可知，預(yù)計(jì)3- 807、3- 邊角03 工作面平均瓦斯涌出量為 16.43m3/min、2.69m3/min；K采通為采煤工作面瓦斯涌出不均衡備用風(fēng)量系數(shù)，取1.7。

根據(jù)以上公式可以計(jì)算得到3- 807 工作面需風(fēng)量2793.1m3/min；同理可以計(jì)算得到3- 邊角03 工作面需風(fēng)量457.3m3/min。

2）按工作面人數(shù)需風(fēng)量計(jì)算：

式中：N 為回采工作面同時(shí)存在的最多人數(shù)，（得到 3- 807 取 80；3- 邊角 03 取 40）；每人需風(fēng)量≥4m3/min。

根據(jù)以上公式可以計(jì)算得到3- 807 工作面需風(fēng)量320m3/min；同理可以計(jì)算得到3- 邊角03 工作面需風(fēng)量160m3/min。

3）按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算。取3- 807 和3- 邊角03 工作面上述結(jié)果的最大值，Qcf分別為2794.1m3/min、457.9m3/min。風(fēng)量需滿足風(fēng)速驗(yàn)算[5]：

式中：70%為有效通風(fēng)斷面系數(shù)；l 為采煤工作面實(shí)際寬度，3- 807 取 7.5m，3- 邊角 03 取 3.83m；h 為采煤工作面實(shí)際采高3- 807 取2.8m，3- 邊角03 取2.2m；s 為采煤工作面有效斷面積。

通過(guò)驗(yàn)算3- 807、3- 邊角03 采煤工作面風(fēng)速均符合要求

因此可以得到兩個(gè)采煤工作面總需風(fēng)量為2794.1+457.9=3252 m3/min。

2.2 備用工作面需風(fēng)量

本礦井有2 個(gè)備用面（3- 邊角06 面、3- 邊角052 面），一個(gè)安裝面（3- 803，按照原 3- 803 面設(shè)計(jì)風(fēng)量2321m3/min 的一半計(jì)算）。

為此：Q803= Q3-803生產(chǎn)/2=1161m3/min

Q3-邊角06= 826m3/min（為原臨近702 工作面風(fēng)量的一半）

Q3-邊角05= 458m3/min（取臨近508 工作面風(fēng)量的一半）

備用工作面：∑Q=1161+826+458=2445m3/min

2.3 掘進(jìn)工作面需風(fēng)量

1）按工作面瓦斯涌出量計(jì)算：

Q1=100QCH4K

式中：Q掘?yàn)榫蜻M(jìn)工作面的實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min；根據(jù)《3- 603 工作面探巷地質(zhì)說(shuō)明書》中的瓦斯涌出量資料得知；K掘?yàn)榫蜻M(jìn)工作面瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，取1.77；QCH4為掘進(jìn)工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量，，（根據(jù)《瓦斯涌出量測(cè)定報(bào)告》得知3- 603 工作面取 1.2 m3/min；3- 8021 取 2.064 m3/min；3- 8022 取2.067 m3/min；3- 5081 取 1.349 m3/min；3- 邊角 082 取0.84 m3/min）。

由上述公式可以計(jì)算得到3- 603 工作面探巷風(fēng)量為 212.4m3/min；3- 8021 順槽風(fēng)量為 365.4m3/min；3- 8022 順槽風(fēng)量為 366m3/min；3- 5081 順槽風(fēng)量為238.8 m3/min；3- 邊角 082 順槽風(fēng)量為 148.68 m3/min。

2）按工作面同時(shí)作業(yè)人數(shù)計(jì)算需要風(fēng)量：

由上述公式可以計(jì)算得到5 個(gè)掘進(jìn)工作面風(fēng)量均為 160m3/min（N 取 40 人）。

3）按局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際吸風(fēng)量計(jì)算需要風(fēng)量：

式中：S 為巷道斷面面積，（3- 603 取 11.25m2；3- 8021 取 13.5m3/min；3- 8022 取 11.2m3/min；3- 5081取 11.2m3/min；3- 邊角 082 取 12.6m3/min）；Ii為局部通風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，取1 臺(tái)；Q扇為局部通風(fēng)機(jī)最大吸風(fēng)量，（3- 603 取 420m3/min；3- 8021 取 750m3/min；3- 8022取 375m3/min；3- 5081 取 420m3/min；3- 邊角 082 取420m3/min）；Q掘?yàn)榫植客L(fēng)機(jī)所需吸風(fēng)量。

由上述公式可以計(jì)算得到3- 603 工作面探巷全風(fēng)壓風(fēng)量為589m3/min；3- 8021 順槽全風(fēng)壓風(fēng)量為952.5m3/min；3- 8022 順槽全風(fēng)壓風(fēng)量為 543m3/min；3- 5081 順槽全風(fēng)壓風(fēng)量為 588m3/min；3- 邊角 082 順槽全風(fēng)壓風(fēng)量為609m3/min。

因 此 ， ∑ Q掘=589+952.5+543+588+609=3281.9m3/min

2.4 井下硐室需風(fēng)量

1）井下爆炸材料儲(chǔ)存庫(kù)每小時(shí)4 次通風(fēng)量：

Q庫(kù)=4V/60=4×1785/60=119m3/min

式中：V 為庫(kù)房的體積，m3；Q庫(kù)為庫(kù)房需風(fēng)量，m3/min。

2）機(jī)電硐室需要風(fēng)量應(yīng)根據(jù)不同硐室內(nèi)設(shè)備的降溫要求進(jìn)行配風(fēng)。選取硐室風(fēng)量，須保證機(jī)電硐室溫度不超過(guò)30℃，其他硐室溫度不超過(guò)26℃。

式中：ρ 為空氣密度，取 1.2kg/m3；∑W 為機(jī)電硐室中運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)總功率，kW；Cp為空氣的定壓比熱，取1kJ/（kg·K）；θ 為機(jī)電硐室發(fā)熱系數(shù)；Δt 為機(jī)電硐室進(jìn)、回風(fēng)流溫度差，℃；Q 為機(jī)電硐室需要風(fēng)量，m3/min；

計(jì)算如表1。

表1 井下硐室需要風(fēng)量

2.5 礦用防爆柴油機(jī)車需風(fēng)量

六、七、八采區(qū)軌道巷各同時(shí)使用一輛礦用防爆柴油機(jī)車，功率為30kw。

式中：Pdl為機(jī)車功率，kW；Ndl為機(jī)車臺(tái)數(shù)，臺(tái)；kdl為配風(fēng)系數(shù)，取1.0；Qdl為機(jī)車尾氣排放稀釋需風(fēng)量，m3/min；

2.6 其它需風(fēng)量

式中：K其它為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取 1.3；QCH4

為平均瓦斯絕對(duì)涌出量，取0.69m3/min；133 為其它地點(diǎn)回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)0.75%所換算的常數(shù)；Q 其它為其它地點(diǎn)需風(fēng)量，m3/min。

則：Q其它=133×0.69×1.3=119.3m3/min;

根據(jù)以上計(jì)算Q其它取120m3/min。因?yàn)榫鹿灿?jì)有 7 處，因此，Q其它=120×7=840m3/min。

2.7 礦井實(shí)際需要風(fēng)量

將采、掘、硐室、備用、其它的風(fēng)量數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式，得:

式中：K 礦通—礦井通風(fēng)系數(shù)，取1.2。

3 礦井通風(fēng)能力核算：

由于本礦生產(chǎn)能力為240 萬(wàn)t/a，按由里向外核定算法核定礦井通風(fēng)系統(tǒng)生產(chǎn)能力。礦井目前礦井總進(jìn)風(fēng)量能滿足布置10 個(gè)采掘面同時(shí)作業(yè)，即采煤面布置“兩采三備五掘”的情況下，礦井實(shí)際供風(fēng)量14182m3/min，大于礦井實(shí)際需風(fēng)量13461m3/min。

3.1 單個(gè)采煤工作面年產(chǎn)量計(jì)算

1）3- 807 工作面產(chǎn)量計(jì)算：

式中：Ac 為回采工作面通風(fēng)能力，萬(wàn) t/a；L 為回采工作面平均長(zhǎng)度199m，放煤長(zhǎng)度取197m；h 為回采工作面平均開采厚度，機(jī)采2.8m，放頂煤3.2m；r 為原煤視密度1.41t/m3；b 為采煤工作面平均日推進(jìn)度3.6m/d；n 為年工作日數(shù)276 天；c 為工作面回采率，機(jī)組割煤取95%，放煤取85%；

2） 3 - 邊角05 工作面產(chǎn)量計(jì)算：

Ac05=10- 4?L?h?r?b?n?N?c

=10- 4×(130×2.2×95%+128×3.8×85%)×1.41×4.8×276

=127.98（萬(wàn) t/a）

3.2 掘進(jìn)工作面年產(chǎn)量計(jì)算

Aj=10-4r∑SiLi

=10-4×1.41×70.96×10.8×276=29.82 萬(wàn) t/a

式中：Aj為掘進(jìn)工作面平均生產(chǎn)能力，萬(wàn)t/a；r 為原煤視密度，1.41t/m3；Si為 i 巷道純煤面積；Li為 i 巷道年總進(jìn)尺。5 個(gè)掘進(jìn)工作面參數(shù)如表2：

表2 5 個(gè)掘進(jìn)工作面特征表

3.3 礦井通風(fēng)能力計(jì)算

APc==149.2+127.98+29.82=307 萬(wàn)t/a

式中：APc為礦井通風(fēng)能力，萬(wàn)t/a.

經(jīng)核定該礦現(xiàn)通風(fēng)能力為307 萬(wàn)t/a。

4 礦井通風(fēng)能力驗(yàn)證

4.1 通風(fēng)動(dòng)力驗(yàn)證

礦井共有5 個(gè)井筒，主斜井、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井和南翼回風(fēng)立井、北翼回風(fēng)立井。通風(fēng)方式為分區(qū)通風(fēng)，其中主斜井進(jìn)風(fēng)量為1397m3/min，副斜井進(jìn)風(fēng)量為4436m3/min，進(jìn)風(fēng)立井風(fēng)量為8780m3/min，礦井總進(jìn)風(fēng)量為14613m3/min，總回風(fēng)量為14683m3/min，能滿足礦井風(fēng)量要求。

南翼主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片角度- 10°、頻率42.18Hz、負(fù)壓 2060 Pa，等積孔 A=2.03m2；北翼主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行葉片角度- 3°、頻率49Hz、負(fù)壓2040Pa，等積孔A=3.41m2，能滿足目前礦井生產(chǎn)需要.

4.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)能力驗(yàn)證

礦井于2017 年7 月主扇投運(yùn)后，委托山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司進(jìn)行了通風(fēng)阻力測(cè)定，滿足要求， 阻測(cè)時(shí)， 經(jīng)坊煤礦南翼通風(fēng)阻力為206mmH2O；北翼通風(fēng)阻力為148.3mmH2O。

1）阻力測(cè)定時(shí)南翼主扇工況：

H扇靜＝1950Pa；Q主扇＝5880m3/min；R主扇＝0.2030403N·s2/m8；等積孔 A＝2.64m2

礦井等積孔大于2m2，南翼通風(fēng)難易程度為容易。

2）阻力測(cè)定時(shí)北翼主扇工況：

H扇靜＝1450Pa；Q主扇＝8120m3/min；R主扇＝0.0791696N·s2/m8；等積孔 A＝4.23m2

礦井等積孔大于2m2，北翼通風(fēng)難易程度為容易。

由此可知，礦井通風(fēng)阻力分配合理，通風(fēng)風(fēng)量完全可以滿足安全生產(chǎn)的需求。

4.3 用風(fēng)地點(diǎn)有效風(fēng)量驗(yàn)證

礦井各工作面、井下硐室有效風(fēng)量按照風(fēng)速、溫度、風(fēng)量分別進(jìn)行驗(yàn)證，可以得出完全符合安全生產(chǎn)的要求。

4.4 稀釋瓦斯能力驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)礦井各用風(fēng)地點(diǎn)瓦斯量的測(cè)定，通過(guò)通風(fēng)將瓦斯含量均稀釋到安全濃度以下。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算采煤、備用、掘進(jìn)工作面、井下硐室等需風(fēng)量，確定了礦井實(shí)際需風(fēng)量為13461m3/min；在進(jìn)一步通過(guò)礦井通風(fēng)力計(jì)算，得到經(jīng)坊煤業(yè)礦井通風(fēng)能力為307 萬(wàn)t/a；最后通過(guò)礦井通風(fēng)動(dòng)力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、有效風(fēng)量及瓦斯稀釋，驗(yàn)證了礦井通風(fēng)能力可以滿足安全生產(chǎn)的要求。