張海軍

（山西沁和能源集團南凹寺煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

1 概述

通風系統(tǒng)在煤礦井下安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，通風系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是井下一切生產(chǎn)作業(yè)的前提。隨著我國煤礦井下開采深度的不斷增加和開采水平的延伸，礦井通風線路也隨之不斷增長，導致井下通風阻力增大、通風系統(tǒng)更加復雜，進而造成原有的通風系統(tǒng)和通風設(shè)施不能滿足礦井采掘工作面作業(yè)需求[1-4]。因此，礦井必須對井下通風系統(tǒng)和通風設(shè)施定期進行檢查測定，針對通風系統(tǒng)存在的問題及時制定合理的措施進行優(yōu)化改進，減小通風阻力，保證通風系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，保障礦井通風能力滿足采掘工作面安全生產(chǎn)需求，是井下通風工作的重要環(huán)節(jié)。

2 煤礦井下通風系統(tǒng)

井下通風系統(tǒng)是由礦井進風井和回風井布置方式，即通風方式，礦井主風機的工作方法，即通風方法，完成通風工作的各項設(shè)施，即通風設(shè)備,風流流動形成的線路結(jié)構(gòu)形式，即通風網(wǎng)絡(luò)等四個方面組合起來的總稱。它的主要任務(wù)是為井下采掘工作面、巷道硐室等用風地點提供新鮮空氣，保證井下作業(yè)人員正常呼吸所需氧氣；沖走稀釋井下瓦斯、CO 等有毒有害氣體及煤巖塵，防止積聚造成災(zāi)害事故，保證井下安全生產(chǎn)；降低井下溫度，為井下人員創(chuàng)造良好的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。下面將從通風網(wǎng)絡(luò)和通風設(shè)施兩個主要方面進行分析研究礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方法。

2.1 煤礦井下通風網(wǎng)絡(luò)

在對礦井通風系統(tǒng)進行分析研究過程中，為便于研究分析，經(jīng)常采用平面布置圖的方法，把通風系統(tǒng)抽象成點為一個由點與線組合而成的網(wǎng)狀線路系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通常稱為煤礦井下通風網(wǎng)絡(luò)[1]。通風網(wǎng)絡(luò)一般不考慮巷道的實際幾何要素（巷道的位置、長度、寬度、高度等），它是利用比較簡單的圖形來進行描述。在繪制的幾何圖形中，各個線段表示實際井下用于通風的巷道，線段上的箭頭指向表示巷道中風流流動的方向。見圖1，該幾何圖形代表的是一個礦井簡單的并聯(lián)通風網(wǎng)絡(luò)。圖中所畫的實線段是通風巷道風流路線的分支，即實際通風巷道，虛線代表的是風流路線偽分支，即表示是虛擬的通風巷道。在通風網(wǎng)絡(luò)中，分支與分支相交形成的交叉點，通常被稱為通風網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。通風網(wǎng)絡(luò)中各分支沿同一方向首尾相接組成的線路，將其稱為通風網(wǎng)絡(luò)的通路。

圖1 礦井通風網(wǎng)路線路圖

2.2 煤礦井下通風設(shè)施

在煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)過程中，為保證作業(yè)地點風量滿足生產(chǎn)作業(yè)需求，通常會在井下選定某個合適的位置構(gòu)筑一些通風設(shè)施或安裝通風設(shè)備用來引導風流流向和調(diào)節(jié)風量大小。通常將這些用于引導、遮擋風流方向和調(diào)節(jié)風量大小的通風設(shè)施設(shè)備統(tǒng)稱為通風構(gòu)筑物[3]。按照構(gòu)筑物能否允許井下風流通過情況，可以將其分為允許風流通過和隔斷風流通過共兩種類型的通風構(gòu)筑物。允許風流通過的構(gòu)筑物主要有風硐、風橋、導風板、調(diào)節(jié)風窗、反風裝置等；隔斷風流通過的構(gòu)筑物主要有風門、密閉、擋風墻等[1]。

在井下開采過程中，由于通風系統(tǒng)建設(shè)需要，在部分巷道某些位置需要構(gòu)筑阻斷或調(diào)節(jié)風流的通風設(shè)施，但井下人員或車輛還需從此處位置通過，這時就需要在此處構(gòu)建風門。井下永久性風門系統(tǒng)主要由鋼質(zhì)材料加工的風門、用磚石砌筑而成的風墻和用于調(diào)節(jié)巷道內(nèi)風量大小的調(diào)節(jié)風窗等部分組成（如圖2 所示）。在煤礦井下巷道內(nèi)構(gòu)筑永久性風門時，要求一組風門不能少于2道，主要用于運輸車輛通過的風門其2道風門之間的間距要求不低于12m，主要用于井下人員通過的風門其2 道風門之間的間距一般要求不低于5m。有煤與瓦斯突出傾向的礦井，要求在建立風門時必須建立反向風門。

圖2 礦井井下永久性風門結(jié)構(gòu)示意圖

3 礦井局部通風系統(tǒng)

煤礦井下巷道在掘進過程中，因巷道未貫通前其為獨頭巷道，因此不能形成獨立的全負壓通風。為保證掘進工作面的正常掘進，需采用局部通風機配合導向風筒等通風設(shè)備設(shè)施對掘進工作面迎頭進行供風。根據(jù)井下局部通風機工作方式的不同，局部通風一般可分為壓入式（也叫正壓式）和抽出式兩種通風方式。壓入式通風有效射程遠，對有毒有害的氣體及煤（巖）塵沖淡、稀釋作用較強，是目前我國煤礦井下選取的主要通風方式[4]。

煤礦井下掘進工作面通風采用壓入式時，其所需要的風量采用公式（1）進行計算：

式中：Qkp——掘進工作面采用壓入式通風掘進時所需風量，m3/s；

A——掘進工作面爆破時所需炸藥重量，kg；

b——掘進迎頭爆破時產(chǎn)生CO的量，L/kg；

S——掘進工作面巷道斷面面積，m2；

L——掘進巷道長度，m；

Cp——巷道中允許CO濃度的最大值，取0.02%；

Pq——巷道漏風系數(shù)；

t——巷道供風時間，min。

煤礦井下掘進工作面采用抽出式通風時，所需風量采用計算公式（2）進行計算：

式中：Qhe——掘進工作面采用抽出式通風掘進時所需風量，m3/s；

L1——掘進工作面爆破時所布置的炮眼深度，m。

4 井下通風系統(tǒng)優(yōu)化

礦井井下通過不斷對通風系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，可以保證井下各個用風地點的風量需求，保證生產(chǎn)作業(yè)安全，同時可以節(jié)省通風設(shè)施的耗能。優(yōu)化礦井通風系統(tǒng)主要有兩個目的：一是對通風網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，減小井下通風復雜程度，增大巷道的有效風量；二是降低礦井井下通風系統(tǒng)在允許過程中所受到的各種阻力，降低通風能耗，延長通風設(shè)備使用壽命，減少礦井成本投入。下面主要從優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò)和減小礦井通風阻力等方面來探討分析。

4.1 井下通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

當巷道掘進施工距離較長時，原構(gòu)建的通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已無法滿足掘進工作面迎頭所需風量，為了保障掘進作業(yè)安全，需要對原有的通風網(wǎng)絡(luò)進行合理優(yōu)化。本文采用在掘進巷道與回風巷道之間施工巷道穿透鉆孔的方式，將掘進巷道內(nèi)的回風通過鉆孔流入到回風巷道（原理結(jié)構(gòu)圖見圖3），從而有效降低通風阻力，對掘進工作面瓦斯和粉塵治理起到較好作用。

圖3 利用鉆孔優(yōu)化通風網(wǎng)絡(luò)示意圖

4.2 減小井下通風阻力

減小通風阻力，是提高礦井通風效率，滿足井下通風安全需求的有效方法。從采取減小巷道通風摩擦阻力系數(shù)的方法來降低礦井通風阻力進行分析研究。減小巷道通風阻力摩擦系數(shù)主要措施有縮短巷道距離、加大巷道通風斷面等。煤礦井下在進行巷道斷面及支護方式設(shè)計時，要充分考慮巷道摩擦阻力對巷道通風的影響，巷道施工時，要最大可能地保證巷道表面平滑，從而減少巷道通風阻力摩擦系數(shù)。同時，在設(shè)計巷道時，合理增加巷道寬度和高度，增大巷道斷面，能有效提高礦井通風效率。有研究表明，在巷道其他支護參數(shù)不變的情況下，巷道斷面加大33%，巷道通風阻力將減小一半，通風能耗降低50%。雖然加大巷道斷面會增大初期建設(shè)投資，但從礦井長遠發(fā)展來看，增大巷道斷面，既能降低礦井通風阻力，提高礦井通風效能，保證礦井安全高效生產(chǎn)，同時也能減少礦井后期對巷道二次擴修維護成本，減少了礦井后期的成本投入。