馬紅龍

（山東華新建筑工程集團有限責任公司，山東 泰安 271219）

0 前言

礦井通風系統(tǒng)作為建設的重要組成部分，其不僅會影響煤礦的生產(chǎn)效率和建設速度，而且保障員工礦井下作業(yè)安全，對行業(yè)后續(xù)發(fā)展有長遠的影響。隨著我國發(fā)展建設速度的不斷加快，對各類資源的需求也在逐漸提高，通風系統(tǒng)也發(fā)生重大的變化，礦井行業(yè)若想與當前時代對接，必須要重視通風系統(tǒng)改造，從而保障礦井安全生產(chǎn)，避免后續(xù)工作出現(xiàn)風險問題。

1 礦井通風系統(tǒng)概述

1.1 通風系統(tǒng)組成

礦井通風系統(tǒng)是指礦井通風方式和通風網(wǎng)絡的總稱，分為抽出式、壓入式及混合式3 種，為了能夠保障礦井高效安全地生產(chǎn)，需要對風機、CO 傳感器、交通狀態(tài)檢測、火災報警、TC 控制等方面加大關注力度，不斷提高礦井的經(jīng)濟效益，減少煤礦事故。礦井通風方式分為中央式、對角式、分區(qū)式和混合式，在相關建設中需要從基本要求入手，結合礦井生產(chǎn)實際需求，優(yōu)化系統(tǒng)中的各個組成部分，下面將對礦井通風系統(tǒng)進行探究。

1.2 通風系統(tǒng)應用

通風系統(tǒng)中心計算包括TC 收集CO 檢測器，系統(tǒng)根據(jù)報警級別接通風機中心，而計算機和TC 連續(xù)地收集并分析來自隧道的數(shù)據(jù)，通風程序在啟動該洞風機的同時也啟動相鄰隧道洞口處風機，根據(jù)交通流的增長趨勢在中心計算機進行設定，如未能達到預先設定的閾值則可以減少風機啟動數(shù)量，節(jié)約能源消耗。在礦井施工中，部分煙霧可能會通過隧道內(nèi)橫穿通道進入另外一個隧道，所以需要設置多組風機系統(tǒng)，控制風機的正轉和反轉，保證礦井下的空氣質量。

2 礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型及理論

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

礦井通風系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構不同，系統(tǒng)的總風阻和總阻力也不相同，可以結合“早分晚合”的原則，降低通風系統(tǒng)總阻力。提前合理布置風流流動線路，在風量相同的情況下，可以計算機通風系統(tǒng)模擬參數(shù)，改變通風網(wǎng)絡合理調(diào)配風機負擔，提升經(jīng)濟效益。同時，在優(yōu)化過程中需要盡量采用并聯(lián)網(wǎng)絡，采取新掘巷道或者封閉舊巷道的方法，利用鉆孔的方式從掘進工作面打出一個300mm～500mm 的鉆孔，通過鉆孔將掘進巷道與回風巷接通，保證經(jīng)濟有效地供風，達到較為理想的降阻效果。

2.2 礦井系統(tǒng)風量

增阻調(diào)節(jié)法能夠降低巷道同一風路風量，執(zhí)行中需要清除巷道中局部阻力障礙物，通過降低巷道的通風阻力改變進、回風路線，增加礦井總風量。在礦井通風系統(tǒng)改造中，通過降低進風流溫度縮短風流路線總長度，降低摩擦阻力系數(shù)增加風量。礦井根據(jù)通風保證巷道內(nèi)具有清新空氣，工作面所需風量如公式（1）所示。

式中：Q為通風風量；通風時間；為巷道長度；為巷道空氣污染物允許值；P為漏風系數(shù)，C為通風系數(shù)。

為此實際執(zhí)行中還可以調(diào)整離心式風機前導器葉片角度，通過增大礦井或局部的自然風壓，進一步減少礦井風機能耗，實際應用中的效果明顯。如圖1 所示。

圖1 風壓特性曲線調(diào)節(jié)

3 礦井通風系統(tǒng)改造的問題

3.1 礦井系統(tǒng)概述

某礦井面積為27.8019km，距市中心區(qū)直距22km，礦區(qū)走向長度約8.2km，傾斜寬度3.4km，南風井主要擔負著7 采區(qū)S2713 工作面、2701 工作面，煤系地層屬石炭系和二疊系，上覆第四系沖積層，井田內(nèi)斷層較多，造成南二輔助軌道下山風量不足。主扇型號均為離心式通風設備，風流經(jīng)過各大巷石門進入生產(chǎn)區(qū)域，回風入8 個水平回風大巷，如果只通過箕斗井進風不能滿足供風要求，最后由回風井將其排至地面導致風流紊亂，下面將對現(xiàn)存問題進行分析。

3.2 通風側翼問題

采區(qū)的通風問題關系到整個礦井未來生產(chǎn)的部署情況，其中9 采區(qū)2911 工作面、2902A 工作面，東翼軌道探巷和東翼皮帶探巷掘進工作面等地區(qū)的回風任務，有箕斗井專門供給-300 水平淺部的通風，-480 南翼運輸大巷年久失修，所有風量集中在-100 總回風巷，密閉墻受到損壞，存在裂隙導致漏風嚴重，因此需要解決礦井供風困難的問題，保證施工的穩(wěn)定性。

3.3 通風系統(tǒng)問題

上述礦井的通風系統(tǒng)非常龐大，形成“四進三回”的通風系統(tǒng)，但巷道破壞導致采空區(qū)漏風嚴重，雖然在掘進工作面安設了輔助通風機，但是仍然不能解決巷道溫度高的問題，后續(xù)通過風量調(diào)節(jié)設施提高風阻，但相關工作的負荷也隨之增加，9 個掘進工作面需風量短缺4000min/m。為切實解決現(xiàn)存問題，該礦井通過改造解決用風緊張的問題，保證礦井工作安全有序地接替。

4 礦井通風系統(tǒng)改造技術的應用策略

礦井通風系統(tǒng)作為生產(chǎn)中的重要組成部分，與效益、安全等方面有直接的關系，因此需要結合實際情況進行改造，下面將結合上述礦井總結技術策略。

4.1 制定系統(tǒng)改造目標

上述礦井在通風系統(tǒng)改造前進行了布局規(guī)劃，保證系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)相匹配，通過現(xiàn)場經(jīng)驗和前人的總結，當前系統(tǒng)需要增加風量，對局部風量進行調(diào)節(jié)，為避免造成礦井通風阻力過大的問題，風機能力要與實際生產(chǎn)相適應。通風系統(tǒng)布置不合理可能在開采中出現(xiàn)風流不穩(wěn)定的情況，為此在布局規(guī)劃中對通風網(wǎng)絡結構方面加大了關注力度，斷面面積每增大33%就需要相應地增加通風阻力，將整體系數(shù)控制在90%以上，使通風阻力與巷道的長度成正比，避免出現(xiàn)通風被動局面，使通風系統(tǒng)的調(diào)整工作滿足生產(chǎn)計劃的需要。

4.2 建立通風系統(tǒng)模型

通風井巷斷面優(yōu)化作為一項礦井通風節(jié)能技術，需要結合多種因素確定最優(yōu)斷面，井巷掘進費、服務維護費必須要滿足風速極限，確定斷面后續(xù)操作的可行性。受通風井巷的影響，在選擇斷面時需要從節(jié)能方面入手，考慮到掘進費和通風動力費主要與巷道斷面有關，在優(yōu)化中相關參數(shù)必須進行詳細計算，通過C=C××進行計算，其中C為單位體積掘進深度；為巷道斷面積；為巷道長度，最終有效確定通風系統(tǒng)改造信息。

對礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化來說，需要預先確定礦井的通風阻力，公式為=×，當?shù)V井總風阻不變按風量平方的倍數(shù)增加，分支阻力也需要按風量平方的倍數(shù)增加，礦井通風阻力越小越接近平衡。通風巷道的風阻（kg/m）（m）、斷面積（m）、周長（m）和風道的支護形式等參數(shù)，礦井總阻力取決于各分支阻力和網(wǎng)絡結構，它們之間的關系如公式（2）所示。

為此需要保證消耗能量和風阻成正比，避免出現(xiàn)通風系統(tǒng)負優(yōu)化的情況。

4.3 優(yōu)化通風系統(tǒng)改造過程

礦井通風系統(tǒng)改造較為復雜，且自身涉及的標準規(guī)范更多，因此在改造過程中，需要將工作分為2 個層次，以此合理布設通風設施，在擬定新方案后需要送至相關部分進行全方面審核，然后進行調(diào)整，解決通風系統(tǒng)的問題，改善礦井的通風狀況。在工作時需要有目標、有計劃、按步驟進行，按照先挖潛后擴建、先易后難的原則，在各方案之間選擇最優(yōu)通風系統(tǒng)，擬訂方案的風網(wǎng)內(nèi)部調(diào)節(jié)優(yōu)化，如需要購置新設備則需要進行審核，在實行最優(yōu)調(diào)節(jié)的基礎上，保障系統(tǒng)后應用的安全與穩(wěn)定性，技術改造的過程如圖2 所示。

圖2 通風系統(tǒng)技術改造過程

4.4 建立通風仿真系統(tǒng)

上述礦井計算尖部通風阻力，在巷道中兩測點各安置一根皮托管，用風表在兩測點分別量出表速，從兩測點獲取對應的讀值，測試采用電子壓差計法，將測得的基本數(shù)據(jù)與各項參數(shù)對照，然后查看溫度和風流的絕對靜壓。皮托管布置于巷道中心，管軸與風向平行，連同井巷在末點安放壓差計，在兩測點附近分別測出風流，測算出兩測點的空氣密度，獲取壓差計之間的靜壓差和勢能差。

系統(tǒng)（MVIS）以解算調(diào)節(jié)為核心，內(nèi)部設有礦井需風量計算模塊，實際應用中可以實現(xiàn)通風網(wǎng)絡調(diào)節(jié)，在該過程中應進行通風阻力測試，結合實際情況進行回路計算與調(diào)節(jié)，然后將通風系統(tǒng)圖形和數(shù)據(jù)無縫連接，集成礦井通風系統(tǒng)阻力測試，為后續(xù)仿真系統(tǒng)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。基于網(wǎng)絡共享數(shù)據(jù)，礦井與礦井通風系統(tǒng)無縫關聯(lián)，通風網(wǎng)絡解算與調(diào)節(jié)中應提供系統(tǒng)圖，然后在工作面推進巷道長度變化仿真；新掘進風井、回風井仿真，在該過程中需要做好地面主扇選型與多風機聯(lián)合運轉分析，在應用過程中進行通風系統(tǒng)調(diào)節(jié)評價，獲取當前風流中的瓦斯?jié)舛?，最后生成仿真分析報告，為后續(xù)工作開展提供幫助。

上述礦井底圖繪制生成系統(tǒng)圖，利用網(wǎng)絡優(yōu)化理論，保證網(wǎng)絡圖的拓撲關系保持一致，接著檢查仿真系統(tǒng)圖的連通性，經(jīng)過反復的調(diào)試對比，對仿真系統(tǒng)進行風量調(diào)節(jié)、增阻調(diào)節(jié)，將誤差降到允許范圍內(nèi)。將測量數(shù)據(jù)輸入MVIS 后，需要查看當前系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是否缺項，然后將測量數(shù)據(jù)與礦井風量報表進行反復對比，將實測數(shù)據(jù)的誤差控制在允許范圍內(nèi)，如存在問題需要進行反復調(diào)試與確認，最終得到礦井通風仿真系統(tǒng)，提高后續(xù)應用的可靠性。

4.5 通風系統(tǒng)安全優(yōu)化

礦井通風系統(tǒng)兼顧事故后排風，風量須＞5 次/h 的換氣要求，在設計中可不考慮最小新風量，處理需要經(jīng)表冷器冷卻后送入室內(nèi)，根據(jù)傳熱公式設定參數(shù)為=15.4℃、=42.1kJ/kg，保證房內(nèi)基本沒有濕負荷，使室內(nèi)的相對濕度達到95%，從而承擔室內(nèi)全部熱負荷。室內(nèi)設定需要消除多余熱量，在該基礎上需要確定室內(nèi)狀態(tài)點參數(shù)，根據(jù)實際情況可以選用137.4kW 的機組。

在GIS 室內(nèi)，礦井通風系統(tǒng)分為平時通風和事故通風兩部分，按換氣4 次/h 計算，防止因礦井下有毒有害氣體而埋下安全隱患，在設計中需要對通風系統(tǒng)單獨設置。GIS 室通風可以按連續(xù)運行設計，日常通風由下部排風模式保證，在設計中也需要采用雙速風機，如出現(xiàn)緊急事故可以開啟高速工況通風，日常則開啟低速工況通風。

礦井通風系統(tǒng)在無風場的狀況下，需要對進排風口進行設置，了解當前礦井下的所需換氣量=/[（-）]kg/h），進風口與排風口氣流之間的空氣溫度影響大。為此需要結合實際改變氣流的方向及速度，使進排風氣流的流動路徑合理，一般規(guī)定進風量為排風量的60%左右，可設置進風機為雙速風機，盡量將排風井對進風井的影響降到最低，滿足井下通風量的實際需求。

礦井通風系統(tǒng)位于地下，在結構安全方面應進行考慮，通風換氣為設置氣體滅火啟動系統(tǒng)，在事故發(fā)生時及時關閉相應房間的Flail 電動防火閥，滅火后打開SPF 及補風口。同時需要建立分區(qū)式通風系統(tǒng)，保證礦井安全有序的進行接替，使系統(tǒng)能夠在發(fā)生危險時自動開啟并進行報警，事故發(fā)生時啟動全部防火閥，日常防火閥可用于通風，事故結束時關閉通風系統(tǒng)，實時控制阻止火勢蔓延。

4.6 通風系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化

礦井通風網(wǎng)絡中包括多個系統(tǒng)，在實際改造技術應用中需要進行分析，掌握通風網(wǎng)絡內(nèi)風流變化的規(guī)律，如果全礦風量一定，在不考慮采用機械通風的情況下，要解決的是主要通風機的最小風壓和各調(diào)節(jié)分支的調(diào)節(jié)量，當各個通風機負壓相等時，按照自然分風功耗進行改造，確定安設調(diào)節(jié)風窗的分支。在控制分風網(wǎng)絡中，可采取調(diào)控措施平衡差異，對幾個子系統(tǒng)網(wǎng)絡進行計算，通過調(diào)節(jié)裝置進行全網(wǎng)阻力調(diào)平，最終采用分解解算來解決這類通風網(wǎng)絡的分風問題，使所有分支的風量都成為已知參數(shù)，滿足礦井通風系統(tǒng)需求。

5 結語

在了解礦井通風基本理論后，需要對通風指標進行測定，采用理論與實際結合的方法，得到的解算結果用于指導礦井的礦井通風管理，以此進行相應的技術改造與優(yōu)化。為了解決礦井供風不足以及整個礦井用風緊張的問題，要求對測試數(shù)據(jù)進行整理和分析，采用計算軟件對礦井各個方案進行計算，將計算風量與風壓誤差控制在5%以內(nèi)，經(jīng)過上述改造后能夠滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求。同時，上述礦井在改造中進行了分區(qū)域通風優(yōu)化，充分利用現(xiàn)有的聯(lián)絡巷進行改造，在礦井臨時通風設施改造前進行分區(qū)布局調(diào)整，盡量減少巖巷作業(yè)和揭煤作業(yè)工程，經(jīng)優(yōu)化改造后的通風系統(tǒng)不僅可以有效縮短施工時間，且能夠提高整個深部水平通風條件，希望能夠為類似的工程提供參考。