韓 敏

（華陽(yáng)集團(tuán)智能礦山事業(yè)部通風(fēng)部， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的作用是通過(guò)通風(fēng)機(jī)向礦井下源源不斷的輸入新鮮空氣，保證氧氣濃度符合工作人員呼吸、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行正常，并檢測(cè)一氧化碳等有害氣體濃度，當(dāng)有害氣體濃度達(dá)到某一閾值時(shí)檢測(cè)器及時(shí)預(yù)警，防止因有害氣體超標(biāo)而造成的人員傷亡，保障煤礦井下工作人員的生命安全，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是煤礦生產(chǎn)安全有序進(jìn)行的重要前提。合理對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，才能發(fā)揮通風(fēng)設(shè)備的能力。本文以山西省某礦區(qū)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)為例，介紹其優(yōu)化與應(yīng)用。

1 某礦井與通風(fēng)系統(tǒng)概況

某礦井為基本建設(shè)礦井，位于太行山東麓，井田南北走向長(zhǎng)10.5 km，東西傾向?qū)?.9 km，面積為70.8 km2，分兩區(qū)域開(kāi)采。一分區(qū)裝備BD-II 系列軸流對(duì)旋抽出式主通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率355 kW，額定風(fēng)量74～210 m3/s，額定風(fēng)壓350～3 200 Pa。二分區(qū)裝備FBCDZ 系列軸流對(duì)旋抽出式主通風(fēng)機(jī)，額定風(fēng)量為152～324 m3/s，額定風(fēng)壓為1 087～3 767 Pa。兩分區(qū)采用的主通風(fēng)機(jī)均為兩套，一套正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一套備用。該礦井風(fēng)量需求為29 015 m3/s，而風(fēng)量供給僅為24 687 m3/s，完全無(wú)法達(dá)到風(fēng)量需求。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化通風(fēng)設(shè)備

優(yōu)化通風(fēng)設(shè)備主要是指對(duì)主通風(fēng)機(jī)及其他通風(fēng)系統(tǒng)中配套設(shè)備的優(yōu)化。該煤礦巷道在一天之中的不同時(shí)間段對(duì)于風(fēng)量的需求并不相同，主通風(fēng)機(jī)可以從以下途徑解決這一問(wèn)題，即可以通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)量，降低風(fēng)量大小來(lái)形成一個(gè)最優(yōu)化的風(fēng)量，適應(yīng)煤礦井下對(duì)于通風(fēng)的具體需要。在此過(guò)程中，要在改進(jìn)過(guò)去傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，拆除老舊設(shè)備，更換最新風(fēng)機(jī)，對(duì)該礦BD-II 系列、FBCDZ 系列主通風(fēng)機(jī)，調(diào)整風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉片的角度（見(jiàn)圖1），確保影響通風(fēng)量?jī)?yōu)化的各個(gè)因素與環(huán)節(jié)不出問(wèn)題。在該煤礦過(guò)去通風(fēng)過(guò)程中，電能過(guò)度使用也是一大弊端。因此在技術(shù)進(jìn)步的背景之下，為了降低電能使用量，對(duì)于配件復(fù)雜的主通風(fēng)機(jī)實(shí)施技術(shù)優(yōu)化，更需要將主通風(fēng)機(jī)以一個(gè)合理且高效率的技術(shù)方式與井下通風(fēng)系統(tǒng)相融合。同時(shí)，在管理方面，管理層應(yīng)當(dāng)明確管理責(zé)任，建立健全管理制度，確保監(jiān)管到位，認(rèn)真落實(shí)具體管理要求，設(shè)備檢查尤其是對(duì)主通風(fēng)機(jī)的檢查常態(tài)化，在煤礦巷道作業(yè)時(shí)間保證各個(gè)環(huán)節(jié)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的理想狀態(tài)。此外，還應(yīng)當(dāng)注意巷道內(nèi)作業(yè)安全，配套安裝更新氣體檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于有毒有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并為其專(zhuān)門(mén)設(shè)置氣體通道，不僅利于通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)揮作用，還可保證井下技術(shù)人員施工的安全以及整個(gè)工作流程的順利進(jìn)行。

圖1 BD-II 系列通風(fēng)機(jī)葉片

2.2 優(yōu)化通風(fēng)阻力

通風(fēng)阻力是指通風(fēng)機(jī)在通風(fēng)過(guò)程中所受到的阻力大小，分為巷道總阻力與支巷道阻力。支巷道阻力是某條支巷道所受到的通風(fēng)阻力大小，所有支巷道所受通風(fēng)阻力大小的總和即為巷道總阻力大小。計(jì)算礦井巷道總通風(fēng)阻力的公式為[1-2]：

式中：f 為礦井巷道通風(fēng)阻力；Q 為通風(fēng)量大小。通過(guò)式（1）可知，礦井巷道通風(fēng)阻力的大小與通風(fēng)量的平方成正比關(guān)系。即在相同條件下，通風(fēng)阻力與通風(fēng)量成二次函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通風(fēng)量越大，礦井巷道通風(fēng)阻力越大，且隨著通風(fēng)量地不斷增大，阻力增加速度會(huì)不斷加快。

計(jì)算支巷道通風(fēng)阻力的公式為：

式中：R 為礦井支巷道通風(fēng)阻力；λ 為阻力常量；L 為巷道長(zhǎng)度；U 為巷道橫截面周長(zhǎng)；S 為巷道橫截面面積。

由式（2）可知，巷道長(zhǎng)度越長(zhǎng)、巷道橫截面周長(zhǎng)越長(zhǎng)、巷道橫截面面積越小，礦井支巷道通風(fēng)阻力越大。

根據(jù)上述兩種通風(fēng)阻力的計(jì)算公式，可以分別得到兩種阻力的優(yōu)化方式。減小巷道總阻力，應(yīng)盡量減少通風(fēng)量，但是減少通風(fēng)量的前提條件是需要保證氧氣供應(yīng)充足并且有害氣體濃度不超標(biāo)。根據(jù)支巷道阻力公式，減小分子或增大分母均可減小礦井支巷道通風(fēng)阻力，減小分子即減小巷道長(zhǎng)度、減小巷道橫截面周長(zhǎng)；增大分母即增大巷道橫截面面積。但是在煤礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，巷道橫截面會(huì)根據(jù)實(shí)際開(kāi)采需求設(shè)計(jì)，無(wú)法輕易改變，因此，減小支巷道通風(fēng)阻力，只能從支巷道長(zhǎng)度入手，應(yīng)盡可能避免使用較深巷道。

同時(shí)，通風(fēng)阻力還受巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響，巷道間使用串聯(lián)、并聯(lián)等不同結(jié)構(gòu)所受阻力大小也不相同。巷道間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)盡可能采用并聯(lián)方式，減少使用串聯(lián)方式，在并聯(lián)位置在總進(jìn)風(fēng)口與總回風(fēng)口之間，可減少通風(fēng)阻力。

2.3 優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)指的是巷道、車(chē)場(chǎng)等所有與作業(yè)相關(guān)的通道或工作面交叉連接所形成的網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中，風(fēng)流流經(jīng)每一條路線(xiàn)。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但基本是由串聯(lián)與并聯(lián)兩種形式構(gòu)成，也就是說(shuō)，可以將通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)拆分為每一個(gè)串聯(lián)單元與并聯(lián)單元所組成的基本網(wǎng)絡(luò)。其中，串聯(lián)是指風(fēng)流直接從某一巷道進(jìn)入下一巷道，沒(méi)有分支情況出現(xiàn)；并聯(lián)是指風(fēng)流在某一巷道處產(chǎn)生分支，進(jìn)入兩個(gè)或多于兩個(gè)支巷道中，之后又經(jīng)多個(gè)支巷道匯入同一巷道中去。合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，分析計(jì)算每一支巷道進(jìn)風(fēng)量大小、通風(fēng)阻力大小，判斷進(jìn)風(fēng)量是否滿(mǎn)足所需風(fēng)量要求，并把控風(fēng)壓，這對(duì)提升通風(fēng)效果有重大影響。近年來(lái)，在對(duì)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化研究中，通常使用分支界定法選取通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)該算法得到的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型每一支巷道風(fēng)量大小均較為合理，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)量達(dá)到理論上的最優(yōu)，同時(shí)能耗、成本損失可以降到最低。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合該煤礦實(shí)際情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的支巷道、工作面、車(chē)場(chǎng)等設(shè)計(jì)進(jìn)行微小調(diào)整，使其更加具有針對(duì)性。此外，還需考慮一般型通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，在當(dāng)前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，部分支流已經(jīng)確定，部分支流未確定，未確定部分需要根據(jù)煤礦生產(chǎn)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)該種通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)結(jié)合所需對(duì)支流未確定部分進(jìn)行線(xiàn)性規(guī)劃，求出最優(yōu)解，并在適當(dāng)位置安裝風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)等設(shè)備[3-4]。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用

該煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中部分巷道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示，其中軌道巷通風(fēng)阻力R1為0.45 N，舊巷道通風(fēng)阻力R2為0.30 N，假設(shè)通風(fēng)量為38 m3/h，則通過(guò)巷道通風(fēng)阻力計(jì)算公式計(jì)算可得：f=R1Q2=0.45×382=649.8 Pa。

圖2 某礦區(qū)巷道通風(fēng)簡(jiǎn)圖

通過(guò)上述優(yōu)化方式，采用并聯(lián)形式對(duì)通風(fēng)阻力進(jìn)行優(yōu)化，如圖3 所示。

圖3 某礦區(qū)巷道通風(fēng)優(yōu)化簡(jiǎn)圖

在該通風(fēng)系統(tǒng)巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)該段使用并聯(lián)方式后，通風(fēng)阻力將大幅減小，該支巷道通風(fēng)阻力大小為：

根據(jù)巷道通風(fēng)總阻力計(jì)算公式可得總阻力大小為：f=RQ2=0.091×382=131.4 Pa。

優(yōu)化前通風(fēng)阻力大小為649.8 Pa，優(yōu)化后通風(fēng)阻力大小為131.4 Pa，阻力減少將近達(dá)到80%。同時(shí)，對(duì)主通風(fēng)機(jī)、配套設(shè)備、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，風(fēng)量供需如表1 所示。

表1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后通風(fēng)情況

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某煤礦通風(fēng)效果較差問(wèn)題，對(duì)該煤礦通風(fēng)系統(tǒng)主要從通風(fēng)設(shè)備、通風(fēng)阻力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。其中優(yōu)化通風(fēng)機(jī)是指調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)尤其是主通風(fēng)機(jī)的工作性能，結(jié)合新技術(shù)，降低能耗與成本損失，提高通風(fēng)效率。優(yōu)化通風(fēng)阻力是通過(guò)通風(fēng)阻力與巷道長(zhǎng)度、通風(fēng)量的比例關(guān)系，盡可能減少深巷道的出現(xiàn)、在通風(fēng)量可滿(mǎn)足工作人員、井下機(jī)械設(shè)備所需的前提下盡可能減小通風(fēng)量，同時(shí)多使用并聯(lián)支巷道代替串聯(lián)巷道，減小通風(fēng)阻力，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果。優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是指在巷道、車(chē)場(chǎng)、工作面等組成的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理布局規(guī)劃，可使用分支界定法等算法選取最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)實(shí)際安放風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)等。在該煤礦生產(chǎn)中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合使用三種優(yōu)化方式，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量提升22.91%，滿(mǎn)足現(xiàn)階段礦井風(fēng)量需求。