常映輝

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

引言

通風(fēng)系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求煤礦必須有一套獨(dú)立完整的通風(fēng)系統(tǒng)，其對(duì)于整個(gè)煤礦的運(yùn)行狀態(tài)和安全狀態(tài)具有重要意義。對(duì)于一個(gè)礦井而言，隨著工作面的不斷深入，開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，涉及的通風(fēng)設(shè)備增多，通風(fēng)距離增長(zhǎng)，原通風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求，主要表現(xiàn)為通風(fēng)阻力增大、風(fēng)量不足等問(wèn)題。因此，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化改造，對(duì)于安全、高效生產(chǎn)是十分有必要的[1-6]。

1 衰老礦井概況

對(duì)于煤礦生產(chǎn)而言，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，煤礦共經(jīng)歷建設(shè)期、投產(chǎn)期、達(dá)產(chǎn)期、穩(wěn)產(chǎn)期以及衰老期。尤其是在煤礦的衰老期，在長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)采下，工作面的開(kāi)采深度不斷增加，所布置的綜采設(shè)備也不斷增加；同時(shí)，在多年的生產(chǎn)下原先設(shè)計(jì)的通風(fēng)裝置工作效率降低。在上述綜合因素的作用下，導(dǎo)致衰老期礦井在通風(fēng)系統(tǒng)方面存在風(fēng)量不足、風(fēng)阻增大等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著工作面的安全生產(chǎn)。

對(duì)于衰老煤礦的判定，只需要依據(jù)該煤礦煤炭的可采的儲(chǔ)量以及可服務(wù)的時(shí)限即可，當(dāng)其中一項(xiàng)滿(mǎn)足要求時(shí)即可判定為衰老礦井。其中，當(dāng)煤礦的剩余可開(kāi)采儲(chǔ)量小于其儲(chǔ)量的20%時(shí)，判定煤礦進(jìn)入衰老期；對(duì)于年產(chǎn)量在120 萬(wàn)t 的煤礦而言，其衰老期一般在9 年以后；而對(duì)于年產(chǎn)量在45 萬(wàn)～120 萬(wàn)t 的煤礦而言，其衰老期一般在6～10 年之間；對(duì)于年產(chǎn)量在45 萬(wàn)t 以下的煤礦而言，其衰老期一般在5 年左右[7-10]。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)煤炭的開(kāi)采能力，可將判定煤礦是否進(jìn)入衰老期的標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如表1 所示。

表1 判定煤礦是否進(jìn)入衰老期的標(biāo)準(zhǔn)

本文所研究煤礦設(shè)計(jì)的開(kāi)采能力為1.5 Mt/年，屬于大型煤礦，該煤礦煤炭的總共儲(chǔ)量為99.365 Mt，在多年的開(kāi)采下目前可開(kāi)采的煤炭?jī)?chǔ)量?jī)H為39.872 Mt。結(jié)合該煤礦當(dāng)前的生產(chǎn)能力和剩余可開(kāi)采煤炭的儲(chǔ)量，可服務(wù)年限小于10 年。因此，可以判定該煤礦已經(jīng)進(jìn)入衰老階段。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造及模擬

本節(jié)根據(jù)煤礦的通風(fēng)現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的通風(fēng)優(yōu)化改造方案，并采用數(shù)值模擬手段對(duì)通風(fēng)優(yōu)化改造方案的效果進(jìn)行初步評(píng)估。

2.1 煤礦通風(fēng)現(xiàn)狀分析

經(jīng)對(duì)煤礦當(dāng)前通風(fēng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，得知該煤礦目前處于通風(fēng)困難時(shí)期，其所面臨的的通風(fēng)問(wèn)題如下：

1）該煤礦回風(fēng)巷道的斷面面積較小，導(dǎo)致煤礦的通風(fēng)阻力較大。煤礦通風(fēng)阻力現(xiàn)狀如表2 所示。由表2 可知，當(dāng)前礦井的通風(fēng)總阻力達(dá)到2511.7 Pa，該項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)大于《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風(fēng)阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，各個(gè)風(fēng)段的風(fēng)阻分配不合理。

表2 煤礦通風(fēng)阻力現(xiàn)狀

2）經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)存在風(fēng)量不足的情況，而且已經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)造成影響；

3）在煤礦東風(fēng)井和西風(fēng)井出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象。

2.2 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造方案

針對(duì)煤礦當(dāng)前在實(shí)際生產(chǎn)中所面臨的通風(fēng)問(wèn)題，擬采取如下優(yōu)化改造方案對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。具體如下：

總體思路：將煤礦的回風(fēng)巷道拓寬，煤礦原東風(fēng)井和西風(fēng)井進(jìn)行密閉操作處理，并將原工作面的皮帶斜井作為其回風(fēng)井。

具體操作方案：將煤礦工作面380 總回風(fēng)的公共區(qū)域以及工作面第四采區(qū)的總回風(fēng)巷進(jìn)行拓寬操作；將煤礦原東風(fēng)井和西風(fēng)井密閉，并將工作面的主斜井和副斜井改造為進(jìn)風(fēng)井，將皮帶運(yùn)輸巷斜井改造為回風(fēng)井。即擬改造后采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式。回風(fēng)巷道拓寬前后對(duì)比如表3 所示。同時(shí)，為該煤礦重新選配通風(fēng)機(jī)，具體配套通風(fēng)機(jī)的型號(hào)為BDK-60No20，采用一用一備的原則進(jìn)行布置。

表3 回風(fēng)巷道拓寬前后尺寸對(duì)比

2.3 優(yōu)化后煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析

本文采用ANSYS 軟件對(duì)優(yōu)化煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的效果進(jìn)行初步評(píng)估。

2.3.1 仿真模型的建立

為保證所構(gòu)建的仿真模型能夠真實(shí)反映通風(fēng)系統(tǒng)的能力，同時(shí)兼顧仿真計(jì)算量。在建模過(guò)程中需按照如下原則進(jìn)行假設(shè)：

1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面中已經(jīng)堵塞、廢棄且風(fēng)速過(guò)小的巷道進(jìn)行忽略；

2）將現(xiàn)場(chǎng)工作面的巷道均視為矩形斷面形狀，而對(duì)于豎井視為圓形斷面形狀。

根據(jù)煤礦工作面的實(shí)際情況以及優(yōu)化改造后各斷面的尺寸，基于ANSYS 軟件所構(gòu)建的仿真模型如圖1 所示。

圖1 優(yōu)化改造后的通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬仿真模型

對(duì)圖1 中所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真模型設(shè)置其邊界條件，包括對(duì)空氣密度、動(dòng)力黏度系數(shù)以及溫度等參數(shù)的設(shè)定；包括各個(gè)巷道的邊界類(lèi)型、風(fēng)量分配、湍流強(qiáng)度以及摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2.3.2 數(shù)值模擬仿真結(jié)果分析

對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)改造后的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，并與實(shí)際分配的理論風(fēng)量對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化改造的效果。數(shù)值模擬仿真結(jié)果如表4 所示。

表4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造效果驗(yàn)證

由表4 可知，現(xiàn)場(chǎng)采用設(shè)計(jì)的方案對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造后，各用風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量均大于相應(yīng)位置的設(shè)計(jì)風(fēng)量，即說(shuō)明本次優(yōu)化改造方案可解決工作面風(fēng)量不足的問(wèn)題。

同時(shí)，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)改造后，工作面總的通風(fēng)阻力僅為1 940 Pa，滿(mǎn)足《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風(fēng)阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，礦井的等積孔為2.074 m2，對(duì)應(yīng)的通風(fēng)等級(jí)屬于容易。說(shuō)明，本次優(yōu)化改造合理。

3 結(jié)論

通風(fēng)系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)中不可或缺的分系統(tǒng)，其對(duì)于保證綜采工作面的瓦斯、煤塵等濃度滿(mǎn)足《煤炭安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)要求非常重要。尤其是對(duì)于衰老礦井而言，由于其在多年生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，通風(fēng)系統(tǒng)主要面臨阻力增大、風(fēng)量不足等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著工作面生產(chǎn)的安全性。以衰老礦井為例提出優(yōu)化改造方案，并對(duì)效果進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)如下：

1）針對(duì)風(fēng)量不足和阻力增大的問(wèn)題，可通過(guò)擴(kuò)大回風(fēng)巷道斷面面積并重新配套通風(fēng)機(jī)解決；

2）對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造后，各用風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)量大于其實(shí)際需風(fēng)量；同時(shí)，工作面總通風(fēng)阻力為1 940 Pa，滿(mǎn)足《煤礦井工開(kāi)采通風(fēng)技術(shù)條件》中所規(guī)定的通風(fēng)阻力小于2 000 Pa 的要求；

3）改造后的礦井通風(fēng)等級(jí)屬于容易。