路瑞軍

（山西晉煤集團陽城晉圣潤東煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048006）

隨著煤礦機械化程度提高和煤炭產(chǎn)量增加，礦井出現(xiàn)氣流不穩(wěn)定等安全隱患[1-3]，造成工作面溫度升高、濕度增大，危險氣體及粉塵含量增加等一系列問題。隨著工作面埋深及開采距離的增加，工作面通風阻力增加，氣流穩(wěn)定性變差。潤東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風系統(tǒng)僅可滿足現(xiàn)階段生產(chǎn)規(guī)模需求，隨著開采深度和規(guī)模的增加，掘進和回采工作面的通風壓力和通風穩(wěn)定性顯著增大。為了滿足礦井通風需要和安全生產(chǎn)需求，對現(xiàn)有通風系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，實現(xiàn)該礦井的可持續(xù)和高效生產(chǎn)。

1 對角通風系統(tǒng)理論

礦井通風系統(tǒng)主要有中央式、對角式、分區(qū)式和混合式，潤東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風系統(tǒng)設計為雙向?qū)峭L式。隨著煤礦產(chǎn)量的增加和采掘工作面延深，掘進和回采工作面的新鮮空氣紊亂問題日益嚴重，主副井氣流逆流和巷道氣流超限嚴重影響生產(chǎn)進度[4-6]。對角通風系統(tǒng)是一個內(nèi)部有許多對角支路的復雜系統(tǒng)，如果對角之路僅有一個，該通風被認為簡單的對角通風系統(tǒng)。

圖1 為對角通風系統(tǒng)簡化示意圖。由圖1 可知，分支5 是對角線，被節(jié)點2 和3 包圍。分支5 的特點是氣流可以根據(jù)空氣的阻力風向相互轉(zhuǎn)向，根據(jù)對角通風系統(tǒng)簡化示意圖提出了一個氣流阻力關(guān)系來分析對角線支路氣流方向的判據(jù)：

圖1 對角通風系統(tǒng)示意圖

當K＞1，風流從節(jié)點3 通過5 到節(jié)點2；當K=1，沒有風流通過5；當K＜1，風流從節(jié)點2 通過5 到節(jié)點3。

式中：K為通風對角線的判別系數(shù)；R為對角線的通風阻力；Ri為各支路的空氣阻力（i=1,2,3,4），N2·S2/m8；Q為對角線總空氣量；Qi為各支路的氣流（i=1,2,3,4），m3/s。

從節(jié)點1 →2 →4 單對角線通風阻力可知，當Q1＞0 和Q3＞0 時，公式（1）、（2）成立。

復雜對角通風系統(tǒng)主要包含兩個或多個對角分支。根據(jù)復雜對角通風系統(tǒng)包含的對角分支，結(jié)合節(jié)點合并原理和礦井通風穩(wěn)定性實際需要，對礦井通風過程中一些距離短、阻力小的節(jié)點進行合并。復雜對角通風系統(tǒng)簡化主要分為3 步：1）認真分析對角通風系統(tǒng)和各個支路的氣流方向；2）根據(jù)實際礦井生產(chǎn)需求找出氣流流向不合理的支路；3）對系統(tǒng)進行調(diào)整和優(yōu)化。

2 對角通風系統(tǒng)優(yōu)化

圖2 和圖3 為原通風系統(tǒng)簡化示意圖和優(yōu)化后通風系統(tǒng)簡化示意圖。復雜對角通風系統(tǒng)可根據(jù)節(jié)點數(shù)量和支路氣流不同分為不同的等級，等級不同，復雜對角通風系統(tǒng)氣流穩(wěn)定性不同。復雜對角通風系統(tǒng)節(jié)點和支路主要由主井、副井、煤倉、物料運輸巷道等組成。由圖2 可知，改變支路的空氣阻力會影響對角通風系統(tǒng)的氣流方向，造成氣流不穩(wěn)定，影響通風效果。

圖2 原通風系統(tǒng)簡化示意圖

圖3 優(yōu)化后通風系統(tǒng)簡化示意圖

如圖3 所示，礦井通風系統(tǒng)需要不斷進行改造和優(yōu)化，通過合并減少較短或距離較近的節(jié)點進行優(yōu)化通風系統(tǒng)。將圖2 中的節(jié)點10 與節(jié)點11 合并為圖3 的節(jié)點11，減少節(jié)點數(shù)量，改變復雜對角通風系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量，將礦井通風系統(tǒng)分為兩個簡單的對角通風系統(tǒng)。第一個對角線由物料運輸巷道、通風巷道組成，另一個對角線由主井、副井和其他巷道組成。

沿著對角通風回路對氣流和風量進行了多次測量。根據(jù)式（1）、（2）、圖3，計算局部對角通風系統(tǒng)（節(jié)點12、節(jié)點7、節(jié)點11）總空氣阻力方法如下：

式中：Qd是對角連接系統(tǒng)中的氣流，m3/s。

當判別系數(shù)K＞1，將氣流方向改為反方向，節(jié)點12 到節(jié)點11。氣流反向的原因是局部對角通風系統(tǒng)風阻很高，而平行巷道風阻較低。

根據(jù)潤東煤業(yè)現(xiàn)有通風系統(tǒng)情況，提出了礦井氣流穩(wěn)定性與通風系統(tǒng)優(yōu)化多種應對措施。安裝空氣調(diào)節(jié)器是為了增加巷道中的空氣阻力。如果巷道空氣阻力增加，平行巷道（圖3 中的節(jié)點11、節(jié)點7）空氣阻力也會增加。為解決高風阻（圖3 中的節(jié)點4、節(jié)點7）和降低風速超限（圖3 中的節(jié)點6、節(jié)點7）問題，需要將空氣阻力（圖3 中的節(jié)點4、節(jié)點7）的大小進行調(diào)節(jié)，同時也調(diào)節(jié)了對角線空氣阻力的大?。▓D3 中的節(jié)點12、節(jié)點7）。

圖4 為優(yōu)化巷道通風系統(tǒng)簡化模型。當判別系數(shù)K 小于1 時，巷道通風系統(tǒng)優(yōu)化后，主井的氣流方向從節(jié)點12 到節(jié)點11 方向進行。此時可以解決巷道通風系統(tǒng)中氣流反向的問題，從而減少了巷道（圖4 中節(jié)點11、節(jié)點7）的積風，降低了風阻，有效解決了巷道（圖4 中節(jié)點4、節(jié)點7）風速超值問題。優(yōu)化通風系統(tǒng)后，巷道風速由11.6 m/s 降至6.1 m/s。

圖4 優(yōu)化巷道通風系統(tǒng)簡化模型

3 最佳改善方案

3.1 改善措施

對潤東煤業(yè)礦井現(xiàn)有通風系統(tǒng)進行分析，從通風線路、通風網(wǎng)絡布置等方面進行優(yōu)化，主要包括以下改進措施：1）將兩臺功率為11 kW 的風力機改為兩臺功率合計為21 kW 的風力機，以增加巷道通風功率。2）將直徑為300 mm 的風管更換為直徑為500 mm 的剛性風管，以減少風阻力。3）將通往單頭開挖工作面的風管改為直徑為300 mm的風管。用剛性材料制成的風管減少了氣流的通風阻力。4）封閉井下通風系統(tǒng)廢棄巷道，解決原通風系統(tǒng)井下氣流短路、新風損失的問題。5）在工作面斷面中部，增加串聯(lián)的11 kW 軸向風機，在調(diào)節(jié)風扇功率時，必須保證進風扇功率小于出風扇功率。6）在井下通風系統(tǒng)中增加風門等通風結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整井下風量的走向，按需求在不同工作面上分配風量。

3.2 效果分析

采用比較分析法對工作面環(huán)境的溫度和濕度進行了分析，圖5 所示為21150 工作面不同監(jiān)測點的溫度和濕度效果。工作面通風系統(tǒng)未優(yōu)化前的最高溫度為38 ℃，優(yōu)化后最高溫度為30 ℃，溫度降低了8 ℃。通風系統(tǒng)未優(yōu)化前，21150 工作面的相對濕度高達97%，優(yōu)化后相對濕度為85%，相對濕度下降了12%左右。

圖5 優(yōu)化前后溫度濕度對比分析

4 結(jié)論

1）為了提高潤東煤業(yè)礦井氣流穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)要求，不斷優(yōu)化對角通風系統(tǒng)，對具有多層復雜對角通風系統(tǒng)的巷道、工作面通風系統(tǒng)存在問題進行了全面分析，并提出了一系列優(yōu)化方案。

2）通過對角通風系統(tǒng)節(jié)點的合并和通風系統(tǒng)的優(yōu)化，解決了礦井工作面氣流反向和風速超值問題，改變了通風回路的阻力，為井下巷道和工作面提供了足夠的通風。

3）工作面未優(yōu)化前的最高溫度為38 ℃，優(yōu)化后溫度為30 ℃，溫度降低達到了8 ℃。在通風系統(tǒng)未優(yōu)化前，相對濕度高達97%，優(yōu)化后相對濕度為85%，相對濕度下降了12%左右。