豐云雷

（山東兗礦設(shè)計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引 言

東灘煤礦采用立井多水平開拓，兩翼對角抽出式通風(fēng)，副井進風(fēng)，主井輔助進風(fēng)，西風(fēng)井、北風(fēng)井回風(fēng)。礦井于2018 年對北風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)進行了改造，更換為2 臺ANN-2650/1250C 型通風(fēng)機，主要擔負一采區(qū)、三采區(qū)、部分十四采區(qū)以及將來五、七采區(qū)回風(fēng)。西風(fēng)井目前仍使用1988 年安裝的2 臺HDR280-69 型軸流式主要通風(fēng)機，主要擔負四采區(qū)、六采區(qū)及部分十四采區(qū)回風(fēng)。

1 礦井西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)改造的必要性

1）主要通風(fēng)機及附屬設(shè)施已老化，安全性能下降。西風(fēng)井裝備2 套HDR280-69 型動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機，自1988 年安裝至今已連續(xù)運行30 余年。長期使用致使風(fēng)機及附屬設(shè)施出現(xiàn)老化，機械磨損嚴重，風(fēng)機運行性能差，能耗高，通風(fēng)安全性能降低。

2）主要通風(fēng)機控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)集控。主要通風(fēng)機控制系統(tǒng)于1997 年進行改造，采用歐姆龍PLC進行程序控制，無模擬量模塊、通訊模塊、總線接口等，無法實現(xiàn)集控，且升級改造工程量大、耗時長，期間單風(fēng)機運行，存在安全隱患。

3）主要通風(fēng)機運行效率偏低，不滿足節(jié)能要求。主要通風(fēng)機雖能滿足目前礦井接續(xù)生產(chǎn)用風(fēng)要求，但風(fēng)機運行效率偏低且不滿足現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范的要求。

2 礦井風(fēng)量及阻力計算

2.1 礦井生產(chǎn)接續(xù)規(guī)劃

東灘煤礦-660 m 水平共劃分為8 個采區(qū)，即西翼四采區(qū)，北翼十四采區(qū)，南翼六、八采區(qū)，東翼一、三、五、七采區(qū)。目前，礦井生產(chǎn)采區(qū)為三、六、十四采區(qū)，其中十四采區(qū)即將回采結(jié)束。十四采區(qū)回采結(jié)束后，東翼五、七采區(qū)接續(xù)生產(chǎn)，屆時三、五、六、七采區(qū)將成為礦井后續(xù)主要生產(chǎn)采區(qū)。根據(jù)礦井生產(chǎn)接續(xù)規(guī)劃，礦井生產(chǎn)將長期保持2～3 個采煤工作面同時生產(chǎn)的格局，并配8～9 個掘進工作面。

2.2 礦井通風(fēng)時期的劃分

西風(fēng)井主要服務(wù)于礦井四采區(qū)（擴大區(qū)）、六采區(qū)、十四采區(qū)（擴大），按生產(chǎn)接續(xù)可劃分2 個時期。

1）六采區(qū)和十四采區(qū)同采時期。該時期西風(fēng)井主要服務(wù)六采區(qū)和十四采區(qū)生產(chǎn)，六采區(qū)布置1 個綜采工作面、4 個掘進工作面，十四采區(qū)布置1 個綜放工作面。

2）四、六、八采區(qū)僅一個工作面回采時期。該十四采區(qū)已基本回采完畢，西風(fēng)井主要服務(wù)四采區(qū)、六采區(qū)、八采區(qū)生產(chǎn)。3 個采區(qū)之間交替生產(chǎn)，僅布置為1 個采煤工作面生產(chǎn)和3～4 個掘進工作面。

經(jīng)分析，六采區(qū)和十四采區(qū)同采時期，2 個工作面集中在西風(fēng)井服務(wù)范圍內(nèi)，西風(fēng)井通風(fēng)風(fēng)量大，通風(fēng)距離較長。經(jīng)比較，十四采區(qū)14320 綜放工作面和63上06 綜采工作面同時生產(chǎn)時期為西風(fēng)井通風(fēng)困難時期，屆時生產(chǎn)布局為六采區(qū)、十四采區(qū)各布置1個采煤工作面，4 個掘進工作面全部集中在六采區(qū)，負責(zé)工作面順槽及聯(lián)絡(luò)巷掘進工作。

四、六、八采區(qū)僅一個工作面回采時期，西風(fēng)井僅服務(wù)一個采煤工作面，風(fēng)量較小，通風(fēng)距離較近。經(jīng)比較，六采區(qū)63上02 工作面生產(chǎn)時期為西風(fēng)井通風(fēng)容易時期，屆時六采區(qū)布置1 個采煤工作面和3個掘進工作面，3 個掘進工作面中2 個負責(zé)順槽掘進工作，1 個負責(zé)下山開拓延伸工作。

2.3 礦井風(fēng)量計算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦礦井風(fēng)量計算方法》（MT/T 634-2019）等規(guī)定，西風(fēng)井通風(fēng)容易時期及困難時期總風(fēng)量及分配詳見表1。

表1 西風(fēng)井各時期總風(fēng)量及其分配表

2.4 礦井通風(fēng)阻力計算

1）通風(fēng)容易時期以回采63上02 工作面為路線進行摩擦阻力計算，通風(fēng)路線如下：

地面→副井→井底車場→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運下山→63上02 輔運順槽→63上02 工作面→63上02 膠運順槽→南翼回風(fēng)巷→南翼總回風(fēng)巷→西翼總回風(fēng)巷→西風(fēng)井→地面。

2）通風(fēng)困難時期以回采63上06 工作面為路線進行摩擦阻力計算，通風(fēng)路線如下：

地面→副井→井底車場→西翼軌道大巷→南翼軌道大巷→南翼輔運下山→南翼輔運巷→63上06輔運順槽→63上06 工作面→63上06 膠運順槽→南翼回風(fēng)巷→南翼總回風(fēng)巷→西翼總回風(fēng)巷→西風(fēng)井→地面。

3）局部通風(fēng)阻力按摩擦阻力的10%計算。

根據(jù)礦井開拓布局和生產(chǎn)接續(xù)，礦井西風(fēng)井通風(fēng)阻力按通風(fēng)容易時期、通風(fēng)困難時期最大通風(fēng)路線分別進行計算。利用下式計算摩擦阻力：

式中：H為摩擦阻力，Pa；A為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；L為井巷長度，m；U為井巷凈周長，m；Q為通過井巷的風(fēng)量，m3/s；S為井巷凈斷面，m2。

經(jīng)計算，西風(fēng)井通風(fēng)容易時期、困難時期的風(fēng)量、負壓見表2。

表2 西風(fēng)井各時期通風(fēng)參數(shù)表

2.5 原有主要通風(fēng)設(shè)備校核

西風(fēng)井原有主要通風(fēng)機房安裝 2 臺HDR280-69 型動葉可調(diào)式軸流風(fēng)機，電機型號為PA100G90-70/6，功率為1 300 kW 同步電動機，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，葉輪直徑2.8 m，1 臺運轉(zhuǎn)，1 臺備用。

根據(jù)西風(fēng)井不同時期通風(fēng)風(fēng)量、負壓對原有2臺HDR280-69 型風(fēng)井進行校核，其結(jié)果詳見表3?！巴L(fēng)困難時期”和“通風(fēng)容易時期”西風(fēng)井主要通風(fēng)機滿足生產(chǎn)所需風(fēng)量和負壓滿足礦井生產(chǎn)通風(fēng)的要求，但效率偏低，不滿足目前國家的節(jié)能要求。

表3 HDR280-69 型風(fēng)機工況點參數(shù)電動機容量表

3 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計

3.1 主要通風(fēng)機選型

根據(jù)國內(nèi)大型煤礦主要通風(fēng)機運行情況，目前礦用軸流式主要通風(fēng)機具有提供大風(fēng)量、運行效率高的性能，并且軸流式通風(fēng)機具有反轉(zhuǎn)反風(fēng)或調(diào)整葉片角反風(fēng)的特點，可節(jié)省地面反風(fēng)道的建設(shè)工程，風(fēng)機安裝布置簡單，反風(fēng)調(diào)節(jié)方便可靠。故設(shè)計西風(fēng)井主要通風(fēng)機選型為礦用軸流式通風(fēng)機。設(shè)計選用Howden ANN-2650/1250C 型和GAF25-12.5-1(GZ)型風(fēng)機進行對比。

方案Ⅰ：選用Howden ANN-2650/1250C 型風(fēng)機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。動態(tài)調(diào)整葉片角度改變風(fēng)量，采用電動機反轉(zhuǎn)方式進行反風(fēng)。每臺風(fēng)機配6 kV，990 r/min，1 000 kW 異步電動機1 臺，風(fēng)機與電機直聯(lián)傳動。通風(fēng)困難時期風(fēng)機葉片角59°，通風(fēng)容易時期風(fēng)機葉片角50°。

方案Ⅱ：選用GAF25-12.5-1（GZ）型風(fēng)機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。動態(tài)調(diào)整葉片角度改變風(fēng)量，采用葉片角度反向方式進行反風(fēng)。每臺風(fēng)機配6 kV，1 000 r/min，1 000 kW 異步電動機1 臺，風(fēng)機與電機直接傳動。通風(fēng)困難時期風(fēng)機葉片角-1°，通風(fēng)容易時期風(fēng)機葉片角-8°。

對上述西風(fēng)井主要通風(fēng)機2 個選型方案進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，具體比選詳見表4。方案Ⅰ選用Howden ANN-2650/1250C 型風(fēng)機相比方案Ⅱ選用GAF25-12.5-1（GZ）型風(fēng)機，雖投資高，但具有運行可靠、故障率低、高效區(qū)域廣等優(yōu)點；另外礦井北風(fēng)井已更換了2 臺HowdenANN-2650/1250C 型風(fēng)井，配1 000 kW 電機，考慮風(fēng)機備品備件的通用性，推薦選用方案Ⅰ為主導(dǎo)方案，即選用Howden ANN-2650/1250C 風(fēng)機2 臺，1 臺使用，1 臺備用。

表4 西風(fēng)井主要通風(fēng)機選型方案比選表

3.2 主要通風(fēng)機房布置

在西風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)，西風(fēng)井東側(cè)為原有注漿站及黃土堆，南側(cè)為原井筒施工建筑物，西側(cè)為進入廠區(qū)的道路，北側(cè)為現(xiàn)有主要通風(fēng)機房及地面風(fēng)硐。西風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)現(xiàn)有建、構(gòu)筑物情況詳見圖1。

圖1 改造前西風(fēng)井工業(yè)場地布置平面圖

新選主要通風(fēng)機設(shè)備為軸流式，電機在風(fēng)機的入風(fēng)口側(cè)，風(fēng)機和電機在擴散塔一側(cè)。原有主要通風(fēng)機和電機在擴散塔的兩側(cè)，2 種風(fēng)機的結(jié)構(gòu)形式和布置形式不一樣，不能利用現(xiàn)有主要通風(fēng)機房，需新建主要通風(fēng)機房。

西風(fēng)井工業(yè)場地南側(cè)有居民，若主要通風(fēng)機房及擴散塔等布置在井筒南側(cè)，則噪音對居民影響較大；故設(shè)計選擇拆除井筒東部注漿站，平整東北側(cè)的部分黃土堆，在西風(fēng)井東側(cè)新建主要通風(fēng)機房、風(fēng)硐、擴散塔等，同時重新規(guī)劃廠區(qū)內(nèi)道路，未來考慮在西風(fēng)井南側(cè)重建注漿站。改造后西風(fēng)井工業(yè)場地內(nèi)建、構(gòu)筑物情況詳見圖2。

圖2 改造后西風(fēng)井工業(yè)場地布置平面圖

3.3 新、舊主要通風(fēng)機運行切換

1）對現(xiàn)有鎖口改造。因新建地面風(fēng)硐，現(xiàn)有鎖口無法滿足使用要求，需對現(xiàn)有鎖口進行改造?，F(xiàn)有鎖口內(nèi)徑6.0 m，壁厚0.8 m，設(shè)計在現(xiàn)鎖口外側(cè)新建圓形鎖口內(nèi)徑7.5 m，高6.0 m，壁厚0.8 m。新鎖口設(shè)防爆蓋，防爆蓋采用自動壓緊裝置。

2）新、舊風(fēng)機切換。新?lián)Q主要通風(fēng)機安裝測試完畢后，封堵原有舊風(fēng)硐（距風(fēng)井不超過6 m 以免形成盲巷），起吊原有風(fēng)井防爆蓋，并貫通新風(fēng)硐，啟動新風(fēng)機完成切換。該礦西風(fēng)井新、舊主要通風(fēng)機切換用時約8～10 h。

4 運行效果檢驗

目前，東灘煤礦西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場已改造完畢，主要通風(fēng)機整體運行狀態(tài)良好，風(fēng)機運行期間體積流量151.25 m3/s，負壓2 184.81 Pa，滿足井下采掘工作面等用風(fēng)要求。西風(fēng)井主要通風(fēng)機采用智能化系統(tǒng)和新型節(jié)能技術(shù)，在井下通風(fēng)動力不停止狀態(tài)下，2 臺主要通風(fēng)機可實現(xiàn)自動切換，同時可對主要通風(fēng)機運行特性參數(shù)自動在線監(jiān)測、故障診斷和遠程自動化管理，已達到無人值守的標準。

西風(fēng)井更換為大能力高效率的主要通風(fēng)機后，提高了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，改善了井下作業(yè)環(huán)境得，提高了礦井抗災(zāi)能力，為礦井安全高效生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。