石 勇

（中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西 朔州 036000）

隨著礦井生產(chǎn)向西部發(fā)展，礦井通風(fēng)系統(tǒng)能力與礦井生產(chǎn)能力不適應(yīng)，部分巷道風(fēng)速超限，巷道通風(fēng)能力不足，主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和電動(dòng)機(jī)功率均不能滿足礦井長(zhǎng)遠(yuǎn)安全生產(chǎn)需求，需要對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)展開全面優(yōu)化，開展相關(guān)工作有助于為礦井安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的保障[1-6]。因此，根據(jù)主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)及通風(fēng)阻力等數(shù)據(jù)實(shí)施改造，以期在一定程度提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全性，為類似礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造提供一定的參考價(jià)值。

1 礦山概況及通風(fēng)系統(tǒng)基本情況

肥城礦業(yè)集團(tuán)單縣能源有限責(zé)任公司陳蠻莊煤礦（以下簡(jiǎn)稱陳蠻莊煤礦）位于單縣縣城東南約15 km，行政區(qū)劃屬菏澤市單縣管轄。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90 萬(wàn)t/a，核定生產(chǎn)能力為72 萬(wàn)t/a。陳蠻莊煤礦主采3 煤層，平均厚度3.33 m，截至2019 年底，礦井保有資源量10 147.9 萬(wàn)t，其中可采儲(chǔ)量3 625.8 萬(wàn)t。礦井采用立井開拓，單一水平開采，副井主要進(jìn)風(fēng)，主井少量進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。礦井共劃分為西翼32、34、36、38、310 采區(qū)及東翼31 采區(qū)，其中東翼采區(qū)已回采結(jié)束并完成封閉，通風(fēng)系統(tǒng)改造前生產(chǎn)采區(qū)布置在32 和34 采區(qū)。

礦井采用中央并列抽出式通風(fēng)，西翼軌道大巷進(jìn)風(fēng)，西翼膠帶大巷回風(fēng)。風(fēng)井安裝有FBCDZ №28 型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，電機(jī)額定功率為2×315 kW；主通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行角度42°/26°，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率50 Hz，礦井排風(fēng)量為10 100 m3/min，礦井負(fù)壓1989 Pa；該主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為7080～11 040 m3/min。

2 通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

礦井西翼主要進(jìn)、回風(fēng)系統(tǒng)東段一進(jìn)三回，西翼軌道大巷進(jìn)風(fēng)，西翼回風(fēng)大巷、西翼膠帶大巷和西翼并聯(lián)回風(fēng)巷回風(fēng)；西段兩進(jìn)一回，即西翼軌道大巷和西翼并聯(lián)進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，西翼膠帶大巷回風(fēng)；中間部分區(qū)段一進(jìn)兩回，即西軌道大巷進(jìn)風(fēng)，西翼膠帶大巷和西翼并聯(lián)回風(fēng)巷回風(fēng)。受地質(zhì)條件的限制井田東翼可采儲(chǔ)量較少，形成了向井田西部延伸的大單翼開采布局，礦井生產(chǎn)向西部發(fā)展，西翼西部通風(fēng)路線延長(zhǎng)且西翼用風(fēng)量增加。為分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)能力是否與礦井生產(chǎn)能力相適應(yīng)，尤其西翼最遠(yuǎn)38 采區(qū)和310 采區(qū)投產(chǎn)后礦井通風(fēng)系統(tǒng)能否滿足要求，有必要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀分析。

2.1 主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析

從主通風(fēng)機(jī)特性曲線圖（圖1）可以看出，在通風(fēng)機(jī)裝置實(shí)際運(yùn)行條件下該風(fēng)機(jī)的最大排風(fēng)量為11 184 m3/min，對(duì)應(yīng)的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為2635 Pa，所需電動(dòng)機(jī)功率為776 kW，而實(shí)際配用的電動(dòng)機(jī)功率為2×315 kW。FBCDZ №28 型風(fēng)機(jī)達(dá)不到最大的運(yùn)行工況點(diǎn)，由此可以判斷在當(dāng)前工況下通風(fēng)機(jī)已達(dá)到最大的排風(fēng)能力，也即該通風(fēng)機(jī)的最大運(yùn)行角度為42°/26°，在不更換電動(dòng)機(jī)的條件下不可再調(diào)大通風(fēng)機(jī)的葉片角度。

圖1 主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

根據(jù)礦井西翼38 采區(qū)和310 采區(qū)生產(chǎn)時(shí)的礦井生產(chǎn)布局和需風(fēng)量，原主要通風(fēng)機(jī)因能力不足無(wú)法滿足礦井所需風(fēng)量、風(fēng)壓的要求。更換主要通風(fēng)機(jī)后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算得到主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)見(jiàn)表1。在此工況下，主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻為0.078 kg/m7，等積孔為4.26 m2，電動(dòng)機(jī)所需功率1157 kW，運(yùn)行功率964 kW。由通風(fēng)機(jī)曲線圖2 可見(jiàn)，在滿足總風(fēng)量要求的前提下，主要通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)已超出了該通風(fēng)機(jī)的最大可調(diào)葉片角度，在這一時(shí)期現(xiàn)用通風(fēng)機(jī)能力已不滿足要求。

表1 38 采區(qū)和310 采區(qū)生產(chǎn)主通風(fēng)機(jī)工況表

圖2 38 采區(qū)和310 采區(qū)生產(chǎn)時(shí)期主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

2.2 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析

礦井西翼主要進(jìn)、回風(fēng)巷通風(fēng)能力不足，最大進(jìn)風(fēng)能力為8880 m3/min，已接近上限。隨著礦井西翼需風(fēng)量進(jìn)一步增大，在38 采區(qū)和310 采區(qū)生產(chǎn)時(shí)期，西翼膠帶大巷將出現(xiàn)多處風(fēng)速超限的情況，在風(fēng)量滿足要求的前提下通風(fēng)阻力高達(dá)3472 Pa。由表2 可見(jiàn)，造成38 采區(qū)和310 采區(qū)通風(fēng)較大的原因是進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段的通風(fēng)阻力較大，分別占礦井總阻力的39.2%和53.9%，在回風(fēng)段中西翼膠帶大巷和風(fēng)井的阻力均較大。

表2 38 采區(qū)和310 采區(qū)系統(tǒng)三段通風(fēng)阻力分布表

2.3 存在的主要問(wèn)題

礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造前，雖然礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)合理，總阻力在合理范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)獨(dú)立性較好，主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量分配合理，但隨著礦井西翼最遠(yuǎn)采區(qū)（38 采區(qū)和310 采區(qū)）投產(chǎn)后，存在以下問(wèn)題：

1）西翼軌道大巷局部地點(diǎn)風(fēng)速超限。礦井西翼只有一條進(jìn)風(fēng)大巷，即西翼軌道大巷，井巷通風(fēng)系統(tǒng)能力將受到西翼進(jìn)風(fēng)大巷的約束。西翼進(jìn)風(fēng)大巷斷面積為18.5 m2，最大進(jìn)風(fēng)能力為8880 m3/min，目前實(shí)際進(jìn)風(fēng)能力已達(dá)上限。

2）礦井FBCDZ №28 型主通風(fēng)機(jī)已發(fā)揮最大通風(fēng)能力。主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行角度為42°/26°，由于受電動(dòng)機(jī)能力的制約，通風(fēng)機(jī)的葉片角度不可調(diào)，目前通風(fēng)系統(tǒng)已發(fā)揮了最大潛力。

3）礦井主通風(fēng)機(jī)能力不足，不能滿足礦井長(zhǎng)遠(yuǎn)安全生產(chǎn)需求。隨著西翼用風(fēng)量增大，通風(fēng)路線延長(zhǎng)，通風(fēng)難度增加，礦井所需的風(fēng)量和風(fēng)壓都將超出現(xiàn)有主通風(fēng)機(jī)的合理工作范圍，將造成礦井多個(gè)主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量不足。現(xiàn)用主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和電動(dòng)機(jī)功率均不滿足要求。

4）礦井部分巷道斷面不足。通過(guò)需風(fēng)量及礦井通風(fēng)阻力計(jì)算，可見(jiàn)西翼膠帶大巷設(shè)計(jì)斷面較小，且局部斷面受動(dòng)壓影響變形嚴(yán)重；西軌軌道大巷1500～2000 m 巷道斷面同樣受動(dòng)壓影響變形嚴(yán)重。

5）礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)存在問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化。隨著西翼用風(fēng)量增大，通風(fēng)路線延長(zhǎng)，在風(fēng)量滿足要求的前提下，現(xiàn)有通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)情況下，礦井通風(fēng)阻力將超過(guò)《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》（AQ 1028-2006）標(biāo)準(zhǔn)的要求。從礦井通風(fēng)能力來(lái)看，礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造前通風(fēng)能力已與礦井后期生產(chǎn)能力不相匹配，存在兩個(gè)顯著問(wèn)題：一是主通風(fēng)機(jī)能力不足，二是西翼進(jìn)回風(fēng)能力不足。

3 通風(fēng)系統(tǒng)改造措施

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)改造的主要工程

該礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容包括兩大方面：一是更換礦井主通風(fēng)機(jī)；二是提高井巷通風(fēng)能力，降低礦井通風(fēng)阻力。主要的優(yōu)化措施如下：

1）更換礦井主通風(fēng)機(jī)。礦井主通風(fēng)機(jī)選型應(yīng)兼顧到當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)的通風(fēng)需要，在通風(fēng)困難和通風(fēng)容易兩個(gè)時(shí)期通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)均在合理范圍內(nèi)，使通風(fēng)機(jī)工況有較大的適用范圍。從前面的分析中可以看出，西翼38 采區(qū)和310 采區(qū)的用風(fēng)地點(diǎn)多，西翼主要進(jìn)回風(fēng)大巷風(fēng)量集中，通風(fēng)阻力最大，這一時(shí)期是礦井通風(fēng)最困難的時(shí)期；通風(fēng)最容易時(shí)期就是當(dāng)前的生產(chǎn)時(shí)期。因此通風(fēng)機(jī)選型應(yīng)以這兩個(gè)生產(chǎn)時(shí)期為依據(jù)。

根據(jù)易者更易、難者更難的原則，根據(jù)前面的分析結(jié)果選取風(fēng)機(jī)選型的工況點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 主通風(fēng)機(jī)選型工況點(diǎn)

擬新選用主風(fēng)機(jī)型號(hào)FBCDZ №35/2×710，配備YBF2-710M3-10-710 kW 電機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速596 r/min，額定風(fēng)量132～344 m3/s，靜壓5360～1923 Pa。葉片安裝角度19.7°/17.1°。

2）補(bǔ)掘西翼回風(fēng)大巷，長(zhǎng)度1725 m，有效通風(fēng)斷面積不低于18 m2；對(duì)西翼軌道大巷、局部斷面較小的地點(diǎn)進(jìn)行巷道修復(fù)，斷面積修復(fù)至18 m2；對(duì)西翼膠帶大巷局部地點(diǎn)巷道斷面積修復(fù)至14 m2。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)改造工程實(shí)施階段

1）為了滿足礦井總風(fēng)量以及主要用風(fēng)地點(diǎn)風(fēng)量的需求，在3601 面投產(chǎn)前新安裝的風(fēng)機(jī)必須能夠投入運(yùn)行。

2）在38 采區(qū)投產(chǎn)前西翼回風(fēng)大巷必須形成系統(tǒng)，以解決礦井高阻力以及西翼膠帶大巷風(fēng)速超限的問(wèn)題。

3）在西翼回風(fēng)大巷形成系統(tǒng)之前，也在3601面生產(chǎn)時(shí)期盡量保留西翼并聯(lián)回風(fēng)巷是必要的，有利于降低礦井通風(fēng)阻力。在西翼回風(fēng)大巷形成系統(tǒng)之后，西翼并聯(lián)回風(fēng)巷的作用變小，保留該巷道意義不大，可以將其封閉。

4）在310 采區(qū)投產(chǎn)前必須補(bǔ)掘西翼輔助進(jìn)風(fēng)巷，以解決西翼進(jìn)風(fēng)能力不足的問(wèn)題。

4 通風(fēng)系統(tǒng)改造前后效果分析與評(píng)價(jià)

1）礦井主要通風(fēng)參數(shù)變化情況

1#舊風(fēng)機(jī)和2#新風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表4。更換礦井主通風(fēng)機(jī)與補(bǔ)掘完成西翼回風(fēng)大巷前后，礦井主要通風(fēng)參數(shù)變化情況見(jiàn)表5。

表4 新舊風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

表5 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造前后通風(fēng)參數(shù)變化情況

① 新風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率41 Hz，風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行角度19.7°/17.1°。礦井總進(jìn)風(fēng)量增大2548 m3/min，礦井總回風(fēng)量增大2628 m3/min，礦井排風(fēng)量增大2440 m3/min，礦井負(fù)壓增大350 Pa，礦井全壓增大400 Pa，礦井各生產(chǎn)作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)量均能滿足要求。

② 補(bǔ)掘西翼輔助進(jìn)風(fēng)巷前后對(duì)比，通過(guò)通風(fēng)機(jī)葉片角度的調(diào)節(jié)，使總風(fēng)量基本維持不變，礦井通風(fēng)總阻力降低了660 Pa，而且使通風(fēng)總阻力降低至合理范圍內(nèi)，主通風(fēng)機(jī)所需功率減少了214 kW，通風(fēng)系統(tǒng)改造的效果非常明顯。

③ 補(bǔ)掘西翼輔助進(jìn)風(fēng)巷后，310 采區(qū)進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力由1809 Pa 降低至905 Pa，進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力降低904 Pa，進(jìn)風(fēng)段通風(fēng)阻力占比由52.5%降低至32.5%；回風(fēng)段通風(fēng)阻力，由原來(lái)的1163 Pa 提高到1376 Pa，回風(fēng)段通風(fēng)阻力占比由33.7%提高了49.4%。全系統(tǒng)通風(fēng)總阻力降低了660 Pa。

2）礦井新主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行評(píng)價(jià)

① 新主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。一是徹底解決了礦井主通風(fēng)機(jī)能力不足的問(wèn)題；二是礦井風(fēng)量有了顯著的增加，負(fù)壓處于合理狀態(tài)；三是未出現(xiàn)巷道風(fēng)速超速現(xiàn)象。

② 礦井通風(fēng)能力顯著增加。通過(guò)核定，礦井核定采掘作業(yè)地點(diǎn)由通風(fēng)系統(tǒng)改造前的2 面1 備8 頭增加至2 面2 備10 頭，增加了1 個(gè)備用工作面、2個(gè)掘進(jìn)作業(yè)地點(diǎn)，完全滿足礦井今后采掘生產(chǎn)需要。

③ 補(bǔ)掘西翼回風(fēng)大巷后，采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻值降低，減小了采區(qū)和北翼采區(qū)局部風(fēng)量調(diào)節(jié)的增阻幅度，從而使全礦井通風(fēng)總阻力有較大的降低。

④ 補(bǔ)掘西翼回風(fēng)大巷后，解決了礦井通風(fēng)阻力超高的問(wèn)題，使通風(fēng)阻力降低到合理范圍內(nèi)，通風(fēng)較困難時(shí)期通風(fēng)阻力為2738 Pa；解決了西翼膠帶大巷部分地點(diǎn)風(fēng)速超限的問(wèn)題，新補(bǔ)西翼回風(fēng)大巷風(fēng)速合理，西翼膠帶大巷風(fēng)速降到合理范圍內(nèi)。

3）效果分析評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)比通風(fēng)系統(tǒng)改造前后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)據(jù)的增減值，發(fā)現(xiàn)主要地點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果總體是相近的，通風(fēng)系統(tǒng)改造后解算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。初步分析誤差存在的原因，主要是西翼膠帶3 處斷面較小的地點(diǎn)進(jìn)行了擴(kuò)修。

① 新主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的，解決了礦井主通風(fēng)機(jī)能力不足的問(wèn)題，礦井風(fēng)量有了顯著的增加，且礦井負(fù)壓未超出規(guī)定范圍，未出現(xiàn)巷道風(fēng)速超速現(xiàn)象。

② 配風(fēng)巷的投入使用，滿足了前期設(shè)計(jì)需求，達(dá)到了預(yù)期目的，解決了西翼軌道大巷風(fēng)速超限的問(wèn)題；增大了礦井總進(jìn)風(fēng)量，增大了284 m3/min；增大了西翼采區(qū)風(fēng)量，增大了344 m3/min；降低了礦井負(fù)壓，降低了50 Pa。

5 結(jié)論

礦井自更換主通風(fēng)機(jī)、補(bǔ)掘完成西翼回風(fēng)大巷前后礦井等通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工程實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定，優(yōu)化采掘布局及接續(xù)；解決了通風(fēng)能力不足的問(wèn)題，解決了通風(fēng)路線長(zhǎng)、通風(fēng)阻力大、生產(chǎn)布局集中等問(wèn)題，礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定程度、安全程度和防災(zāi)抗災(zāi)能力顯著增強(qiáng)，通風(fēng)系統(tǒng)合理、穩(wěn)定、可靠，形成了高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)格局。