張文青,李 雷,杜 可,焦小建

(1.山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西 高平 048411;2.河南理工大學(xué), 河南 焦作 454003;3.河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 河南 焦作 454003;4.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計院有限公司, 山西 晉城 048004)

煤炭開采過程中通風(fēng)是必須的,通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、可靠性偏低時,往往會引發(fā)粉塵、瓦斯、火災(zāi)等事故。分析通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性時必然涉及到通風(fēng)阻力、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和風(fēng)機(jī)擾動等問題[1]. 對此眾多學(xué)者展開了一系列的研究,并取得了一定的成果。朱永強(qiáng)[2]對比了不同風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)方式的優(yōu)劣性,結(jié)合礦井實際條件確定了礦井多風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的最佳通風(fēng)網(wǎng)絡(luò),以通風(fēng)量為考核標(biāo)準(zhǔn)確定了最佳通風(fēng)路線;崔素賓[3]通過對多風(fēng)井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的研究,根據(jù)通風(fēng)機(jī)性能曲線,對通風(fēng)動力與通風(fēng)阻力的匹配以及多風(fēng)井風(fēng)機(jī)協(xié)同作業(yè)進(jìn)行了優(yōu)化,實現(xiàn)了多風(fēng)機(jī)聯(lián)合高效運(yùn)轉(zhuǎn);張景鋼等[4]針對多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時的互相干擾問題,提出了劃定公共風(fēng)路原則,通過對礦井多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時公共風(fēng)路占總風(fēng)阻比例對通風(fēng)系統(tǒng)影響的定性分析,并通過風(fēng)網(wǎng)解算,確定公共風(fēng)路過長為多風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)相互干擾主因;梁軍[5]采用計算多風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點的方法,判定礦井通風(fēng)串并聯(lián)運(yùn)行是否有效,研發(fā)了礦井通風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)工況分析系統(tǒng);李麗等[6]通過反風(fēng)分析了多風(fēng)井不同能力風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時不同反風(fēng)順序?qū)ΦV井通風(fēng)參數(shù)的影響和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的改變情況。

長平煤業(yè)在多個盤區(qū)開采,布置多個通風(fēng)機(jī)并行運(yùn)轉(zhuǎn),風(fēng)機(jī)的相互擾動問題突出,因此,借鑒上述研究成果,對擾動狀況進(jìn)行分析并對通風(fēng)系統(tǒng)提出改進(jìn)措施,以保證礦井通風(fēng)安全。

1 工程概況及問題

1.1 工程概況

山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司位于山西省高平市寺莊鎮(zhèn)境內(nèi),井田長8.91 km,寬6.49 km,面積為43.51 km2,批準(zhǔn)開采3號煤層,開采深度為標(biāo)高300～680 m. 礦井現(xiàn)生產(chǎn)盤區(qū)有二盤區(qū)、四盤區(qū)、五盤區(qū)、六盤區(qū),采用多風(fēng)井分區(qū)式通風(fēng),機(jī)械抽出式通風(fēng)方法,全礦共有井筒12座,進(jìn)風(fēng)井8座,回風(fēng)井4座,各回風(fēng)立井風(fēng)機(jī)參數(shù)見表1.

表1 各回風(fēng)井風(fēng)機(jī)參數(shù)

1.2 存在問題

長平煤業(yè)開采過程中通風(fēng)系統(tǒng)存在以下問題:

1) 蘆家峪風(fēng)井所負(fù)擔(dān)區(qū)域工作面過于集中,通風(fēng)管理困難,系統(tǒng)穩(wěn)定、抗災(zāi)能力降低。

2) 根據(jù)《煤礦井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》(AQ 1028—2006)所規(guī)定“礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量10 000～20 000 m3/min,系統(tǒng)通風(fēng)阻力<2 940 Pa;礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量>20 000 m3/min,系統(tǒng)通風(fēng)阻力<3 920 Pa”,釜山主扇風(fēng)量負(fù)壓值處于限定交界值。釜山主扇理論上雖有上調(diào)風(fēng)機(jī)角度增加風(fēng)量的可能,但上調(diào)角度后風(fēng)機(jī)負(fù)壓、功率也相應(yīng)增加,風(fēng)機(jī)房現(xiàn)有線路難以承受電流增加。后期,隨著安家主要通風(fēng)機(jī)的投入運(yùn)轉(zhuǎn),出現(xiàn)五六盤區(qū)風(fēng)流紊亂,五盤區(qū)底部巖石底抽巷供風(fēng)量不足,風(fēng)流不穩(wěn)定等問題。

2 井下風(fēng)網(wǎng)擾動理論分析

2.1 理論基礎(chǔ)

1) 多臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)風(fēng)量分配。

當(dāng)?shù)V井在不同井口采用多臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時,0段風(fēng)阻為R0,風(fēng)量Q0,主要通風(fēng)機(jī)Ⅰ、Ⅱ…,N分支風(fēng)路的風(fēng)阻分別為R1、R2…Rn,風(fēng)量為Q1、Q2…Qn.圖1為不同井口采用n臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時的狀態(tài),各主要通風(fēng)機(jī)工作系統(tǒng)風(fēng)壓損失:

(1)

圖1 n臺通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作

各主要通風(fēng)機(jī)工作系統(tǒng)所需功率為:

(2)

對式(2)各主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量求偏導(dǎo),取其一階偏導(dǎo)等于0:

(3)

由方程組(3)可得,多臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時,最小功率的條件式:

(4)

即:

h1=h2=…=hn

(5)

上式表明,多臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時,各主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)路的風(fēng)壓相等是最佳的分風(fēng)方案。各并聯(lián)分路風(fēng)壓相等是自然分風(fēng)的規(guī)律,因此,最佳分風(fēng)方案就是按自然分風(fēng)的規(guī)律。在自然分風(fēng)條件下,各主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與各風(fēng)路的風(fēng)阻狀況相匹配,充分發(fā)揮了各風(fēng)路的排風(fēng)能力,減少了因按需分風(fēng)而產(chǎn)生的附加能量損失。因此,實踐中,凡是各主要通風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量可以相互調(diào)配的情況下,應(yīng)使各主要通風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量等于并聯(lián)網(wǎng)路的自然分風(fēng)量。

2) 多臺主要通風(fēng)機(jī)并聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)風(fēng)阻配比。

在多臺主要通風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時,各風(fēng)路的排風(fēng)量按該風(fēng)路所負(fù)擔(dān)的各作業(yè)面需風(fēng)量確定,而各排風(fēng)風(fēng)路的風(fēng)阻是可以變動的。因此,各排風(fēng)風(fēng)路之間存在一個最優(yōu)的風(fēng)阻配比關(guān)系,這個關(guān)系可由各并聯(lián)風(fēng)路風(fēng)壓相等的原則引出,即:

(6)

式中:Ri、Rj分別為并聯(lián)風(fēng)路的風(fēng)阻;Qi、Qj分別為并聯(lián)風(fēng)路的風(fēng)量。

對于生產(chǎn)礦井,有時各主要通風(fēng)機(jī)的排風(fēng)風(fēng)路互不相通,而且各風(fēng)路的風(fēng)量按生產(chǎn)要求已經(jīng)確定,不能滿足自然分風(fēng)條件。此時,應(yīng)考慮對風(fēng)阻較大風(fēng)路降阻,使得回風(fēng)路風(fēng)壓相等或盡量相等。

2.2 各主要通風(fēng)機(jī)擾動情況

礦井生產(chǎn)中時常出現(xiàn)各主要通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)路中風(fēng)壓不等的情況,對此判定由按需分風(fēng)造成附加能量損失的多少可用附加耗能系數(shù)表征,即按需分風(fēng)時全系統(tǒng)的總能耗與按自然分風(fēng)時全系統(tǒng)最小能耗之差與全系統(tǒng)最小能耗的比例,以Kb表示,則:

(7)

式中:∑Ni為按需分風(fēng)時全系統(tǒng)總功率,kW;∑Nm為按自然分風(fēng)時全系統(tǒng)的總功率,kW.

Kb值越大,附加能耗越大。這是各主要通風(fēng)機(jī)排風(fēng)量與各風(fēng)路風(fēng)阻狀況不相適應(yīng)的一種表現(xiàn)。

長平主扇負(fù)壓2 080 Pa、風(fēng)量6 599 m3/min;釜山主扇負(fù)壓2 710 Pa、風(fēng)量17 079 m3/min;蘆家峪主扇負(fù)壓2 957 Pa;安家主扇負(fù)壓1 800 Pa,風(fēng)量12 624 m3/min,由于正處于低效率運(yùn)行,暫不考慮。按照式(7)分別計算回風(fēng)井風(fēng)機(jī)之間的相互擾動情況:

長平主要通風(fēng)機(jī)與釜山主要通風(fēng)機(jī)擾動情況:

釜山主要通風(fēng)機(jī)與蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)擾動情況:

蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)與安家主要通風(fēng)機(jī)擾動情況:

釜山主要通風(fēng)機(jī)與安家主要通風(fēng)機(jī)擾動情況:

由計算可知,長平主要通風(fēng)機(jī)與釜山主要通風(fēng)機(jī)相互擾動較大,安家風(fēng)井投運(yùn)后對原蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)和釜山主要通風(fēng)機(jī)影響較大,應(yīng)減少公共段的風(fēng)阻值。

2.3 通風(fēng)機(jī)擾動引起問題分析

1) 風(fēng)門等調(diào)、控風(fēng)設(shè)施過多且安設(shè)位置不科學(xué);風(fēng)門的設(shè)置主要是為了避免礦井風(fēng)流短路,另外具有阻隔風(fēng)流、改變風(fēng)向、調(diào)整風(fēng)量和穩(wěn)定通風(fēng)系統(tǒng)的作用,同時保證車輛和人員的正常通行。因此,風(fēng)門在通風(fēng)系統(tǒng)中常被認(rèn)為斷路或風(fēng)阻極大,予以忽略。長平煤業(yè)現(xiàn)采盤區(qū)除六盤區(qū)外,二、四、五盤區(qū)的主要進(jìn)風(fēng)段和回風(fēng)段均安設(shè)有風(fēng)門。

2) 有效風(fēng)量率低、漏風(fēng)量嚴(yán)重,構(gòu)筑物工程質(zhì)量差;在全礦井通風(fēng)系統(tǒng)普查中,兩風(fēng)門間壓差很少達(dá)到200 Pa以上,有的甚至不足10 Pa. 礦井內(nèi)部有效風(fēng)量率應(yīng)不低于85%,但長平回風(fēng)井有效風(fēng)量率為62%,蘆家峪區(qū)域為63%,釜山風(fēng)井所擔(dān)負(fù)區(qū)域僅為50%,3個主要回風(fēng)井有效風(fēng)量率明顯偏低。

3) 全礦井未做到分區(qū)式通風(fēng),區(qū)域風(fēng)量調(diào)節(jié)困難;對此在二盤區(qū)與四盤區(qū)主斜井井底車場繞道周邊修建7組風(fēng)門,見圖2,基本做到了二盤區(qū)由楊家莊進(jìn)風(fēng)立眼、長平進(jìn)風(fēng)立井、二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)立眼配風(fēng)、長平回風(fēng)立井回風(fēng),將主、副斜井調(diào)整為四盤區(qū)進(jìn)風(fēng)使用。但受新上倉斜巷主運(yùn)輸巷、斜井底輔運(yùn)輸巷等因素影響,風(fēng)門等構(gòu)筑物隔斷不徹底,漏風(fēng)量較大,造成二、四盤區(qū)仍有共用風(fēng)流現(xiàn)象。

圖2 二、四盤區(qū)分區(qū)工程示意

如圖3、圖4所示,四、五、六盤區(qū)用風(fēng)段、回風(fēng)段已完全獨立,但進(jìn)風(fēng)段有近5 000 m的公共段。主、副斜井,釜山進(jìn)風(fēng)立井區(qū)既為四盤區(qū)供風(fēng)17 000 m3/min,為五盤區(qū)供風(fēng)4 500 m3/min,又為六盤區(qū)供風(fēng)500 m3/min;蘆家峪進(jìn)風(fēng)立井為五盤區(qū)供風(fēng)22 000 m3/min,也為六盤區(qū)供風(fēng)近4 000 m3/min.

圖3 四、五盤區(qū)公共進(jìn)風(fēng)段

圖4 五、六盤區(qū)公共進(jìn)風(fēng)段

3 通風(fēng)調(diào)整方案及效果

在通風(fēng)系統(tǒng)中,無論是某條風(fēng)路還是某臺主要通風(fēng)機(jī)的參數(shù)有所改變,不但影響自身的其它參數(shù)有所變化,而且在系統(tǒng)內(nèi)所有的風(fēng)路、主要通風(fēng)機(jī)的參數(shù)均會變化,僅是變化程度的區(qū)別,強(qiáng)調(diào)整體效應(yīng)尤為重要。

1) 調(diào)整4310集中回風(fēng)巷由蘆家峪風(fēng)井承擔(dān)。如圖5所示,現(xiàn)4310集中進(jìn)風(fēng)不做調(diào)整,將4310集中回風(fēng)巷與第一回風(fēng)大巷相交處的密閉拆除,西面現(xiàn)底抽巷聯(lián)絡(luò)巷與第一回風(fēng)大巷相交處增設(shè)密閉。

圖5 頂板變形量監(jiān)測結(jié)果

圖5 4310通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整示意

2) 43222巷為四盤區(qū)邊界進(jìn)風(fēng)巷道,同時也為五盤區(qū)北翼泄水巷,其進(jìn)風(fēng)通過巷道后直接進(jìn)入四盤區(qū)回風(fēng)二巷,最終匯入釜山回風(fēng)立井,盤區(qū)回風(fēng)壓力大。目前,四盤區(qū)北翼僅剩余4322工作面,故調(diào)整43222巷為回風(fēng)巷,調(diào)整四盤區(qū)北翼回風(fēng)二巷為進(jìn)風(fēng)巷,通過外部調(diào)風(fēng)設(shè)施,控制四盤區(qū)北翼回風(fēng)二巷進(jìn)風(fēng)量不大于1 200 m3/min,風(fēng)速不大于1 m/s. 4322工作面的回風(fēng)由原來的釜山回風(fēng)立井變更為就近的蘆家峪回風(fēng)井,減少了過長的回風(fēng)路線。

3) 調(diào)整4322工作面進(jìn)風(fēng)方式。由現(xiàn)在的43221巷進(jìn)風(fēng)、43212巷回風(fēng)的“U型”通風(fēng)方式調(diào)整為43212巷主進(jìn)風(fēng)、43221巷輔助進(jìn)風(fēng)、43222巷與43221巷之間橫穿(工作前方)和43222巷回風(fēng)的近似“Y型”通風(fēng)方式。調(diào)整通風(fēng)方式后,43212巷主進(jìn)風(fēng)量3 850 m3/min,風(fēng)速2.84 m/s;43221巷輔助進(jìn)風(fēng)量1 050 m3/min,風(fēng)速1.17 m/s;43222巷最大回風(fēng)量6 100 m3/min,風(fēng)速3.94 m/s.

通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后,均衡了蘆家峪、釜山主扇的服務(wù)范圍與通風(fēng)能力,解決了四盤區(qū)北翼回風(fēng)一巷(正掘進(jìn))由于斷面過小而造成回風(fēng)能力受限的問題。

4 結(jié) 語

通過對長平煤業(yè)多井口各主要通風(fēng)機(jī)并行作業(yè)互相擾動理論分析得出以下結(jié)論:

1) 通過井下風(fēng)網(wǎng)擾動理論,確定了長平煤礦4個風(fēng)井風(fēng)機(jī)的相互擾動情況:長平主要通風(fēng)機(jī)與釜山主要通風(fēng)機(jī)擾動率為0.303;釜山主要通風(fēng)機(jī)與蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)擾動率為0.091;蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)與安家主要通風(fēng)機(jī)擾動率為0.643;釜山主要通風(fēng)機(jī)與安家主要通風(fēng)機(jī)擾動率為0.506.安家風(fēng)井通風(fēng)機(jī)對原蘆家峪主要通風(fēng)機(jī)和釜山主要通風(fēng)機(jī)影響較大,應(yīng)減少公共段的風(fēng)阻值。

2) 長平煤業(yè)各井口因風(fēng)機(jī)擾動,造成通風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)量調(diào)節(jié)過程中存在通風(fēng)構(gòu)筑物設(shè)置不科學(xué)、通風(fēng)構(gòu)筑物質(zhì)量差、區(qū)域調(diào)節(jié)困難等問題,提出了拆除多余通風(fēng)構(gòu)筑物、密閉不用巷道,調(diào)整工作面部分巷道通風(fēng)方式、回風(fēng)路線等措施。

3) 通過將四盤區(qū)4310集中回風(fēng)巷由釜山回風(fēng)井回風(fēng)調(diào)整到由蘆家峪回風(fēng)井回風(fēng)的方式,解決了釜山回風(fēng)井負(fù)壓超限、通風(fēng)能力不足等問題;通過將43222巷調(diào)整為回風(fēng),將四盤區(qū)北翼回風(fēng)二巷調(diào)整為進(jìn)風(fēng),將4322工作面由“U”型調(diào)整為近“Y”型的通風(fēng)方式,均衡了蘆家峪、釜山主扇的服務(wù)范圍與通風(fēng)能力,解決了四盤區(qū)北翼回風(fēng)一巷(正掘進(jìn))由于斷面過小而造成回風(fēng)能力受限的問題。