下溝煤礦通風系統(tǒng)可靠性分析

田曉紅

(陜西能源職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

礦井通風是煤礦生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)。通風系統(tǒng)是由諸多不可控變量組成的一個復雜系統(tǒng)，其運行狀態(tài)對保證井下安全生產(chǎn)具有重要意義。隨著礦井開拓水平的不斷延伸，開采規(guī)模的不斷擴大，礦井通風系統(tǒng)和通風網(wǎng)絡也相應地會越來越復雜，所以進行通風系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性調查分析很有必要。這樣做能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中存在或可能出現(xiàn)的問題，給礦井通風系統(tǒng)設計和管理提供科學依據(jù)，有效地防治和減少系統(tǒng)事故的發(fā)生。文中以彬縣下溝煤礦通風系統(tǒng)為對象，通過數(shù)據(jù)測量與計算，參照《煤礦安全規(guī)程》，在對數(shù)據(jù)整合分析的基礎上，提出了系統(tǒng)運行中存在的問題及解決方法，對礦井通風系統(tǒng)設計、改造、優(yōu)化及管理具有參考價值。

1 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 通風系統(tǒng)

下溝煤礦通風方式為中央分列式，通風方法為負壓抽出式通風，采用斜井、立井單水平開拓方式(四斜一立)，其中主井、副井、行人斜井3條井筒進風，上溝回風井、水簾洞回風井回風，總體為“三進二回”的通風系統(tǒng)。

目前，主井進風量1 527 m3/min，副井進風量5 380 m3/min，行人斜井進風量2 967 m3/min，礦井總進風量為9 874 m3/min。礦井總回風量為10 298 m3/min，主通風機總排風量為10 550 m3/min，外部漏風率為2.39%，內(nèi)部漏風率為5.5%。等積孔A=3.7 m2(根據(jù)2016年通風機阻力測定)。水簾風井通過反風道反風，上溝風井通過風機反轉進行反風。

1.2 通風設備

上溝回風井地面安裝BD-Ⅱ-8-NO22型防爆對旋軸流式主要通風機2臺，一臺使用一臺備用，配用電動機型號YBF355L1-8型，總功率2×185 kW，主扇排風量7 100 m3/min，現(xiàn)運行負壓2 600 Pa；水簾洞回風井地面安裝4-72-12NO-20B型防爆離心式主要通風機2臺，一臺使用一臺備用，配用電動機型號JS-127-8型，總功率2×185 kW，主扇排風量3 410 m3/min，現(xiàn)運行負壓1 330 Pa。

1.3 通風路線

上溝回風井通風路線：

地面(新鮮風)→主副斜井、行人斜井→軌道皮帶大巷及配風巷→西軌道大巷、西皮帶大巷→

→404西二水平回風巷→404回風下山→上溝風井

水簾回風井通風路線：

地面(新鮮風)→主副斜井、行人斜井→軌道皮帶大巷及配風巷→401軌道皮帶下山→

→401西二水平回風巷→401回風下井→水簾風井→地面

2 通風參數(shù)調查與風量計算

2.1 礦井通風參數(shù)調查

掘進工作面、采煤工作面、硐室及其他地點通風參數(shù)分別見表1、表2、表3。

2.2 礦井風量計算

下溝煤礦目前有3個掘進工作面，ZF2820、ZF301和ZF2411工作面；2個采煤工作面，ZF2404工作面和ZF2817工作面。4個采區(qū)變電所，3個水泵房，1個注氮硐室，1個抽放硐室，1個炸藥庫，1個無極繩硐室，4個皮帶機頭。

表1 掘進工作面通風參數(shù)

表2 采煤工作面通風參數(shù)

表3 硐室及其他地點通風參數(shù)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井總風量應按井下同時工作的最多人數(shù)每人每分鐘供給風量不得少于4 m3和按采煤、掘進、硐室及其它地點實際需要風量總和分別計算，并選取其中的最大值。

采煤、掘進工作面風量計算：按工作面溫度核算，ZF2817采煤工作面風速為1.0～1.5 m/s，取1.2 m/s，風量為1 231.2 m3/min；按瓦斯涌出量計算，風量為336 m3/min；按工作人數(shù)計算，風量為120 m3/min。工作面實際需風量應為滿足各種條件下的風量最大值，即ZF2817工作面配風量為1 231.2 m3/min。

按照上述同樣方法，ZF2404工作面、ZF2411回風順槽掘進工作面、ZF2411運輸順槽掘進工作面、ZF2820運輸順槽掘進面、ZF2820回風順槽掘進面理論需風量分別為1 228.6 m3/min、370.8 m3/min、393.6 m3/min、392.4 m3/min和370.8 m3/min。

ZF301回風順槽掘進面風量，按稀釋瓦斯所需風量計算，需風量592 m3/min；按人數(shù)計算所需風量，需風量120 m3/min；按局部通風機的吸風量核算，需風量536.4 m3/min；取滿足各種條件下的風量最大值592 m3/min。經(jīng)風速驗算V=Q/S=592/16.8=0.59 m/s，0.25 m/s<0.59 m/s<4 m/s，符合規(guī)程要求，但不經(jīng)濟，需要抽放瓦斯。

按照上述計算方法，ZF301運輸順槽掘進面風量計算結果為0.25 m/s<1.34 m/s<4 m/s，符合規(guī)程要求，但不經(jīng)濟，需要抽放瓦斯。

403采區(qū)炮掘措施巷工作面風量核算按瓦斯涌出量核算，風量取45.5 m3/min；按局部通風機的吸風量核算，風量取300 m3/min；按工作人員數(shù)量核算，風量取120 m3/min；按炸藥量計算，風量取162.5 m3/min。取風量最大值，即403采區(qū)炮掘工作面計劃風量為300 m3/min。

采區(qū)硐室風量計算：按《規(guī)程》要求，401采區(qū)硐室風量根據(jù)設備發(fā)熱量變電硐室、水泵房、注氮硐室、炸藥庫風量分別取80 m3/min、60 m3/min、60 m3/min和60 m3/min。硐室風量之和為340 m3/min。

同樣可計算得404采區(qū)硐室風量之和為540 m3/min。

皮帶機頭根據(jù)實際取200 m3/min，有4個皮帶機頭共800 m3/min。

軌道下山底風量計算：按瓦斯涌出量核算，風量取14.3 m3/min；按風速核算，風量取90 m3/min。即401軌道下山底需風量為90 m3/min。404軌道下山取其各種核算結果最大值，即404軌道下山底計劃風量為140.4 m3/min。

井下其它巷道需要風量：按∑Q采、∑Q掘、∑Q401軌道下山底、∑Q404軌道下山底、∑Q硐、∑Q403采區(qū)炮掘6項總風量之和的5%選取。即

∑Q其它=(∑Q采+∑Q掘+∑Q401軌道下山底+∑Q404軌道下山底+∑Q403采區(qū)炮掘+∑Q硐)×0.05=(2 459.8+2 930.232+90+104.4+300+1 680)×0.05=378 m3/min。

礦井需風量計算：根據(jù)以上計算結果，礦井需要風量為

Q礦=(∑Q采+∑Q掘+∑Q401軌道下山底+∑Q404軌道下山底+∑Q403采區(qū)炮掘∑Q硐+∑Q其他)·K=(2 459.8+2 930.232+90+104.4+300+378+1 680)×1.25=9 930 m3/min=165.5 m3/s。

式中：K—礦井通風系數(shù)，取1.25。

2.3 風量分配(表4)

2.4 礦井有效風量率和漏風率

根據(jù)礦井通風阻力測定匯總表，礦井有效風量

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦井有效風量率應不低于85%，符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。

下溝煤礦井下主要有33個風門，共漏風量為9.05 m3/s，礦井總進風量為164.6 m3/s，礦井內(nèi)部漏風率為9.05/164.6×100%=5.5%。

下溝煤礦主風機總排風量175.8 m3/s，總回風為171.6 m3/s，故礦井漏風量為4.2 m3/s，外部漏風率PL=4.2/175.8=2.39%。

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦井主要通風機裝置外部漏風率無提升設備時不得超過5%，有提升設備時不得超過15%，符合《煤礦安全規(guī)程》的要求。

3 通風阻力與自然風壓的影響

3.1 通風阻力

下溝煤礦于2016年上半年委托有關部門進行了礦井通風阻力測定，并形成了下溝煤礦《礦井通風阻力測定報告》。礦井現(xiàn)在的通風系統(tǒng)與阻力測定時的通風系統(tǒng)相比較有一定變化，但對系統(tǒng)阻力分布影響不大。

由表5中可知礦井水簾風井通風總阻力為1 265.88 Pa，401采區(qū)總進風量為60.90 m3/s，上溝風井通風總阻力為2 537.384 Pa，404采區(qū)總進風量為108.95 m3/s。

根據(jù)h=RQ2，可得R=h/Q2

=0.288 3N·s2/m8

=0.197 2N·s2/m8

h總Q總=h總進Q總+h401Q401+h404Q404=196.46×169.87+169.42×60.92+2340.92×108.95=33 372.67+65 149.07+255 043.23

h總=353 564.961÷169.87=2 081.38 Pa

表5 礦井通風阻力分布表

故401采區(qū)總風阻為0.288 3 N·s2/m8；404采區(qū)總風阻為0.197 2 N·s2/m8；礦井的總阻力為2 081.38 Pa，礦井的總風阻為0.072 1 N·s2/m8，等積孔為4.43 m2。

一般合理的礦井的進風段、用風段和回風段阻力分配比例應為3∶3∶4，而下溝煤礦實際礦井通風路線總阻力分配比近似為3∶1∶3。從中可以看出，目前礦井通風阻力主要集中在回風段，原因是3條回風巷中有多條直徑為φ377、φ720的瓦斯抽放管、直徑為φ159的灌漿管路等其它管路，這些都減小了巷道斷面，增加了礦井通風阻力；聯(lián)絡巷過多也難免會造成較大的局部阻力；應對系統(tǒng)漏風及沒有存在意義的巷道和設施加以封閉和改造，簡化通風網(wǎng)絡，降低礦井通風阻力，建議加強巷道維護，擴大巷道斷面，減少通風阻力。

3.2 自然風壓對系統(tǒng)的影響

水簾風井的水平標高為640 m，上溝風井的水平標高為710 m，進風井的水平標高500 m，礦井深度370 m。副斜井的空氣密度為1.06 kg/m3，水簾風井的空氣密度為1.055 kg/m3，上溝風井的空氣密度為1.013 kg/m3。

根據(jù)自然風壓計算公式

h自=Zg(ρ均進-ρ均回)

即：上溝風井的自然風壓h自=170.422 Pa

水簾風井的自然風壓h自=18.62 Pa

礦井通風動力是礦井機械風壓與自然風壓的共同作用，礦井機械風壓是連續(xù)穩(wěn)定的，而自然風壓會隨著地表氣體的溫度、濕度、大氣壓，還有礦井的深度等因素的變化而改變，會影響到整個礦井通風。因此，同一個礦井冬季和夏季的自然風壓會不一樣。在冬季，進風井空氣平均溫度降低，自然風壓會增加。當主要通風機正常運轉時，機械風壓作用遠遠大于自然風壓作用，風量變化一般不會超過允許范圍。而當?shù)V井主要通風機發(fā)生故障或礦井降風時，由于沒有礦井風壓作用或礦井風壓作用效果減弱，而引起風流停滯或逆轉，使井巷風流中的毒害氣體濃度增加，甚至超限，從而引發(fā)事故發(fā)生。

上溝通風機風壓為2 600 Pa，實際總風量為7 004 m3/min，上溝風井的自然風壓170 Pa，水簾通風機風壓為1 330 Pa，實際總風量為3 294 m3/min，水簾風井的自然風壓18.6 Pa。正常情況下，自然風壓對通風系統(tǒng)的影響不大。

4 結論

(1)經(jīng)統(tǒng)計下溝煤礦井下主要通風設施現(xiàn)有255處，其中密閉墻66道，風門131個，調節(jié)風門40個，風橋7個，測風站11座。下溝煤礦通風設施、通風設備全面，通風能力滿足生產(chǎn)需要。

(2)礦井有效風量率88.39%，礦井外部漏風率2.39%，符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

(3)ZF301回風順槽掘進工作面，運輸順槽掘進工作面風速符合規(guī)程要求，但是利用風排瓦斯的方法不符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，建議利用井下臨時抽放系統(tǒng)進行抽放，瓦斯抽采率應大于等于20%或者調節(jié)局部通風機吸風量。

(4)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定礦井通風總阻力不應超過2 940 Pa，上溝回風井風機現(xiàn)運行負壓2 600 Pa，距離上限要求只差11.6%左右，富余系數(shù)較小，調節(jié)的可能性不大，建議對通風系統(tǒng)優(yōu)化。

(5)本礦上溝通風機風壓為2 600 Pa，實際總風量為7 004 m3/min，上溝風井的自然風壓170 Pa，水簾通風機風壓為1 330 Pa，實際總風量為3 294 m3/min，水簾風井的自然風壓18.6 Pa。正常情況下，自然風壓對通風系統(tǒng)的影響不大。