礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造及通風(fēng)機(jī)選型

賈小鵬

（山西朔州山陰蘭花口前煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900）

1 項(xiàng)目背景

通風(fēng)系統(tǒng)能否正常持續(xù)運(yùn)行是井下安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵影響因素[1-5]?？谇懊旱V通風(fēng)方式為中央分列式。通風(fēng)機(jī)的工作方式為機(jī)械抽出式。主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)，回風(fēng)斜井已安裝2臺(tái)FBCDZ-8-No21B型礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為48～107 m3/s，負(fù)壓范圍為670～2 600 Pa，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。配套YBFe-355S2-8型隔爆電動(dòng)機(jī)，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速740 r/min。根據(jù)礦井采掘規(guī)劃，礦井布置“一采、一備、四個(gè)掘進(jìn)工作面”時(shí)，經(jīng)計(jì)算礦井總需風(fēng)量為110 m3/s。目前主通風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為48～107 m3/s，不能滿足礦井生產(chǎn)的需要，須重新更換礦井主通風(fēng)機(jī)。礦井現(xiàn)回風(fēng)斜井?dāng)嗝娣e為10.23 m2，總回風(fēng)巷斷面積為12.28 m2?！睹旱V安全規(guī)程》第一百三十六條規(guī)定主要進(jìn)、回風(fēng)巷道風(fēng)速不得超過8 m/s?；仫L(fēng)斜井作為礦井的一個(gè)安全出口，風(fēng)速不得超過8 m/s。根據(jù)該礦現(xiàn)有的回風(fēng)斜井和總回風(fēng)巷斷面計(jì)算，回風(fēng)斜井風(fēng)速為10.75 m/s，總回風(fēng)巷風(fēng)速為8.96 m/s，風(fēng)速超限，需進(jìn)行井巷工程改造。

2 口前煤礦礦井通風(fēng)現(xiàn)狀

口前煤礦礦井通風(fēng)方式為中央分列式。通風(fēng)機(jī)的工作方式為機(jī)械抽出式。主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)。

主斜井：傾角22°，斜長(zhǎng)300.6 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.5 m，凈高2.75 m，凈斷面積8.31 m2。

副斜井：傾角22°，斜長(zhǎng)254.0 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.8 m，凈高3.5 m，凈斷面積11.75 m2。

回風(fēng)斜井：傾角21°，斜長(zhǎng)273.0 m，直墻半圓拱形斷面，凈寬3.5 m，凈高3.3 m，凈斷面積10.23 m2。

回風(fēng)斜井已安裝2臺(tái)FBCDZ-8-No21B型礦用防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為48～107 m3/s，負(fù)壓范圍為670～2 600 Pa，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。配套YBFe-355S2-8型隔爆電動(dòng)機(jī)，額定功率132 kW，額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速740 r/min。

主斜井進(jìn)風(fēng)量26 m3/s，副斜井進(jìn)風(fēng)量57 m3/s，回風(fēng)斜井排風(fēng)量87 m3/s?；仫L(fēng)斜井?dāng)嗝孑^小，礦井通風(fēng)阻力大。

綜采工作面采用“U”形通風(fēng)方式，運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)，掘進(jìn)工作面采用壓入式通風(fēng)，用局部通風(fēng)設(shè)備向掘進(jìn)工作面輸送空氣的通風(fēng)方式，選用FBD-NO6/30防爆對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，一用一備。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造及方案比較

本次設(shè)計(jì)通風(fēng)方式為中央分列式不變，更換現(xiàn)有主通風(fēng)機(jī)，增大通風(fēng)能力。對(duì)回風(fēng)斜井和總回風(fēng)巷進(jìn)行臥底，增加通風(fēng)斷面，降低風(fēng)速。本次通風(fēng)系統(tǒng)改造分為地面與井下兩部分工程。地面工程為更換主通風(fēng)機(jī)，井下工程為井巷工程改造，改造方案比較僅對(duì)井巷工程進(jìn)行比較。

3.1 更換主通風(fēng)機(jī)

本次設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)原有兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，通風(fēng)方式為中央分列式不變，更換現(xiàn)有主通風(fēng)機(jī)，增大通風(fēng)能力，礦井通風(fēng)負(fù)壓及通風(fēng)能力均得到有效改善。

設(shè)計(jì)選用2臺(tái)FBCDZ-8-№26B-2×355型對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為100～170 m3/s，負(fù)壓范圍為2 050～5 080 Pa，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用；配套YBF系列8極隔爆電動(dòng)機(jī)，電壓10 kV，功率2×355 kW。

3.2 井巷工程改造

3.2.1 方案的提出

根據(jù)礦井采掘規(guī)劃，礦井布置“一采、一備、四個(gè)掘進(jìn)工作面”時(shí)，經(jīng)計(jì)算礦井總需風(fēng)量為110 m3/s，礦井現(xiàn)回風(fēng)斜井?dāng)嗝娣e為10.23 m2，總回風(fēng)巷斷面積為12.28 m2?？偦仫L(fēng)巷和回風(fēng)斜井井筒斷面均不能滿足通風(fēng)需求，風(fēng)速將超過規(guī)定允許的最大風(fēng)速，需要對(duì)回風(fēng)斜井和總回風(fēng)巷進(jìn)行井巷工程改造。

回風(fēng)斜井為半圓拱斷面，凈高3.3 m，凈寬3.5 m。設(shè)計(jì)對(duì)回風(fēng)斜井進(jìn)行臥底改造，增加通風(fēng)斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為3.5 m，凈高變?yōu)?.3 m，臥底長(zhǎng)度273 m。總回風(fēng)巷斷面不足，設(shè)計(jì)對(duì)總回風(fēng)巷進(jìn)行臥底改造。

針對(duì)總回風(fēng)巷改造本次設(shè)計(jì)提出兩個(gè)方案：

3.2.1.1 方案Ⅰ

啟封密閉一段北回風(fēng)巷作為井田北部四采區(qū)的回風(fēng)巷，總回風(fēng)巷以北的回采面回風(fēng)經(jīng)回風(fēng)順槽→回風(fēng)大巷→北回風(fēng)巷→總回風(fēng)巷→回風(fēng)斜井；總回風(fēng)巷以南的回采面回風(fēng)經(jīng)回風(fēng)順槽→回風(fēng)大巷（采區(qū)回風(fēng)巷）→總回風(fēng)巷→回風(fēng)斜井。本方案除啟封密閉北回風(fēng)巷外還需對(duì)部分總回風(fēng)巷進(jìn)行改造。

1）總回風(fēng)巷為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m。設(shè)計(jì)對(duì)總回風(fēng)巷進(jìn)行臥底改造，增加通風(fēng)斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為4 m，凈高變?yōu)? m，臥底長(zhǎng)度30 m。

2）在總回風(fēng)巷北側(cè)，回風(fēng)斜井南側(cè)，啟封密閉一段北回風(fēng)巷，分擔(dān)部分總回風(fēng)巷通風(fēng)。該段北回風(fēng)巷斷面與總回風(fēng)巷相同，為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m，長(zhǎng)度130 m。啟封密閉后與總回風(fēng)巷及回風(fēng)大巷貫通。

3.2.1.2 方案Ⅱ

回采面回風(fēng)經(jīng)回風(fēng)順槽→回風(fēng)大巷（采區(qū)回風(fēng)巷）→總回風(fēng)巷→回風(fēng)斜井。本方案只對(duì)總回風(fēng)巷進(jìn)行改造。

總回風(fēng)巷為半圓拱斷面，凈高3.5 m，凈寬4 m。設(shè)計(jì)對(duì)總回風(fēng)巷進(jìn)行臥底改造，增加通風(fēng)斷面，臥底后仍為半圓拱斷面，凈寬仍為4 m，凈高變?yōu)? m，臥底長(zhǎng)度170 m。

井巷工程改造前后對(duì)比見表1。

3.2.2 方案比選

1）通風(fēng)系統(tǒng)改造井巷工程技術(shù)方面的比較，方案Ⅰ臥底工程量比方案Ⅱ少140 m，施工工期短，對(duì)生產(chǎn)影響相對(duì)較小。綜合比較方案Ⅰ優(yōu)于方案Ⅱ。

表1 井巷工程改造前后對(duì)比表

2）通風(fēng)系統(tǒng)改造井巷工程經(jīng)濟(jì)方面的比較，方案Ⅰ總投資比方案Ⅱ投資節(jié)省68.64萬(wàn)元。

綜合以上技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，方案Ⅰ臥底工程量比方案Ⅱ少140 m，施工工期短，對(duì)生產(chǎn)影響相對(duì)較小，且經(jīng)濟(jì)上及其他方面也是合理的，故推薦方案Ⅰ作為本次設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)改造井巷工程方案。

4 通風(fēng)機(jī)設(shè)備選型

根據(jù)《煤礦建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)施設(shè)計(jì)審查和竣工驗(yàn)收規(guī)范》（AQ 1055—2018）第3.3.2.1條規(guī)定“進(jìn)、出風(fēng)井井口標(biāo)高差在150 m以上或進(jìn)、出風(fēng)井井口標(biāo)高相同但井深在400 m以上時(shí)，應(yīng)計(jì)算礦井自然風(fēng)壓，本次設(shè)計(jì)不考慮自然風(fēng)壓，經(jīng)計(jì)算礦井通風(fēng)容易時(shí)期負(fù)壓為814.94 Pa，通風(fēng)困難時(shí)期負(fù)壓為1 166.96 Pa，根據(jù)所需風(fēng)量和負(fù)壓對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型計(jì)算如下：

4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

礦井風(fēng)量110 m3/s；通風(fēng)容易時(shí)期負(fù)壓814.94 Pa；通風(fēng)困難時(shí)期負(fù)壓1 166.96 Pa；風(fēng)井井口海拔高度為風(fēng)井標(biāo)高+1 557.245 m。

4.2 通風(fēng)設(shè)備選型計(jì)算

4.2.1 風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量及負(fù)壓的最終確定

根據(jù)礦井服務(wù)年限，考慮到海拔高度影響及風(fēng)機(jī)能力富余量，最終經(jīng)計(jì)算的風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量及負(fù)壓為：Q=115.5 m3/s，容易時(shí)期負(fù)壓Hmin=1 157.03 Pa，困難時(shí)期負(fù)壓Hmax=1 558.33 Pa。

根據(jù)以上計(jì)算，選用FBCDZ-8-№26B-2×355型煤礦地面用防爆抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，風(fēng)量范圍66～190 m2/s，靜壓范圍254～3 820 Pa，配套電機(jī)功率2×355 kW。

4.2.2 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的確定

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)阻力系數(shù)[2]：

礦井在容易時(shí)期和困難時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性曲線方程分別為[5]：

選用2臺(tái)FBCDZ-8-№26B-2×355型對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)，采用變頻頻率為40 Hz，用描點(diǎn)法在風(fēng)機(jī)的性能曲線圖上繪出容易與困難時(shí)期的網(wǎng)絡(luò)特性曲線，即得工況點(diǎn)M1、M2兩點(diǎn)，見下頁(yè)圖1，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)如下：

M1點(diǎn)：QM1＝126.7 m3/s，HM1＝1 392.3 Pa，ηM1＝76%，葉片安裝角度49°/41°。

M2點(diǎn)：QM2＝119.0 m3/s，HM2＝1 654.2 Pa，ηM2＝82%，葉片安裝角度49°/41°。

圖1 FBCDZ-8-№26B型頻率40 Hz風(fēng)機(jī)特性曲線圖

FBCDZ-8-№26B-2×355型風(fēng)機(jī)電機(jī)功率N：

式中：K為電動(dòng)機(jī)容量系數(shù)，取1.15；ηc為傳動(dòng)效率，取0.98。

根據(jù)以上計(jì)算，選用YBF系列8極隔爆電動(dòng)機(jī)，其功率2×355 kW，轉(zhuǎn)速n=740 r/min，電壓10 kV。

最大設(shè)計(jì)風(fēng)量和負(fù)壓的工況點(diǎn)輪葉安裝角度比設(shè)備允許范圍小5°，工況點(diǎn)風(fēng)壓小于風(fēng)機(jī)性能曲線最大風(fēng)壓的90%，滿足規(guī)范要求，通風(fēng)機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，效率不低于60%，符合要求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)對(duì)口前煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析及方案比選，確定了總回風(fēng)巷改造設(shè)計(jì)采用施工工期短且工程經(jīng)濟(jì)的方案Ⅰ。

2）選用2臺(tái)FBCDZ-8-№26B-2×355型對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)，可以滿足通風(fēng)功率的要求，通過礦井通防的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了工作面的痛風(fēng)需求，為礦井安全生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。