礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流穩(wěn)定性影響因素分析及判斷方法研究

王志偉

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

引言

煤礦安全很大程度上取決于通風(fēng)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，因此確保通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作是實(shí)現(xiàn)礦井井下施工安全的基礎(chǔ)之一，當(dāng)前采用的通風(fēng)系統(tǒng)主要包括以下幾部分：地面主要通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)巷道、通風(fēng)設(shè)施、相關(guān)的風(fēng)流監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)等等。通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，井下氧氣含量滿足相關(guān)指標(biāo)，有害氣體的濃度在合理范圍內(nèi)，保障施工人員的生命安全，一旦有意外情況出現(xiàn)，還可以通過通風(fēng)系統(tǒng)給井下供氧，提升被困者獲救的可能性，及時(shí)降低瓦斯等氣體的濃度，降低事故造成的損失。

1 煤礦井下通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 動(dòng)態(tài)性

煤礦的開采是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，因此通風(fēng)系統(tǒng)也要根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整，主要調(diào)整方向取決于當(dāng)前的工作面實(shí)際情況以及將要開采的工作面情況。主要原因是開采過程中，瓦斯?jié)舛?、煤塵、氧氣含量等參數(shù)會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)。這些變化會(huì)使得開采過程中的巷道發(fā)生形變、斷面動(dòng)壓發(fā)生改變，局部區(qū)域的跨度等參數(shù)發(fā)生顯著變化。上述變化會(huì)影響通風(fēng)系統(tǒng)的使用壽命、運(yùn)行參數(shù)，使得通風(fēng)系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的情況[1]。

1.2 復(fù)雜性

由于開采面的動(dòng)態(tài)參數(shù)較多，因此通風(fēng)系統(tǒng)也受到多個(gè)參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)過程中需要考慮眾多因素。

尤其是隨著礦井的不斷開采，通風(fēng)管道的長(zhǎng)度也不斷增加，一些大型的礦井甚至?xí)^200 km，通風(fēng)系統(tǒng)中所需的設(shè)備數(shù)量足足有上百個(gè)，節(jié)點(diǎn)和分支都超過500 個(gè)，因此整個(gè)系統(tǒng)非常的復(fù)雜。

2 影響通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素

為了保證通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，需要對(duì)影響通風(fēng)系統(tǒng)的因素進(jìn)行分析，考慮到實(shí)際影響因素較多但是大都影響較小，因此主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 通風(fēng)設(shè)備

常見的通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)設(shè)備主要有：主要通風(fēng)機(jī)以及局部通風(fēng)機(jī)，主要通風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體的通風(fēng)控制，因此主要通風(fēng)機(jī)的參數(shù)變化會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響;局部通風(fēng)機(jī)主要負(fù)責(zé)區(qū)域的控制，因此其參數(shù)變化會(huì)對(duì)相鄰的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，對(duì)于周圍通風(fēng)機(jī)的工況影響較大，但是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言影響并不十分顯著[2]。如果通風(fēng)系統(tǒng)難以滿足當(dāng)前實(shí)際需求，通常采取的手段就是增加局部通風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)滿足要求，各個(gè)節(jié)點(diǎn)滿足要求使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)量滿足要求。

2.2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)

通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架是由巷道框架決定的，因此通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主要包含通風(fēng)構(gòu)造物以及巷道。

通風(fēng)系統(tǒng)是以通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)為框架設(shè)計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)前需要先繪制通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，需要包括分支的集合及點(diǎn)的集合。當(dāng)前存在的問題主要是，隨著礦井使用年限的增加，巷道出現(xiàn)老舊破損等現(xiàn)象，頂部和兩幫都會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，變形會(huì)導(dǎo)致通道的橫截面變小，空氣流通阻力下降，通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量難以滿足實(shí)際需求，能量的使用效率也會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降。

2.3 自然風(fēng)壓

通風(fēng)系統(tǒng)的出口處和外界環(huán)境直接相通，因此外界氣壓的變化也會(huì)影響通風(fēng)系統(tǒng)的參數(shù)。尤其是外界的氣溫發(fā)生改變，使得系統(tǒng)中的氣流溫度發(fā)生改變，礦井中的空氣密度發(fā)生變化，空氣密度的改變使得礦井中的各處受力發(fā)生改變，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程發(fā)生變化。通常情況下夏季的氣溫高于冬季，因此夏季外界風(fēng)壓較低，通風(fēng)系統(tǒng)的工作受到一定的阻礙；冬季外界風(fēng)壓較高，通風(fēng)系統(tǒng)的工作受到一定的推動(dòng)[3-4]。

2.4 井下事故

井下事故主要包括：工作面的塌陷、頂部的垮塌、常見的安全事故如爆炸火災(zāi)等，這些事故都會(huì)使得通風(fēng)系統(tǒng)難以正常進(jìn)行工作，使得事故產(chǎn)生的損失無法及時(shí)得到制止，甚至?xí)驗(yàn)橥L(fēng)系統(tǒng)的故障導(dǎo)致更大的安全事故。安全事故的主要影響是造成巷道等通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變形、設(shè)備出現(xiàn)故障難以維持、整個(gè)系統(tǒng)的正常工作受到影響，甚至還會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)反向工作的現(xiàn)象，進(jìn)一步降低井下的氧氣含量。

2.5 井下生產(chǎn)

礦井的作業(yè)主要有采掘、運(yùn)輸以及巷道密閉等。在工作過程中需要一些大型設(shè)備的輔助，因此設(shè)備運(yùn)行過程中周圍會(huì)形成負(fù)壓，導(dǎo)致渦流的出現(xiàn)。此外由于大型設(shè)備的體積較大，會(huì)使得通風(fēng)系統(tǒng)的氣流流通受到影響，風(fēng)流以及風(fēng)向都會(huì)發(fā)生變化。除此之外，工作過程中由于實(shí)際需求需要進(jìn)行爆破等工作，爆破過程會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊，使得巷道內(nèi)的巖層整體性下降，出現(xiàn)松動(dòng)的情況，甚至如果沖擊波較為嚴(yán)重，會(huì)使得巷道頂部和兩幫的跨度和變形嚴(yán)重，整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)流受到較大的影響[5-6]。

3 通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷依據(jù)

假設(shè)系統(tǒng)中通風(fēng)風(fēng)阻Ri的變化為△Ri，則通風(fēng)阻力變化會(huì)使得鄰近通風(fēng)分支中風(fēng)量Qj，帶來的影響fj如公式（1）所示：

式中：fj直接表征風(fēng)路的穩(wěn)定程度。

f（jQ）j設(shè)定見式（2）：

式中：Q′j代表風(fēng)阻改變后第j 條通風(fēng)支路風(fēng)流量；Qj代表常規(guī)情況下第j 條通風(fēng)支路風(fēng)流量；n 代表通風(fēng)支數(shù)。

根據(jù)上述公式不難發(fā)現(xiàn)，fj同1 的差值和通風(fēng)分支風(fēng)流穩(wěn)定性呈反比關(guān)系；也就意味著fj越接近0，則通風(fēng)分支風(fēng)流穩(wěn)定性越差；一旦變?yōu)楦綄伲€(wěn)定性無法滿足實(shí)際需求。根據(jù)這一結(jié)論，對(duì)于通風(fēng)回路進(jìn)行質(zhì)量的分析，根據(jù)質(zhì)量分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整[7]。

4 結(jié)論

1）煤礦通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到諸多因素的作用，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)管理過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮各個(gè)因素的影響，制定合理的手段，保障通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際需求，為井下工作的順利進(jìn)行的打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2）通風(fēng)設(shè)備的布置應(yīng)當(dāng)圍繞著巷道結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行，避免放在主要的通風(fēng)路線之中，對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生影響，通常布置在次要的通道中，即便出現(xiàn)事故或者損壞，對(duì)于整個(gè)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的影響也不至于過大。

3）通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理，使用過程中設(shè)備的維修保養(yǎng)都應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行，系統(tǒng)的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使用完畢的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行回撤，使得通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)阻較小、工作效率得到提升，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。