開拓煤業(yè)兼并重組原主扇匹配性分析及主扇選型研究

＊王雪江 陳虎斌

（山西潞安集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)有限公司 山西 041200）

引言

根據(jù)山西省煤礦企業(yè)兼并重組整合工作領(lǐng)導(dǎo)組辦公室文件批復(fù)，同意山西蒲縣開拓煤礦有限公司、山西蒲縣道子里煤業(yè)有限公司（已關(guān)閉）兼并重組為山西潞安集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，井田面積2.8084km2，批準(zhǔn)開采井田內(nèi)2號(hào)、3號(hào)、11號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模450kt/a。為構(gòu)建低碳、環(huán)保的礦山工業(yè)系統(tǒng)，充分利用礦井已形成的井巷工程和井上、井下生產(chǎn)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，以最小的投資獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。礦井主扇是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣、排除有毒有害氣體、創(chuàng)造良好生產(chǎn)環(huán)境、確保礦井安全的重任。通過對(duì)原主扇與未來通風(fēng)系統(tǒng)的匹配分析，為主扇選型提供科學(xué)依據(jù)。

1.礦井概況及原主扇性能概述

礦井概況：井田開拓方式為斜井立井混合開拓，利用原開拓煤礦主斜井作為兼并重組后主斜井，新建副斜井、回風(fēng)立井。主斜井擔(dān)負(fù)礦井提煤任務(wù)，為礦井的進(jìn)風(fēng)井和安全出口之一；副斜井擔(dān)負(fù)礦井人員升降、提升矸石及清理撒煤、下放材料、設(shè)備等輔助提升任務(wù)，為礦井的進(jìn)風(fēng)井和安全出口之一；回風(fēng)立井裝備梯子間，擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)，兼作安全出口。

根據(jù)煤層賦存情況，2號(hào)、3號(hào)煤層層間距為4.22m，距離較近，適宜劃為一個(gè)煤組；3號(hào)、11號(hào)煤層間距為93.78m，距離較遠(yuǎn)。為此，設(shè)計(jì)將全井田劃分為兩個(gè)水平進(jìn)行開采，即2號(hào)、3號(hào)煤采用聯(lián)合布置，劃分為一個(gè)水平，11號(hào)煤?jiǎn)为?dú)劃為一個(gè)水平。煤層之間開采順序?yàn)橄壬虾笙乱来伍_采。

采區(qū)劃分：所采煤層傾角較平緩，屬近水平煤層，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，根據(jù)煤層賦存情況，設(shè)計(jì)將2號(hào)煤劃分為3個(gè)采區(qū)；將3號(hào)煤劃分為1個(gè)采區(qū)；將11號(hào)煤劃分為2個(gè)采區(qū)。

原主扇情況：礦井兼并重組前已有FBCZ-6-16B型軸流式通風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，該風(fēng)機(jī)的風(fēng)量范圍Q=1140～2820m3/min，負(fù)壓范圍h=200～1050Pa；配用YBFe280M-6型防爆三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為55kW，轉(zhuǎn)速ne=980r/min。

2.原主扇匹配性分析依據(jù)

(1)各煤層回采工作面瓦斯涌出量

煤層瓦斯基本參數(shù)包括煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、鉆孔自然瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)、煤的工業(yè)分析、瓦斯吸附常數(shù)、煤的孔隙率、煤的瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)及鉆孔瓦斯組分等參數(shù)。煤層瓦斯基本參數(shù)的測(cè)定結(jié)果為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)提供基本條件及主要參數(shù)的確定提供依據(jù)。礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)的依據(jù)是 《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ1018-2006），采用的方法是分源預(yù)測(cè)法。礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。

圖1 礦井瓦斯涌出構(gòu)成關(guān)系圖

根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告可知，2號(hào)煤層綜采工作面年產(chǎn)30萬噸時(shí)瓦斯絕對(duì)涌出量為0.18m3/min。

當(dāng)2號(hào)煤層回采工作面年產(chǎn)量達(dá)到45萬噸時(shí)瓦斯絕對(duì)涌出量為0.27m3/min；

3號(hào)煤層回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為0.51m3/min；

11號(hào)煤層回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為2.63m3/min。

(2)各煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量

2號(hào)煤層掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量取實(shí)測(cè)值，掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為0.04m3/min；

3號(hào)煤層掘進(jìn)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為0.44m3/min；

11號(hào)煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量1采區(qū)為1.69m3/min，2采區(qū)為1.50m3/min，3采區(qū)為1.49m3/min。

(3)各煤層用風(fēng)點(diǎn)設(shè)計(jì)配風(fēng)量

基于《山西潞安集團(tuán)一通三防管理制度》中礦井需風(fēng)量計(jì)算辦法，采掘工作面實(shí)際配風(fēng)量應(yīng)按瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、爆破后的有害氣體產(chǎn)生量、工作面氣溫、風(fēng)速和人數(shù)等規(guī)定分別進(jìn)行計(jì)算，然后取其中最大值。其中按瓦斯涌出量計(jì)算：

式中：Q采—采煤工作面需風(fēng)量，m3/min；

q采—采煤工作面瓦斯絕對(duì)涌出量；

kCH4—采煤工作面瓦斯涌出不均勻系數(shù)，正常生產(chǎn)時(shí)連續(xù)觀測(cè)1個(gè)月，日最大絕對(duì)瓦斯涌出量和月平均日絕對(duì)瓦斯涌出量的比值，無統(tǒng)計(jì)值最低取1.8。

考慮礦井通風(fēng)系統(tǒng)形成過程中，礦井各時(shí)期主要用風(fēng)點(diǎn)配風(fēng)情況如下：2號(hào)煤層回采工作面682m3/min，備用工作面341m3/min，掘進(jìn)工作面214m3/min；3號(hào)煤層回采工作面564m3/min，備用工作面282m3/min，掘進(jìn)（巖巷）工作面214m3/min，掘進(jìn)（煤巷）工作面311m3/min；11號(hào)煤層回采工作面1231m3/min，備用工作面616m3/min，一采區(qū)掘進(jìn)工作面317m3/min，二采區(qū)掘進(jìn)工作面281m3/min，三采區(qū)掘進(jìn)工作面280m3/min；硐室及其他采區(qū)變電所120m3/min，中央變電所120m3/min，消防材料庫120m3/min，其它巷道用風(fēng)800m3/min。

(4)各煤層巷道風(fēng)阻參數(shù)

對(duì)于已有巷道，根據(jù)2021年度礦井通風(fēng)阻力測(cè)定報(bào)告其風(fēng)阻取實(shí)測(cè)值；對(duì)于未形成的設(shè)計(jì)巷道，取本礦相同物理參數(shù)的已有巷道的實(shí)測(cè)值；其它情況，結(jié)合潞安集團(tuán)公司其它礦井同類型巷道百米風(fēng)阻經(jīng)驗(yàn)值取值。

3.礦井投產(chǎn)后各煤層開采期間分階段通風(fēng)系統(tǒng)匹配性研究

(1)礦井多煤層分步開采情況

階段一：按設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力投產(chǎn)后首采工作面回采時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)；

階段二：2號(hào)煤層向3號(hào)煤層過渡時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)；

階段三：3號(hào)煤層通風(fēng)困難時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)；

階段四：3號(hào)煤層向11號(hào)煤層過渡時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)；

階段五：11號(hào)煤層通風(fēng)困難時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)。

(2)礦井多煤層分步開采用風(fēng)量布置情況

階段一：礦井首個(gè)綜采工作面回采時(shí)，考慮2號(hào)煤層布置一個(gè)綜采工作面和一個(gè)掘進(jìn)工作面，3號(hào)煤層布置三個(gè)掘進(jìn)工作面；

階段二：礦井2號(hào)煤層資源枯竭向3號(hào)煤層過渡時(shí)期，考慮2號(hào)煤層布置一個(gè)回采工作面，3號(hào)煤層布置一個(gè)備用工作面和兩個(gè)掘進(jìn)工作面；

階段三：此時(shí)期的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，考慮3號(hào)煤層布置一個(gè)回采工作面，一個(gè)備用工作面和兩個(gè)掘進(jìn)工作面；

階段四：礦井3號(hào)煤層資源枯竭向11號(hào)煤層過渡時(shí)期，考慮3號(hào)煤層布置一個(gè)回采工作面，11號(hào)煤層布置一個(gè)備用工作面和四個(gè)掘進(jìn)工作面；

階段五：對(duì)于此時(shí)期的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，考慮11號(hào)煤層布置一個(gè)回采工作面，一個(gè)備用工作面和四個(gè)掘進(jìn)工作面。

(3)礦井多煤層分步開采通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)分析

按照上述分階段用風(fēng)點(diǎn)布置時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)解算分析各時(shí)期主扇運(yùn)行工況預(yù)測(cè)如下：階段一：主扇工況參數(shù)為負(fù)壓550Pa，排風(fēng)量2834m3/min；階段二：主扇工況參數(shù)為負(fù)壓330Pa，排風(fēng)量2870m3/min；階段三：主扇工況參數(shù)為負(fù)壓500Pa，排風(fēng)量2769m3/min；階段四：主扇工況參數(shù)為負(fù)壓460Pa，排風(fēng)量4736m3/min；階段五：主扇工況參數(shù)為負(fù)壓1470Pa，排風(fēng)量5258m3/min。

(4)礦井多煤層分步開采礦井原主扇匹配分析

從階段一到階段五：礦井各時(shí)期預(yù)測(cè)工況范圍為負(fù)壓h=330～1470Pa，最大配風(fēng)量范圍為Q=2769～5258m3/min；對(duì)比原主扇負(fù)壓范圍h=200～1050Pa，風(fēng)量范圍Q=1140～2820m3/min。

經(jīng)過對(duì)各時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算分析可知，礦井原有兩臺(tái)FBCZ-6-16B型軸流式通風(fēng)機(jī)不能滿足礦井兼并重組后通風(fēng)要求，需重新選擇滿足各時(shí)期通風(fēng)要求的主扇。

4.回風(fēng)井主扇選型

根據(jù)以上對(duì)礦井各階段開采時(shí)期通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)解算分析，新回風(fēng)井主扇需滿足的各時(shí)期工況列表如下：

表1 新回風(fēng)井主扇需滿足的各時(shí)期工況

根據(jù)新回風(fēng)井主扇需求工況，按風(fēng)機(jī)能力留有10%余量（安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ1028-2006）的原則，對(duì)主扇需滿足的工況進(jìn)行修正后作為主扇選型理論參考工況（風(fēng)壓修正系數(shù)1.1，風(fēng)量修正系數(shù)1.1）；同時(shí)考慮到主扇個(gè)體特性與理論特性的差異，實(shí)際的主扇選型工況參數(shù)宜在理論工況基礎(chǔ)上擴(kuò)大10%；另外，對(duì)于開拓煤業(yè)礦井，參考工況的標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力參數(shù)可換算為現(xiàn)場(chǎng)壓力參數(shù)×1.15。進(jìn)行以上各項(xiàng)修正后的主扇選型工況見表2。

表2 新回風(fēng)井主扇選型工況表

按照以上主扇選型工況參數(shù)表，繪制主扇選型參考工況圖，見圖2。

圖2 新回風(fēng)井主扇選型參考工況圖

圖中①標(biāo)、②標(biāo)、③標(biāo)、④標(biāo)、⑤標(biāo)為標(biāo)況參數(shù)工況點(diǎn)，主扇選型時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)，最終主扇型號(hào)需由廠商與礦方具體確定：

（1）參照廠商提供的風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行選型時(shí)，需考察各標(biāo)況參數(shù)工況點(diǎn)，主扇性能曲線應(yīng)盡量符合以下（3）（4）（5）點(diǎn)要求；

（2）主扇安裝好后必須進(jìn)行性能測(cè)試，需考察各現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)工況點(diǎn)，主扇實(shí)測(cè)性能曲線應(yīng)盡量符合以下（3）（4）（5）點(diǎn)要求；

（3）各工況點(diǎn)應(yīng)在最小葉片角度性能曲線右側(cè)、次最大葉片角度性能曲線左側(cè)的合理、穩(wěn)定工況范圍內(nèi)；

（4）主扇最高風(fēng)壓必須超過最高風(fēng)壓工況點(diǎn)風(fēng)壓值的20%；

（5）各工況點(diǎn)應(yīng)盡量位于主扇性能曲線高效區(qū)內(nèi)。

按某些主扇風(fēng)機(jī)廠商提供的主扇性能曲線與上述選型工況點(diǎn)進(jìn)行比選，主扇型號(hào)最小應(yīng)為FBCDZ№21（輪轂比0.54、轉(zhuǎn)速740r/min、額定功率2×185kW，合理穩(wěn)定工況范圍風(fēng)量4158～8310m3/min），最終型號(hào)還應(yīng)由廠商具體確定。

5.結(jié)束語

（1）多煤層開采過程中主扇匹配性分析應(yīng)結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，多煤層之間的過渡是確定通風(fēng)困難時(shí)期的難點(diǎn)，如果未對(duì)多煤層聯(lián)合開采考慮，將導(dǎo)致未來煤層開采接替期間主扇風(fēng)量不足，最終導(dǎo)致采掘失衡。

（2）新建礦井主扇型號(hào)的合理選擇至關(guān)重要；既能保證礦井建設(shè)全壽命周期內(nèi)的風(fēng)量需求，又能使得礦井整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，還能保證主扇運(yùn)行的高效性和安全性，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）本次研究充分考慮開拓礦建設(shè)周期內(nèi)各階段通風(fēng)困難時(shí)期的通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過與原主扇的匹配性分析，確定原主扇性能無法滿足未來全礦井通風(fēng)需求；并根據(jù)本次研究結(jié)果確定了回風(fēng)井新主扇型號(hào)，為礦井初步設(shè)計(jì)中主扇設(shè)備選擇提供了理論依據(jù)。