提高礦井通風(fēng)安全性的分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢永生

（大同煤礦集團(tuán)華盛虎峰煤業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 043300）

0 概述

煤炭是我國重要的能源結(jié)構(gòu)形式，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供支撐動(dòng)力。我國大量的煤礦采用井下作業(yè)的方式開采，開采過程中產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，需要通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全性對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的影響作用[1]。隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦的開采深度及推進(jìn)長度不斷增加，對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求。針對(duì)某煤礦開采過程中的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，采用分區(qū)域布置的方式進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并針對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析[2]，并進(jìn)一步優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，提高通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

1 礦井分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

礦井開采過程中通風(fēng)系統(tǒng)是必備的安全系統(tǒng)，主要通過風(fēng)扇及通風(fēng)網(wǎng)路組成，氣流通過礦井的入風(fēng)井口進(jìn)入礦井后，在風(fēng)扇的作用下，通過各用風(fēng)場所后進(jìn)入回風(fēng)井，從而排出礦井內(nèi)部[3]，氣流所流經(jīng)的整個(gè)路線稱為通風(fēng)系統(tǒng)。經(jīng)過通風(fēng)系統(tǒng)的作用，向井下的各用風(fēng)場所輸入新鮮的空氣，并將井下的有毒有害氣體帶出礦井，改善井下的工作環(huán)境，且在發(fā)生礦井災(zāi)害時(shí)，提高通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制風(fēng)量及方向[4]，減小災(zāi)害的作用。在進(jìn)行礦井的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，分區(qū)域式的通風(fēng)系統(tǒng)具有氣流獨(dú)立、互不影響、風(fēng)路短、阻力小的優(yōu)點(diǎn)，且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，成為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方式[5]。

針對(duì)某煤礦的分布特征進(jìn)行分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，礦井分為兩個(gè)主采區(qū)，北區(qū)的煤層平均厚度為36.5 m，南區(qū)的煤層平均厚度為48.5 m，煤層的平均分布傾角為86°，屬于近直立煤層，煤層的傾角較大，不利于工作面的通風(fēng)。采用分區(qū)域的設(shè)計(jì)方式對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)礦井的分布，南北兩區(qū)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，北區(qū)采用主斜井、副斜井為進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)立井為回風(fēng)口；南區(qū)采用副立井、副斜井為進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)立井為回風(fēng)口[6]。依據(jù)礦井的分布及工作面長度，設(shè)計(jì)北區(qū)的總回風(fēng)量為7 250 m3/min，負(fù)壓為560 Pa，南區(qū)的總回風(fēng)量為6 950 m3/min，負(fù)壓為650 Pa，通風(fēng)系統(tǒng)的分布如圖1 所示。

圖1 礦井分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置示意圖

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)的性能分析

2.1 通風(fēng)阻力測試

采用阻力測定的方式對(duì)礦井的分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，采用氣壓計(jì)對(duì)礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行壓力測定[7]。在南北區(qū)分區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)中，各選擇1條氣流路線長、風(fēng)量最大且能夠反映通風(fēng)系統(tǒng)特性的線路作為主測路線[8]，測點(diǎn)的布置同樣標(biāo)注在圖1 中。其中，北區(qū)的主測路線主要為副斜井口經(jīng)過+500 m水平車場到達(dá)出車端，經(jīng)+500 m 水平煤層北巷到達(dá)煤層南巷，通過+575 m 回風(fēng)上山，到達(dá)+585 m 總回風(fēng)，進(jìn)入回風(fēng)立井完成回風(fēng)；南區(qū)的主測路線主要為新副井井口經(jīng)過井底到達(dá)+400 m 水平大巷，經(jīng)過+425 m 軌道上山到達(dá)水平巷道，進(jìn)入南區(qū)回風(fēng)立井完成回風(fēng)。測試過程中進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)，要保證測點(diǎn)位置的支護(hù)完整，沒有影響通風(fēng)的雜物存在[9]，且所在位置通風(fēng)穩(wěn)定，盡量靠近標(biāo)高的控制點(diǎn)。

2.2 通風(fēng)阻力測定結(jié)果分析

通過對(duì)礦井分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的阻力測定，得到南北區(qū)域兩條主測路線的阻力坡度及百米風(fēng)阻的分布如圖2、圖3 所示。在圖2 中，測點(diǎn)1-4 為進(jìn)風(fēng)段，4-7為用風(fēng)段，7-10 為回風(fēng)段。從圖2 中可以看出，南區(qū)主測路線上進(jìn)風(fēng)段及用風(fēng)段的阻力上升較為均勻，用風(fēng)段的阻力值由320 Pa 上升至390 Pa，在回風(fēng)段的通風(fēng)阻力上升較快，快速上升至620 Pa，這是由于南區(qū)的回風(fēng)段長度過長，使得隨著風(fēng)流路線的增加，有效的通風(fēng)面積逐漸較小，氣流的密度增加，造成巷道氣流得到粗糙度增加[10]，從而引起摩擦阻力的快速增加。對(duì)主測路線上的總阻力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到回風(fēng)段的阻力值占比為56.5%。南區(qū)主測路線的百米風(fēng)阻變化較大，呈先上升再下降的變化趨勢，以測點(diǎn)6 的百米風(fēng)阻最大，達(dá)到0.5 kg/m7，然后逐漸減小。

圖2 南區(qū)主測路線的阻力及百米風(fēng)阻變化

圖3 北區(qū)主測路線的阻力及百米風(fēng)阻變化

在圖3 中，測點(diǎn)1-3 為進(jìn)風(fēng)段，3-5 為用風(fēng)段，5-7 為回風(fēng)段。從圖3 中可以看出，北區(qū)主測路線上進(jìn)風(fēng)段及用風(fēng)段的阻力上升較為變化較小，在回風(fēng)段5-6 上的通風(fēng)阻力上升平緩，而6-7 段的阻力值急劇上升，用風(fēng)段的阻力值由180 Pa 上升至620P a，這是由于北區(qū)的回風(fēng)段通風(fēng)面積較小，從而引起摩擦阻力的快速增加。對(duì)主測路線上的總阻力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到回風(fēng)段的阻力值占比為74.5%。北區(qū)主測路線的百米風(fēng)阻變化較小，基本呈穩(wěn)定分布的狀態(tài)，以測點(diǎn)4的百米風(fēng)阻最大，達(dá)到0.2 kg/m7。

3 礦井分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

通過上述的分析可知，采用分區(qū)域設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，南北分區(qū)的回風(fēng)段阻力值均占比較高，由于兩個(gè)分區(qū)的負(fù)壓值相差較小，造成了南北分區(qū)之間通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及平衡性較差[11]，從而影響礦井的通風(fēng)安全，需對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化補(bǔ)充。

煤礦分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不穩(wěn)定的原因在于南北分區(qū)的大角聯(lián)失穩(wěn)，且自然風(fēng)壓的存在對(duì)北區(qū)風(fēng)機(jī)的影響較大，使得通風(fēng)機(jī)的效率降低。針對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化，在分區(qū)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)北區(qū)采用增加阻力的調(diào)節(jié)，改變通風(fēng)阻力的分布曲線[12]，使南北分區(qū)之間得到壓差增大，從而保證大角聯(lián)分支的風(fēng)量及方向穩(wěn)定。為此，在北區(qū)各生產(chǎn)水平上增加調(diào)節(jié)風(fēng)墻及風(fēng)門等設(shè)施，提高礦井的負(fù)壓，從而減小自然風(fēng)壓的影響，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證煤礦的通風(fēng)安全。

4 結(jié)論

1）礦井通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煤礦的安全開采具有重要的影響作用，采用分區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有氣流獨(dú)立、互不影響、風(fēng)路短、阻力小的優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)某煤礦的分布特征，進(jìn)行南北區(qū)分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的分區(qū)運(yùn)行，兩者之間存在一定的角聯(lián)區(qū)域。

2）對(duì)所設(shè)計(jì)的南北分區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)阻力的測定，選擇各自分區(qū)的測定路線，結(jié)果表明，南北分區(qū)的風(fēng)量較大，但總阻力值較小，回風(fēng)段的阻力值占比較大，造成兩個(gè)分區(qū)的負(fù)壓值相差較小，受到自然風(fēng)壓的影響較大，造成通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。

3）對(duì)分區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)北區(qū)進(jìn)行通風(fēng)設(shè)施的增加，提高通風(fēng)的阻力值，從而提高北區(qū)的負(fù)壓值，從而避免自然風(fēng)壓的影響作用，保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證煤礦的通風(fēng)安全。