延光生

摘 要：為解決檸條塔煤礦北翼后期通風系統(tǒng)風量不足的問題，使用網(wǎng)絡解算研究了礦井近期及長遠通風系統(tǒng)優(yōu)化方案。分析了礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀與兩翼主要通風機的性能，得到以增大風機葉片安裝角與電機頻率來增加風量的短期優(yōu)化措施。通過分析遠期優(yōu)化方案，得到北翼必須新建2#進回風井，同時確定了新風井的合理位置、數(shù)量與主要通風機的型號。模擬了新風機運行后南北兩翼主要風機的工況點，結(jié)果表明礦井形成了穩(wěn)定可靠的分區(qū)通風系統(tǒng)。文章為礦井中長期通風系統(tǒng)安全運行、系統(tǒng)優(yōu)化和礦井保障礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：礦井通風系統(tǒng)；通風系統(tǒng)優(yōu)化；網(wǎng)絡解算；風量

中圖分類號：TD722 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）02-0178-03

1 概 述

檸條塔煤礦是陜北礦區(qū)的特大型礦井，多煤層同采，一水平開采1-2煤、2-2煤、3-1煤層，二水平開采4-2煤、5-2煤，目前開采一水平，北翼開采1-2煤、2-2煤，南翼開采2-2煤。礦井沿南北兩翼形成分區(qū)式雙風機通風系統(tǒng)，經(jīng)過多年的開采，通風路線長達16 km，目前礦井北翼一號風井已經(jīng)到了服務邊界，再往北延伸，風量就不能滿足安全生產(chǎn)要求，因此開展通風系統(tǒng)優(yōu)化十分有必要。

礦井通風系統(tǒng)是一個動態(tài)變化的系統(tǒng)[1]，隨著礦井向深部延伸、開采范圍的擴大，礦井風量往往不能滿足生產(chǎn)的需要，大量的研究表明適時開展通風系統(tǒng)優(yōu)化是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要措施[2-5]。多風機礦井通風系統(tǒng)除具有復雜的風網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，風機之間還存在復雜的相互影響，檸條塔煤礦隨著開采范圍向北的擴展，通風系統(tǒng)將面臨的主要問題是現(xiàn)有一號風機的風量不足，因此將主要從風井和主要通風機進行優(yōu)化[6-9]。通風網(wǎng)絡解算是量化分析各種通風問題的主要方法[10-11]，本文將以此為工具對檸條塔礦井通風系統(tǒng)展開優(yōu)化研究。

2 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 礦井通風系統(tǒng)現(xiàn)狀模擬

2.1.1 通風網(wǎng)絡解算原理

礦井風網(wǎng)解算是求解通風網(wǎng)絡方法，其數(shù)學模型包括回路風壓平衡方程、節(jié)點風量平衡方程。對于有n條邊，m個節(jié)點的風網(wǎng)，這兩個方程分別為：

bij等于0表示節(jié)點i與分支j不相連，等于1表示分支j風流流入i節(jié)點，等于-1表示j分支風流流出i節(jié)點。Rj、Qj分別為分支j的風阻與流量。

hfj是j分支風機風壓，是風量的函數(shù)，單位是Pa。

本文采用西安科技大學開發(fā)的網(wǎng)絡解算軟件[12]開展相關(guān)模擬分析。

2.1.2 礦井現(xiàn)狀模擬

檸條塔煤礦分南北兩翼分區(qū)開采，礦井通風系統(tǒng)如圖1所示，主采煤層1-2煤、2-2煤，各煤層均布置兩進一回三條大巷，形成兩翼分區(qū)式通風系統(tǒng)，目前礦井北翼最遠通風路線約16 680 m。南、北翼風井主要通風機型號分別為BD-II-8-№28、FBCDZ-8-№28型的對旋軸流式通風機，南翼風機葉片安裝角位于31 °、電機頻率32 Hz，北翼葉片是0度、電機頻率39 Hz。采用網(wǎng)絡解算軟件模擬得兩翼主要通風機工況，如圖2所示。南北兩翼工況點分別為（143.4 m3/s，529.5 Pa）、（169.0 m3/s，1129.2 Pa）。

2.2 礦井通風系統(tǒng)存在的主要問題

根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)情況，礦井將在北翼布置兩個采煤工作面，兩個備用工作面，八個掘進工作面，兩個盤區(qū)變電所和其它用風巷道，其它用風巷道包括稀釋膠輪車尾氣用風。按《采礦設(shè)計手冊》計算得出采煤工作面需風量為80 m3/s，備用工作面需風量為40 m3/s，掘進工作面需風量為56 m3/s，硐室需風量為6 m3/s，其它巷道需風量為41 m3/s，礦井風量富余系數(shù)取1.2，經(jīng)計算礦井北翼總需風量將達到268 m3/s?？梢姰斍暗V井存在的主要問題是北翼風量不足。

3 當前通風系統(tǒng)的增風潛力

3.1 主要通風機的增風潛力

調(diào)節(jié)主要通風機是改變礦井總風量的主要方法。從圖2（b）可知，可通過增加北翼主要通風機轉(zhuǎn)數(shù)與葉片安裝角來增加北翼風量，但對于多機風系統(tǒng)對角并聯(lián)運行時，當增加一翼風機的排風量時，另一翼風機工況點會上移，需要注意避免將另一翼風機工況置于不穩(wěn)定的運行區(qū)段。

為此通過網(wǎng)絡解算模擬北翼風機葉片安裝角調(diào)整為+2.5 °，不帶變頻裝置（工頻50 Hz）運行時，南翼風機工況點將上移、風量會減小，為保證南翼供風量不受影響，需將其頻率調(diào)至35 Hz，此時兩翼工況，如圖3所示。

從以上模擬可以得到：

①北翼總風量增加了79.5 m3/s，南翼風機工況略有升高，工況點仍處于低阻力區(qū)，表明北翼的增風調(diào)節(jié)不會影響南翼風機的穩(wěn)定運行；

②北翼增風79.5 m3/s后，總風量達到248.5 m3/s，雖不能滿足礦井需風量268 m3/s的要求，但是有效的增加了礦井現(xiàn)狀風量。

3.2 北翼回風井通風能力

更換主要通風機的可行性。通過對兩年后礦井通風網(wǎng)絡解算得出，當北翼總回風量達到268 m3/s時，北翼通風總阻力將達到3 402 Pa，超過了2 940 Pa的規(guī)定，且當?shù)V井向北延伸到井田邊界時，總阻力將達到4 052 Pa。因此直接更換主要通風機不能解決北翼未來風量不足的問題。

擴大回風巷道斷面。檸條塔礦在用系統(tǒng)井巷斷面均在20 m2左右，該斷面的巷道保證了井巷風速均符合規(guī)程要求，再擴大斷面不現(xiàn)實且工程量巨大，也影響正常生產(chǎn)，因此擴巷措施也不可行。

綜上，當前可以通過調(diào)節(jié)主要通風機為礦井增加風量，但不能實現(xiàn)礦井最大需風量的要求，且通過在北翼風井更換主要通風機與擴巷等措施來增風均不能在合理的通風阻力內(nèi)將總風量增至268 m3/s的要求。因此建設(shè)北翼二號新風井就成為解決礦井北翼深部風量不足的必須和唯一的選擇。

4 新風井位置的選擇

4.1 新風井位置與數(shù)量

由圖1可知，礦井進回風井之間主要呈對角式通風，但當開采區(qū)域（如當前布置）超過回風井位置后，用風點與風井之間便更多的表現(xiàn)為中央式通風系統(tǒng)的特點。中央式通風系統(tǒng)隨著通風路線的增加，礦井阻力會有明顯的增加，而當前表現(xiàn)出的中央式通風系統(tǒng)，比普通中央式通風系統(tǒng)的阻力還要大。通過計算表明，若在當前北翼回風井以北僅建二號新回風井，現(xiàn)有的主、副井筒表現(xiàn)的進風功能將逐漸減弱，因此新風井應采取進回風井雙井建設(shè)方案，如圖4所示。

4.2 主要通風機選型

經(jīng)計算，新風井排風量為268m3/s時、距井田邊界2 700 m處，可保證礦井通風困難時期的要求，且計算得到北翼風機通風容易與困難時期的設(shè)計工況點分別為（268 m3/s，1 602 Pa）、（268 m3/s ，2 888 Pa）。根據(jù)設(shè)計工況點選擇的新風機型號為FBCDZ№34/710×2（B），n=580 r/min，容易、困難時期風機實際工況，如圖5、圖6所示。

5 結(jié) 語

通過研究確定了礦井近期和中長遠的通風系統(tǒng)優(yōu)化方案，其中近期方案實施后，取得了預期效果，中遠期方案為礦井通風系統(tǒng)安全提供了技術(shù)支撐。研究的主要結(jié)論如下：

①采用網(wǎng)絡解算模擬了礦井通風現(xiàn)狀，得到當前主要通風機尚有較大增風能力，確定了礦井近期以調(diào)節(jié)主要通風機實現(xiàn)增風的優(yōu)化方案。

②分析兩翼主要通風機之間的相互影響，通過模擬得到北翼風機能力增大不會對南翼風機的穩(wěn)定運行造成影響。

③北翼通風困難時期，進回風井主要表現(xiàn)中央式通風系統(tǒng)，新風井應選擇一進一回雙風井建設(shè)方案。

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