姜希印，徐加恒，趙旭帥，王現(xiàn)鵬

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、主通風(fēng)機等若干子系統(tǒng)及其單元組成的大型復(fù)雜關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[1]。其復(fù)雜關(guān)聯(lián)屬性具體表現(xiàn)為系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)性、非線性、時變性、可維修性以及系統(tǒng)影響因素之間的強耦合性。礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的研究相互滲透，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性的研究中包含了礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性思想，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究中采用了礦井通風(fēng)可靠性的方法。

評價一個礦井通風(fēng)系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠，關(guān)鍵在于當系統(tǒng)參量變化時系統(tǒng)其它參量的響應(yīng)程度。由于礦井通風(fēng)系統(tǒng)極為復(fù)雜，采用基于數(shù)值模擬的礦井通風(fēng)軟件應(yīng)運而生。目前，在世界范圍內(nèi)，計算機廣泛用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計和分析。礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)解算的應(yīng)用軟件已經(jīng)商業(yè)化，國外代表性軟件為Mintech、Datamine，國內(nèi)也開發(fā)了相應(yīng)的軟件如通風(fēng)專家3.0版和Windows MVENT2.0等[2-7]。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬作為分析礦井通風(fēng)系統(tǒng)的有力工具[8]，得到了很好應(yīng)用，使礦井通風(fēng)技術(shù)得到新的發(fā)展。

本文針對單翼長距離通風(fēng)系統(tǒng)的實際難題，提出并實施了井下安設(shè)輔助通風(fēng)機與地面主要通風(fēng)機聯(lián)合運行技術(shù)。

1 試驗地點概況

濟寧二號煤礦是一座年設(shè)計生產(chǎn)能力為400萬噸的大型現(xiàn)代化煤礦，井田面積90 km2，礦井通風(fēng)方式為中央并列式，主井、副井進風(fēng)，中央風(fēng)井回風(fēng)，隨著開采深度的增加和開采規(guī)模的擴大，礦井風(fēng)量分配受井巷風(fēng)阻和風(fēng)機能力的制約愈加明顯，按需供風(fēng)非常困難。因北翼采區(qū)受地面村莊壓煤的影響，礦井生產(chǎn)主要集中在南翼采區(qū)；而南翼采區(qū)通風(fēng)距離遠，二水平(-740 m)十三、十五采區(qū)最遠通風(fēng)距離達24000 m。為了滿足十三、十五采區(qū)需風(fēng)量高達8000 m3/min要求，急需開展單翼長距離系統(tǒng)通風(fēng)安全保障技術(shù)研究。

2 礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析與預(yù)測

濟寧二號煤礦南翼通風(fēng)系統(tǒng)測定路線的實測各測段通風(fēng)阻力分布分別如圖1所示。

圖1 濟寧二號煤礦南翼通風(fēng)系統(tǒng)測定路線各測段實測通風(fēng)阻力分布圖

由圖1可知，濟寧二號煤礦南翼通風(fēng)系統(tǒng)進風(fēng)段(1～7)占礦井總阻力的24.6%，用風(fēng)段(7～23)占總阻力的 18.2%，回風(fēng)段(23～28)占總阻力的57.2%，即南翼通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)段阻力比例較大，主要原因是用風(fēng)段線路不長，回風(fēng)段距離長。實測礦井總進風(fēng)量為18021 m3/min，礦井總回風(fēng)量為18351 m3/min。礦井GAF31.5-15.8-1軸流式主通風(fēng)機葉片角度+10 °(最大角度)，風(fēng)量 315 m3/s，主通風(fēng)機靜壓2570 Pa。二水平九、十一采區(qū)總用風(fēng)6005 m3/min。其中，南翼系統(tǒng)中5-6測段為南翼軌道大巷和南翼輔助進風(fēng)大巷的匯合段，長525 m，過風(fēng)量為8650 m3/min，風(fēng)速超速，使得通風(fēng)阻力達133.5 Pa，此段可通過增加并聯(lián)通風(fēng)分支來降低風(fēng)阻，解決風(fēng)速超速問題。

在現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行了十三、十五采區(qū)開采通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算，其模擬結(jié)果如表1所示。模擬解算結(jié)果表明:當九、十一采區(qū)回采結(jié)束，十三、十五采區(qū)開始回采時，無論十三、十五采區(qū)是一路進風(fēng)還是兩路進風(fēng)(增加并聯(lián)進風(fēng)巷道)，主通風(fēng)機的風(fēng)量由于通風(fēng)距離的增加均減小，風(fēng)機靜壓增加約300 Pa，十三、十五采區(qū)通風(fēng)困難時期的風(fēng)量僅4200 m3/min，遠小于需風(fēng)量8000 m3/min的要求。

表1 不增加輔助通風(fēng)機的模擬結(jié)果比較

因此，現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)很難滿足十三、十五采區(qū)聯(lián)合開采的需風(fēng)要求。

3 單翼長距離通風(fēng)存在的問題

3.1 現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)降阻增風(fēng)潛力有限

自2005年開始，基于礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力分布測定和主要通風(fēng)機實際性能分析，提出了①拆除主井井底控制風(fēng)門，適當增加主井進風(fēng)量；②一采管子道及其聯(lián)絡(luò)巷與南翼皮帶回風(fēng)巷聯(lián)通并聯(lián)通風(fēng)；③北翼總回風(fēng)巷的調(diào)節(jié)風(fēng)門改設(shè)在北翼皮帶回風(fēng)巷，降低-525 m主回風(fēng)石門過風(fēng)量；④將礦井GAF31.6-15.8-1軸流式主要通風(fēng)機的1000 kW、TD1000-8/1180同步電機更換為1600 kW、TD1600-8/1430同步電機，提高主通風(fēng)機性能等措施，實現(xiàn)了礦井南翼邊遠的九、十一采區(qū)的風(fēng)量由2981 m3/min增加到6005 m3/min，滿足需風(fēng)量供求。

2008年，施工南翼進風(fēng)下山和南翼2#公路大巷，實現(xiàn)了并聯(lián)通風(fēng)后，南翼二水平的總風(fēng)量由6005 m3/min增加到8482 m3/min。

隨著十三采區(qū)和十五采區(qū)大巷開拓延伸，十三采區(qū)首采區(qū)近期投入生產(chǎn)，屆時礦井的通風(fēng)路線長度將由目前的12000 m增長到19000 m，礦井通風(fēng)阻力預(yù)計為3050 Pa，礦井主要通風(fēng)機能力受到挑戰(zhàn)，能否滿足要求需提前作好預(yù)測和計算。如果不能滿足，則必須“以風(fēng)定產(chǎn)”，減小礦井生產(chǎn)規(guī)模，礦井產(chǎn)量會大幅降低。如果不采取有效措施，按照“以風(fēng)定產(chǎn)”核定礦井的生產(chǎn)能力，礦井年產(chǎn)將在200 萬噸左右[1]。

3.2 南副井或南風(fēng)井近期無法施工

因礦井北翼村莊搬遷困難，生產(chǎn)重點逐步轉(zhuǎn)向井田西南部-740水平，按照礦井設(shè)計，在西南部小北湖北部設(shè)一個通風(fēng)用南風(fēng)井，滿足礦井正常生產(chǎn)需求。但近幾年來，濟寧市區(qū)規(guī)劃的地面建筑不斷增多，兗礦集團與濟寧市政府及上級主管部門就南風(fēng)井建設(shè)這一項目經(jīng)努力協(xié)商多年未果，施工可能性渺茫。

3.3 礦井主通風(fēng)機的供風(fēng)能力有限

為提高礦井主通風(fēng)機的供風(fēng)能力，課題組提出并實施了更換礦井主通風(fēng)機電機以保障礦井主通風(fēng)機在大葉片角度條件下運行。更換大功率電機后，礦井主通風(fēng)機的運行葉片角由+5°提高到+10°，礦井主通風(fēng)機的供風(fēng)量和克服礦井通風(fēng)阻力的能力顯著提高。因此，期望提供主通風(fēng)機能力來增加十三、十五采區(qū)開采時的供風(fēng)量是不可行的。同時，礦井主通風(fēng)機能力過大，礦井的通風(fēng)負壓也必將超過3000 Pa，對礦井易自燃煤層的防火問題不利。

4 井下設(shè)輔助通風(fēng)機與礦井主通風(fēng)機聯(lián)合運轉(zhuǎn)技術(shù)

為保障單翼長距離系統(tǒng)通風(fēng)安全、滿足十三、十五采區(qū)生產(chǎn)要求，考慮在井下適當位置設(shè)置輔助通風(fēng)機硐室，安設(shè)兩臺防爆對旋抽出式風(fēng)機(一臺運轉(zhuǎn)，一臺備用)，通過輔助通風(fēng)機與地面主通風(fēng)機共同作用，提高遠距離的十三、十五采區(qū)的供風(fēng)量，以滿足礦井延深的通風(fēng)能力需求。

根據(jù)濟寧二號煤礦井下巷道實際布置，輔助通風(fēng)機安裝位置提出如下三套方案。

方案一:在-740水平輔助1#聯(lián)絡(luò)巷處，利用附近已有的巷道布置，于-740水平回風(fēng)大巷中設(shè)置輔助通風(fēng)機硐室，安設(shè)輔助通風(fēng)機。

方案二:在-740水平膠帶輸送機大巷煤倉(-740水平輔助1#聯(lián)絡(luò)巷東120m處)附近，相對應(yīng)的-740水平回風(fēng)大巷中設(shè)置輔助通風(fēng)機硐室，安設(shè)輔助通風(fēng)機。

方案三:在-740水平回風(fēng)大巷與南翼回風(fēng)下山交匯處，利用已有的巷道布置，-740水平回風(fēng)大巷中設(shè)置輔助通風(fēng)機硐室，安設(shè)輔助通風(fēng)機。

方案一和方案二的輔助通風(fēng)機位置距離相近，在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中可以簡化為一點，故可認為方案一和方案二的通風(fēng)系統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)圖相同。主要地點風(fēng)量的計算機模擬結(jié)果見表2。

表2 輔助通風(fēng)機不同位置的模擬結(jié)果比較

從表2可知，1)若按方案一或方案二布置，十三、十五采區(qū)風(fēng)量等于輔助通風(fēng)機風(fēng)量，為8049 m3/min，此時，礦井主通風(fēng)機風(fēng)量18472 m3/min，主通風(fēng)機靜壓2642.4 Pa，輔助通風(fēng)機靜壓1119.0 Pa，即主通風(fēng)機和輔助通風(fēng)機的運行工況均在理想范圍內(nèi)；2)若按方案三布置，雖然輔助通風(fēng)機風(fēng)量比方案一或方案二略大，達8123 m3/min，輔助通風(fēng)機靜壓1030.1 Pa，礦井主通風(fēng)機風(fēng)量18187 m3/min，主通風(fēng)機靜壓2693.1 Pa，但由于原九采、十一采采區(qū)硐室用風(fēng)必須由輔助通風(fēng)機承擔(dān)，十三、十五采區(qū)風(fēng)量只有7567 m3/min，小于需風(fēng)量8000 m3/min。方案一或方案二均比方案三有利。

對比方案一與方案二的特點，研究表明:1)方案一充分利用了井下現(xiàn)有巷道布置，只需掘進一條反風(fēng)巷道就可滿足輔助通風(fēng)機運行要求，其最大優(yōu)點是掘進工程量小，成本低；但是，在膠帶輸送機大巷中需設(shè)置正反向風(fēng)門，由于皮帶影響造成風(fēng)門封閉不嚴，導(dǎo)致輔助通風(fēng)機出口的風(fēng)通過膠帶輸送機巷風(fēng)門重新吸入輔助通風(fēng)機入口，從而形成循環(huán)風(fēng)，難于管理；同時大大降低了輔助通風(fēng)機的有效風(fēng)量率，降低輔助通風(fēng)機向十三、十五采區(qū)的供風(fēng)能力。2)方案二選擇在膠帶輸送機大巷煤倉(此段巷道沒有皮帶運行)附近相應(yīng)位置建立輔助通風(fēng)機硐室，雖然此方案需要掘三條巷道，工程量較大，成本較高；但是，所形成的通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，完全滿足輔助通風(fēng)機實際運行要求，并且，利用現(xiàn)有的巷道布置，增加了一條反風(fēng)巷道(輔助通風(fēng)機檢修或切換時使用)，增加反風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

因此，方案二為輔助通風(fēng)機位置的優(yōu)選方案，圖2為其具體巷道布置情況。

圖2 輔助通風(fēng)機布置示意圖(方案二)

5 現(xiàn)場實施效果情況

濟寧二號煤礦輔助通風(fēng)機硐室位于-740水平3#煤倉附近，硐室礦建工程于2010年10月完成，輔助通風(fēng)機于2011年6月正式投入使用。輔助風(fēng)機參數(shù):型號:FBCDF№26/2×280(A)，流量:67～190 m3/s，靜壓:200～3700 Pa，最大靜壓效率:≥82%；配用電機型號:YBF450-8，額定電壓:6 KV，額定功率:2×280 kW，兩臺，一用一備，電源來自南翼4號變電所，雙回路供電。

2016年9月，輔助通風(fēng)機是1#風(fēng)機雙極運行，葉片角度為-9o，負壓1100 Pa，風(fēng)機風(fēng)量158.7 m3/s，電機電壓6.21 kV，電流28.3 A，輔助通風(fēng)機以西總回風(fēng)8108 m3/min，輔助通風(fēng)機風(fēng)量約9522 m3/min，通過兩旁路的有益串聯(lián)風(fēng)約1414 m3/min。實測結(jié)果與模擬計算結(jié)果一致。

6 結(jié)論

(1)進行了礦井單翼長距離通風(fēng)系統(tǒng)阻力測定，找出了制約礦井通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)的關(guān)鍵影響因素。

(2)分析了礦井長距離通風(fēng)存在的問題，提出了井下輔助通風(fēng)機與礦井地面主通風(fēng)機聯(lián)合運行技術(shù)，并進行了井下輔助風(fēng)機硐室的布置優(yōu)化。

(3)實施井下輔助通風(fēng)機與礦井地面主通風(fēng)機聯(lián)合運行后，南翼邊遠十三、十五采區(qū)的風(fēng)量由4238 m3/min增加至8108 m3/min，增風(fēng)效果顯著。