和凱敏

（山西汾西中興煤業(yè)有限責任公司，山西 交城 030500）

煤炭在開采過程中會受到粉塵、瓦斯、煤層燃等多種不利因素影響，礦井生產安全風險較高，通過分析發(fā)現(xiàn)上述安全事故多與礦井通風系統(tǒng)不完善、可靠性不強等有關[1-2]。礦井通風涉及到通風阻力、通風動力匹配問題及通風網絡、通風動力匹配問題，上述匹配問題均與主要通風機運行有密切關聯(lián)[3]。近些年來，眾多的學者對礦井通風阻力、通風動力等方面展開研究，并取得較為豐碩的研究成果[4-6]。山西某礦建礦時間已超過30 年，具有礦井投產早、風機投入運行時間長等特點，生產布局較投產之初有較大變化，通風網絡也較為復雜，為此本文對該礦下通風阻力與通風動力匹配進行研究，以期能在一定程度上提升礦井通風效果。

1 工程概況

山西某礦設計產能300 萬t/a，為高瓦斯礦井，現(xiàn)階段開采深度平均為330 m，主采7#煤層。煤層原始瓦斯含量為6.5 m3/t，煤塵具有爆炸危險性、自燃發(fā)火傾向性為Ⅱ類。井下采用分區(qū)式開采，進風井、回風井筒數(shù)量分別為3 個、2 個，總回風量為17 590 m3/min。

2 通風阻力與通風動力匹配模型

通風阻力與通風動力匹配優(yōu)劣可通過匹配度來衡量，具體匹配度確定時需要綜合考慮風量、實際風壓、最高風壓、最高效率以及實際效率等因素，具體通風阻力與通風動力匹配可通過公式（1）計算。

式中：M 為匹配度；η 為通風機效率；ηmax為通風機效率；k2為調節(jié)系數(shù)。

在地面主要通風機合理工作范圍內，主要通風機通風壓力應小于最大通風壓力的0.9 倍，從而可實現(xiàn)礦井高效通風。

匹配度M 越大，則表面礦井通風效率越高，有利于井下通風。當匹配度M＞75 時，匹配狀態(tài)為優(yōu)，表明風機與井下通風系統(tǒng)匹配較好，通風機可滿足井下通風需要；當60≤M≤75 時，則匹配狀態(tài)為良，通風機工作狀態(tài)良好，可較好的滿足井下通風需要；當M＜60 時，則通風動力與井下通風阻力間匹配狀態(tài)為劣，表明風機運行狀態(tài)不合理，難以與井下通風系統(tǒng)有效匹配。

進一步考慮通風機服役時間、井下煤礦生產任務間關系，依據(jù)礦井生產接替計劃并通過加權平均可獲取整體匹配度Mz，具體數(shù)學表達式為式（2）。

式中：Mz為整體匹配度；Mi為△ti時間內的匹配度；△ti為表示持續(xù)時間。

3 匹配度研究分析

3.1 通風阻力及通風動力匹配計算

選擇夏季礦井回風立井通風為工程背景，對通風阻力及通風動力匹配情況進行探討，具體繪制得到礦井回風立井地面主要通風機特征曲線，具體如圖1 所示。通風阻力及動力曲線交匯點（A 點）即為該主要通風機實際運行工況點，具體見圖2 所示。

圖1 主要通風機特征曲線

圖2 通風機運行工況點

根據(jù)礦井生產銜接規(guī)劃，礦井現(xiàn)階段生產屬于通風困難階段，用Rmax表示風阻特征曲線，通風機運行工況點為A 點，同時給出礦井通風容易時期通風曲線Rmin；將礦井風阻特征曲線與風機運行曲線相結合，由A、B、C、D 點形成的閉合區(qū)域即為該主要通風機實際運行工況變化范圍。從圖2 看出，礦井回風立井主要通風機實際工作范圍處合理范圍內；依據(jù)主要通風機風量、風機效率曲線即可得到A 點數(shù)據(jù)，具體見第105 頁表1 所示。通過公式（2）計算得到礦井通風阻力與通風動力匹配度M=62，綜合評定礦井通風阻力、通風動力匹配度為良。

表1 工況點A 參數(shù)

3.2 匹配度提高措施

現(xiàn)階段礦井回風立井主要通風機葉片安裝角度已最大，不能再通過調整葉片安裝角對井下通風風量井下調節(jié)。隨著礦井井下二采區(qū)不斷推進，礦井通風系統(tǒng)難度呈逐漸增加趨勢，從而會使得通風阻力、通風動力間匹配度降低。因此，需要針對性制定措施提高通風阻力、通風動力匹配度。具體采取措施為：在采區(qū)新掘進一跳專用回風巷道，并通過調整礦井有關通風系統(tǒng)，將二采區(qū)部分風量從礦井張家莊回風井排出，并降低井下通風系統(tǒng)通風阻力，從而提升回風立井主要通風機通風動力、通風阻力間匹配度。采用數(shù)值模擬方法對提出的方案進行仿真，具體仿真結果見表2 所示。

表2 改造后模擬仿真結果

從仿真結果看出，在井下二采區(qū)實施降低方案后，井下通風系統(tǒng)風阻特征曲線為圖2 中R 曲線，在未改變礦井地面主要通風機葉片運行角情況下，風機實際運行工況點為E 點，具體E 點數(shù)據(jù)見表3 所示。通過公式（2）計算得到此時礦井通風阻力與通風動力匹配度M=79，綜合評定礦井通風阻力、通風動力匹配度為優(yōu)。

表3 工況點E 參數(shù)

通過在礦井二采區(qū)重新掘進專用回風巷達到了降低井下通風系統(tǒng)阻力，提高了礦井通風阻力、通風動力間的匹配度，滿足井下通風需要并提高了通風可靠性以及通風風量。

4 結語

本文采用理論分析方法對礦井通風阻力以及通風動力匹配情況進行分析，并通過引入匹配度實現(xiàn)匹配情況的定量分析。依據(jù)礦井實際通風情況，計算得到礦井回風立井通風阻力、通風動力匹配度為62、匹配等級為良。

根據(jù)礦井后續(xù)生產規(guī)劃發(fā)現(xiàn)隨著礦井生產范圍增加，礦井回風立井通風阻力、通風動力匹配度會逐漸降低，難以滿足礦井后續(xù)生產需要。為此，提出在二采區(qū)新掘專用回風巷來對通風系統(tǒng)進行改造，改造后通風阻力與通風動力間匹配度為79、匹配等級為優(yōu)，通風系統(tǒng)改造后可滿足井下生產需要。