李向征

(上海大屯能源股份有限公司 姚橋煤礦,江蘇 徐州 221611)

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的良好運(yùn)行對(duì)于礦井保持安全運(yùn)轉(zhuǎn)、強(qiáng)抗災(zāi)能力以及高生產(chǎn)效益至關(guān)重要[1]。受礦井深部開(kāi)采延伸、巷道改擴(kuò)建以提高產(chǎn)能和通風(fēng)構(gòu)筑物老化等因素影響[2]，礦井通風(fēng)系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)通風(fēng)阻力大、用風(fēng)地點(diǎn)實(shí)際供風(fēng)量不足和風(fēng)流穩(wěn)定性差等問(wèn)題[3,4]，嚴(yán)重制約了礦井生產(chǎn)能力的提升。因此，針對(duì)礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究，不斷完善或改進(jìn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)，使其保持正常運(yùn)行狀態(tài)尤為重要。

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化是保證礦井安全高效生產(chǎn)和良好經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。馮彬等[5,6]采用氣壓計(jì)法對(duì)礦井通風(fēng)阻力進(jìn)行了測(cè)定分析，提出了礦井通風(fēng)阻力優(yōu)化方案以解決礦井阻力過(guò)高問(wèn)題。張亞明等[7]利用Ventsim軟件構(gòu)建了礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真模型，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬解算，結(jié)合層次分析法獲得了礦山最佳通風(fēng)方案，程伯明等[8]利用該軟件對(duì)復(fù)雜深井多區(qū)域作業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，以解決該生產(chǎn)系統(tǒng)風(fēng)量分配不均衡、漏風(fēng)等問(wèn)題。牛福龍[9]利用MVS模擬軟件對(duì)衰老礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，鄭建國(guó)等[10-12]運(yùn)用三維仿真軟件從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性和安全性等方面對(duì)復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，辛嵩等[13]則針對(duì)礦井單翼通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造研究，解決了礦井阻力分布不合理問(wèn)題。唐建華等[14]基于熱力循環(huán)理論對(duì)礦井中央水泵房通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，減少了礦井主要通風(fēng)機(jī)負(fù)荷，提高了能源利用率。王緒友等[15]通過(guò)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬手段對(duì)煤礦沿空留巷工作面局部通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定了最佳通風(fēng)方式。

通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化具有動(dòng)態(tài)性，為使姚橋煤礦通風(fēng)系統(tǒng)適應(yīng)其采掘接替計(jì)劃，本文通過(guò)分析姚橋煤礦西十采區(qū)現(xiàn)行通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，并進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算，以期獲得通風(fēng)系統(tǒng)最佳優(yōu)化改造方案，服務(wù)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)。

1 礦井概況

姚橋煤礦位于大屯區(qū)東部，在江蘇省沛縣和山東省微山縣境內(nèi)，井田開(kāi)拓方式主要為立井開(kāi)拓，采掘布置為“三采二備六掘進(jìn)”。礦井采區(qū)較多，目前布置工作面的采區(qū)有東六采區(qū)、西六采區(qū)和新東三采區(qū)，中央采區(qū)和西十采區(qū)為準(zhǔn)備開(kāi)采采區(qū)，其他采區(qū)僅保留部分巷道用風(fēng)。

礦井采用混合式通風(fēng)(4進(jìn)3回)，即由井田中央-400 m水平的主副井和-650 m水平的新主副井兩對(duì)井筒進(jìn)風(fēng)，由井田西翼邊界的西風(fēng)井、井田東翼邊界的東二風(fēng)井和井田中央邊界的東一風(fēng)井3個(gè)井筒回風(fēng)，其中東一風(fēng)井主要為中央采區(qū)供風(fēng)，東二風(fēng)井主要為東六采區(qū)和新東三采區(qū)供風(fēng)，西風(fēng)井主要為西翼采區(qū)供風(fēng)。各風(fēng)井風(fēng)機(jī)現(xiàn)行運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(2021年9月)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表

西十采區(qū)為礦井西翼采區(qū)，位于西九、西六采區(qū)以北，西十采區(qū)布置兩個(gè)掘進(jìn)工作面(西十探煤下山和西十軌道下山掘進(jìn)，目前僅正常通風(fēng))?，F(xiàn)階段西十采區(qū)回風(fēng)通過(guò)西九采區(qū)回風(fēng)巷道或者西六采區(qū)回風(fēng)巷道進(jìn)入西風(fēng)井，無(wú)獨(dú)立專用回風(fēng)巷道。若西九采區(qū)、西六采區(qū)同時(shí)生產(chǎn)，西十采區(qū)將不能滿足《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于采區(qū)獨(dú)立通風(fēng)的要求。因此，需要對(duì)西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化原則

姚橋煤礦屬于復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)路線較長(zhǎng)，進(jìn)行西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，需要滿足以下原則：

(1) 采區(qū)獨(dú)立通風(fēng)

《煤礦安全規(guī)程》(2022版)第150條規(guī)定，“采、掘工作面應(yīng)當(dāng)實(shí)行獨(dú)立通風(fēng)，嚴(yán)禁2個(gè)采煤工作面之間串聯(lián)通風(fēng)?！币虼?，要保證西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)的獨(dú)立性。

(2) 回風(fēng)系統(tǒng)阻力不超過(guò)線路總阻力的30%

姚橋煤礦進(jìn)風(fēng)線路較長(zhǎng)，從新副井到采區(qū)下山的距離超過(guò)4000 m，阻力較大。當(dāng)回風(fēng)系統(tǒng)的阻力較小時(shí)，才能保證風(fēng)機(jī)的負(fù)壓不超過(guò)2940 Pa。

(3) 降阻措施的選擇

對(duì)于通風(fēng)阻力過(guò)大的礦井，應(yīng)采取減阻措施來(lái)改變礦井風(fēng)阻特性曲線。降阻調(diào)節(jié)法是在需要增加風(fēng)量的風(fēng)路中采取擴(kuò)大巷道斷面、增加并聯(lián)風(fēng)路、改變支護(hù)形式和清除堆積物等措施降低通風(fēng)線路的風(fēng)阻。

2.2 回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

根據(jù)西十采區(qū)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的位置關(guān)系，采用新掘采區(qū)回風(fēng)巷道方法，提出兩種回風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)方案。

方案一：通過(guò)新掘進(jìn)西十采區(qū)水平回風(fēng)巷，與-850皮帶大巷平行，巷道總工程量1371 m，設(shè)計(jì)斷面為半圓拱型，寬4.6 m，高3.6 m，巷道斷面積14.3 m2，巷道百米風(fēng)阻為0.0048 kg/m7。此時(shí)，西十采區(qū)回風(fēng)路線為：西十采區(qū)水平回風(fēng)巷→西九回風(fēng)下山→西五軌道(皮帶)下山→西五總回風(fēng)巷→西二回風(fēng)上山→西總回風(fēng)巷→西風(fēng)井，如圖1所示。

圖1 新掘西十采區(qū)水平回風(fēng)巷示意圖

方案二：通過(guò)新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山，與西六回風(fēng)平行，巷道總工程量1130 m，平均坡度22.5°，設(shè)計(jì)斷面為半圓拱型，寬4.6 m，高3.6 m，巷道斷面積14.3 m2，巷道百米風(fēng)阻為0.0048 kg/m7。此時(shí)，西十采區(qū)回風(fēng)路線為西十采區(qū)回風(fēng)上山→西三軌道(回風(fēng))上山→-181補(bǔ)回(西風(fēng)井總回風(fēng)巷)→西風(fēng)井，如圖2所示。

圖2 新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山示意圖

2.3 采區(qū)布局方式及需風(fēng)量估算

目前，西十采區(qū)正在進(jìn)行掘進(jìn)，供風(fēng)量為1000 m3/min。按照采煤工作面需風(fēng)量為1500 m3/min，掘進(jìn)工作面為500 m3/min，計(jì)算得到西十采區(qū)在“三掘”、“一采兩掘”和“一采三掘”三種布局方式下的需風(fēng)量，見(jiàn)表2。在現(xiàn)有礦井采掘布置基礎(chǔ)上，依據(jù)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定結(jié)果對(duì)不同布局方式下西十采區(qū)回風(fēng)段阻力進(jìn)行模擬計(jì)算。

表2 不同采區(qū)布局方式下需風(fēng)量估算

3 設(shè)計(jì)方案阻力計(jì)算

3.1 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算計(jì)算

礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算時(shí)滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)量平衡定律、回路風(fēng)壓平衡定律和分支阻力定律，通過(guò)給定各分支的風(fēng)阻、初始風(fēng)量和關(guān)聯(lián)矩陣以及風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性曲線，采用數(shù)學(xué)方法求解各分支的通風(fēng)參數(shù)?；芈贩ㄊ悄壳笆褂米疃嗟囊环N方法，其根據(jù)氣體在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中任意回路中的流動(dòng)動(dòng)力與阻力的代數(shù)和為零，建立大型非線性方程組。在求解方法研究方面，斯考德-恒斯雷法(D.Scott-F.Hinsley)和牛頓-拉夫森法(Newton-Raphson)是目前使用較廣泛的兩種方法，其總體思路是利用線性化的方法按泰勒公式展開(kāi)，略去高階項(xiàng)進(jìn)行近似求解。礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算主要流程如圖3所示。

圖3 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算流程圖

3.2 方案實(shí)施效果分析

根據(jù)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算得出不同需風(fēng)量要求下主要通風(fēng)機(jī)和主要通風(fēng)線路的阻力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)改造模擬結(jié)果匯總表采區(qū)布置

續(xù)表

由表3可知，“三掘”、“一采兩掘”或者“一采三掘”布置方式均能滿足西十采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量要求，其對(duì)主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況影響甚微。在未進(jìn)行新巷掘進(jìn)時(shí)，回風(fēng)段總長(zhǎng)度為3087 m，“三掘”、“一采兩掘”和“一采三掘”三種布置方式下阻力依次為854.2 Pa、1194.9 Pa、1631.8 Pa，西風(fēng)井負(fù)壓由1060.0 Pa分別降低至987.9 Pa、987.0 Pa、987.2 Pa，阻力降低值均在72～73 MPa范圍內(nèi)；當(dāng)采用新掘西十采區(qū)水平回風(fēng)巷方案時(shí)，回風(fēng)段總長(zhǎng)度7055 m，三種布置方式下阻力分別為473.3 Pa、525.4 Pa和585.6 Pa，西風(fēng)井負(fù)壓在未掘新巷降低值的基礎(chǔ)上依次降低至971.7 Pa、958.6 Pa、952.8 Pa；當(dāng)采用新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山方案時(shí)，回風(fēng)段總長(zhǎng)度2979 m，三種布置方式下阻力分別為351.5 Pa、362.2 Pa、395.6 Pa；西風(fēng)井的負(fù)壓在未掘新巷降低值的基礎(chǔ)上分別降低至949.1 Pa、946.3 Pa、886.2 Pa?？梢?jiàn)，兩種方案都可達(dá)到降阻目的。

圖4為不同采區(qū)布置方式下姚橋煤礦西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)兩種優(yōu)化方案的降阻率對(duì)比圖。由圖4可知，三種采區(qū)布置方式下方案二的回風(fēng)段降阻率以及西風(fēng)機(jī)降阻率均高于方案一。因此，方案二優(yōu)于方案一。

圖4 降阻率對(duì)比圖

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

以掘擴(kuò)巷面積費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)為0.2萬(wàn)元/m2，按兩種方案的工程量分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，計(jì)算項(xiàng)目明細(xì)見(jiàn)表4。

表4 礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表4可知，經(jīng)新掘巷道長(zhǎng)度和斷面計(jì)算得出，新掘西十采區(qū)水平回風(fēng)巷投資費(fèi)用為3921.1萬(wàn)元，新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山投資費(fèi)用為3231.8萬(wàn)元。從改造工程投入和建設(shè)工期來(lái)看，方案二優(yōu)于方案一，方案一所需費(fèi)用為方案二的1.2倍；從老舊巷道維護(hù)成本來(lái)看，兩種方案的維護(hù)費(fèi)用基本相同；從西風(fēng)機(jī)節(jié)能角度看，方案二風(fēng)機(jī)所耗功率僅比方案一降低5 kW左右，節(jié)能費(fèi)用相當(dāng)。

從方案實(shí)施效果和經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)兩種改造方案分析可知，新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山能夠顯著降低西十采區(qū)回風(fēng)段長(zhǎng)度，降低回風(fēng)段阻力。因此，建議選擇方案二對(duì)西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)姚橋煤礦復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)，明確了西十采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，提出了西十采區(qū)新掘水平回風(fēng)巷和新掘回風(fēng)上山兩種回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

(2) 分別針對(duì)“三掘”、“一采兩掘”和“一采三掘”三種不同的采區(qū)布局方式，進(jìn)行了采區(qū)需風(fēng)量計(jì)算，并采用礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬解算分析。

(3) “三掘”、“一采兩掘”與“一采三掘”布局方式均能滿足西十采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)需風(fēng)量要求，從方案實(shí)施效果和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，新掘西十采區(qū)回風(fēng)上山線路較短，改造工程投入成本低，線路阻力明顯小于新掘西十采區(qū)水平回風(fēng)巷。