吳培林

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046102）

0 前言

煤炭資源是我國最主要的能源，全國多個(gè)煤炭礦井已經(jīng)為我國的發(fā)展貢獻(xiàn)了巨大的力量，多年的開采導(dǎo)致部分煤礦的機(jī)械設(shè)備老化，礦井風(fēng)機(jī)存在喘振、停風(fēng)等巨大隱患，隨時(shí)可能導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)癱瘓[1-4]。王莊煤礦隨著生產(chǎn)年份的增加，通風(fēng)系統(tǒng)日益復(fù)雜，多次風(fēng)量調(diào)節(jié)，西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)存在設(shè)備磨損，銹蝕嚴(yán)重的問題，對于可靠供風(fēng)存在重大安全隱患。

針對通風(fēng)系統(tǒng)動力失效的問題，眾多學(xué)者分別從通風(fēng)構(gòu)筑物有效性及通風(fēng)構(gòu)筑物與通風(fēng)系統(tǒng)失效性關(guān)系進(jìn)行分析[5-6]。引入極限概念判別風(fēng)量穩(wěn)定的定量條件，提高通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定性[7]。采用Lyapounov穩(wěn)定性理論對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[8]。

基于此，需要對王莊煤礦目前的西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，以更換期間通風(fēng)系統(tǒng)故障分析為研究對象，運(yùn)用M V I S通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，對西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)可能出現(xiàn)失效的情況，即現(xiàn)場中也稱之為無計(jì)劃停風(fēng)，進(jìn)行故障預(yù)測分析，并就可能出現(xiàn)的安全隱患提出合理的解決措施，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠。

1 西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)動力失效后預(yù)測

礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)是三維可視化信息管理系統(tǒng)，基于大量的實(shí)際測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解算、仿真系統(tǒng)圖的生成、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分配仿真功能等，軟件可任意改變通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、密閉巷道、新掘巷道、通風(fēng)動力（葉片角度調(diào)整、頻率改變、開停操作）、通風(fēng)構(gòu)筑物狀態(tài)（拆除、增加和開啟）等，通過仿真運(yùn)算，能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)變化后的通風(fēng)系統(tǒng)再現(xiàn)問題。利用該系統(tǒng)模擬預(yù)測可以快速得出構(gòu)筑物及風(fēng)機(jī)狀態(tài)改變時(shí)，巷道內(nèi)風(fēng)量大小，風(fēng)流狀態(tài)等諸多信息，準(zhǔn)確定位各條巷道，對礦井企業(yè)進(jìn)行判斷與決策有重大意義。

目前西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)型號2K60-4N o28參數(shù)為：風(fēng)機(jī)葉片角度51.5°，電機(jī)額定功率800 kW，回風(fēng)10 110 m3/min。新更換風(fēng)機(jī)、電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)與目前運(yùn)行風(fēng)機(jī)參數(shù)基本一致，所以風(fēng)機(jī)型號選為AG F606-2.82-1.58-2，額定風(fēng)量為12 000 m3/min。

1.1 動力失效后主要通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測

目前西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為10 110 m3/min，52采區(qū)總回風(fēng)量3 000 m3/min，51皮帶巷進(jìn)風(fēng)700 m3/min；62主要通風(fēng)機(jī)總回風(fēng)量9 230 m3/min，負(fù)壓2 580 Pa，52采區(qū)總回風(fēng)量3 000 m3/min，540暗斜井皮帶巷進(jìn)風(fēng)1 000 m3/min。

在風(fēng)機(jī)更換期間，西風(fēng)井出現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)故障即西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停風(fēng)后，通過通風(fēng)管理信息系統(tǒng)M V I S分析得出：對新區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)沒有影響不做討論，主要影響區(qū)域是老區(qū)，特別是52采區(qū)均處于微風(fēng)狀態(tài)，可以由62風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)王莊煤礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，保證運(yùn)煤系統(tǒng)通風(fēng)可靠運(yùn)行。西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停風(fēng)后經(jīng)仿真結(jié)果：62主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓降低61 Pa（2 519 Pa），總回風(fēng)量增加320 m3/min（9 550 m3/min），西回風(fēng)井反向進(jìn)風(fēng)1 500 m3/min。主要巷道風(fēng)量變化見表1。

由表1和圖1可以看出，當(dāng)西主要通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停風(fēng)后，62風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)王莊煤礦老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)，西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)變?yōu)樽匀煌L(fēng)，除西回風(fēng)井以外，其余各風(fēng)井風(fēng)量都有不同程度的減少，其中西進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量減少4 600 m3/min；主立井風(fēng)量變化最小為減少了420 m3/min，說明對其影響很??；主斜井、副斜井、副立井風(fēng)量減少在1 000 m3/min到2 000 m3/min；西回風(fēng)井改為進(jìn)風(fēng)增加1 500 m3/min，風(fēng)流反向。停風(fēng)后主要通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足基本通風(fēng)要求，但個(gè)別巷道存在微風(fēng)情況和瓦斯涌出異常區(qū)域，下面進(jìn)行具體討論。

表1 西風(fēng)井風(fēng)機(jī)停風(fēng)前后各風(fēng)井風(fēng)量變化

圖1 停風(fēng)前后各風(fēng)井風(fēng)量變化柱狀圖

1.2 西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)動力失效后微風(fēng)巷道分析

西風(fēng)井目前擔(dān)負(fù)52、51、61采區(qū)和主皮帶、630大巷等巷道的通風(fēng)任務(wù)，通過礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)模擬分析可知，當(dāng)西風(fēng)井停風(fēng)后，受停風(fēng)影響最大的是52采區(qū)和4處主要巷道出現(xiàn)微風(fēng)現(xiàn)象，分別是51皮帶風(fēng)量260 m3/min，61南輔軌風(fēng)量280 m3/min，630皮帶180 m3/min，540膠帶運(yùn)輸機(jī)大巷，風(fēng)流反向500 m3/min，其他主運(yùn)輸巷道風(fēng)流方向正常。

1.3 通風(fēng)動力失效后瓦斯異常區(qū)域預(yù)測

瓦斯涌出以來源可分為原生瓦斯與積聚瓦斯涌出。原生瓦斯如采掘工作面煤壁、井巷周壁、被破碎的煤塊向空氣中涌出的瓦斯。積聚瓦斯涌如老空區(qū)、舊巷、高頂以及煤巖裂縫中聚集的瓦斯涌出。

對于抽出式通風(fēng)礦井無計(jì)劃停風(fēng)時(shí)，導(dǎo)致壓強(qiáng)恢復(fù)，瓦斯的絕對涌出量變小，積存瓦斯量會逐漸增多。52采區(qū)由于位于西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)的末端，西風(fēng)井停風(fēng)后52采區(qū)將出現(xiàn)微風(fēng)狀態(tài)，目前，52采區(qū)只有1個(gè)52M2安裝工作面，通過檢測可知，該工作面的絕對瓦斯涌出量約為0.65 m3/min，52采區(qū)絕對瓦斯涌出量約為1.85 m3/min，52采區(qū)?；亻L度約為9 000 m，平均斷面取15 m2，巷道體積135 000 m3。

qt=k0qz（1）

式中：qt為無計(jì)劃停風(fēng)時(shí)期的瓦斯絕對涌出量，m3/min；qz為正常時(shí)期工作面風(fēng)量，m3/min。為停風(fēng)后瓦斯涌出量調(diào)節(jié)系數(shù)，因無風(fēng)時(shí)瓦斯涌出減少，所以調(diào)節(jié)系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值為0.7。

本文預(yù)測時(shí)按照完全沒有風(fēng)量通過預(yù)測，停風(fēng)后的瓦斯涌出量為1.295 m3/min；每小時(shí)的瓦斯涌出量為77.7 m3，所以每小時(shí)52采區(qū)瓦斯?jié)舛仍鲩L為0.057 6%，如圖2所示。

圖2 52采區(qū)瓦斯?jié)舛扰c停風(fēng)時(shí)間關(guān)系

由圖2可知停風(fēng)12 h，52采區(qū)回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.69%，而到了停風(fēng)52 h，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了3%，根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程規(guī)定，當(dāng)甲烷或二氧化碳濃度達(dá)到3%或者其他有毒有害氣體超過規(guī)定限度時(shí)，需要進(jìn)行封閉處理，所以西風(fēng)井在更換風(fēng)機(jī)過程中，必須在瓦斯?jié)舛冗_(dá)到3%之前完成更換，并且將更換調(diào)試的時(shí)間盡可能縮短，保障井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全。

2 西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)動力失效后預(yù)案措施

西風(fēng)井停風(fēng)后，為了降低和減少停風(fēng)影響和損失，增大通風(fēng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，最大程度確保礦井安全，可采取如下預(yù)案措施。

2.1 52采區(qū)采取的措施

西風(fēng)井停風(fēng)后按《王莊煤礦西風(fēng)井主扇無計(jì)劃停風(fēng)事故專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案》要求執(zhí)行，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[9]第一百七十五條，“臨時(shí)停工的地點(diǎn)，不得停風(fēng)；否則必須切斷電源，設(shè)置柵欄、警標(biāo)，禁止人員進(jìn)入，并向礦調(diào)度室報(bào)告。停工區(qū)內(nèi)甲烷或者二氧化碳濃度達(dá)到3%或者其他有害氣體濃度超過本規(guī)程第一百三十五條的規(guī)定不能立即處理時(shí)，必須在24h內(nèi)封閉完畢”要求，在不能立即處理時(shí)需要對52采區(qū)進(jìn)行封閉處理，可在51皮帶巷、51軌道巷車場和630總回進(jìn)行封閉。

2.2 其余主要巷道微風(fēng)措施

西風(fēng)井停風(fēng)后，受停風(fēng)影響的4處主要巷道出現(xiàn)微風(fēng)現(xiàn)象，采取的措施如下：

1）51皮帶底進(jìn)風(fēng)石門巷道打開風(fēng)門，51皮帶風(fēng)量達(dá)到424 m3/min（停風(fēng)前風(fēng)量1 610 m3/min）可滿足巷道用風(fēng)。

圖3 51皮帶風(fēng)量調(diào)節(jié)圖

2）61聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門加大調(diào)節(jié)，61南輔軌反向風(fēng)量達(dá)到650 m3/min，風(fēng)流反向（原風(fēng)量650 m3/min）通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）打開分煤巷回風(fēng)繞道風(fēng)門，同時(shí)在62分煤巷加臨時(shí)風(fēng)門，控制風(fēng)量維持600 m3/min，可以使630皮帶風(fēng)量反向增大到406 m3/min，540膠帶運(yùn)輸機(jī)大巷增大到452 m3/min，可滿足巷道用風(fēng)。

圖4 61南輻軌風(fēng)量調(diào)節(jié)圖

圖5 630皮帶及540膠帶巷風(fēng)量調(diào)節(jié)圖

通過采取上述措施后（彩色巷道表示風(fēng)流方向與現(xiàn)有風(fēng)流反向），可使51皮帶風(fēng)量達(dá)到424 m3/min，61南輔軌風(fēng)量達(dá)到650 m3/min，630皮帶巷風(fēng)量達(dá)到400 m3/min，540膠帶運(yùn)輸機(jī)大巷達(dá)到450 m3/min，通風(fēng)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

利用王莊礦井通風(fēng)管理信息系統(tǒng)，結(jié)合王莊煤礦礦井目前通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行全面、科學(xué)、系統(tǒng)的分析，對王莊煤礦西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)更換期間進(jìn)行故障預(yù)測分析，給出相應(yīng)的處理措施。

1）針對西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停風(fēng)的情況，進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量仿真，結(jié)果表明：無計(jì)劃停風(fēng)后，老井區(qū)域各進(jìn)風(fēng)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)減少明顯，造成與老井主運(yùn)輸系統(tǒng)相連的巷道多處微風(fēng)甚至無風(fēng)狀態(tài)；西回風(fēng)井改為進(jìn)風(fēng)增加1 500 m3/min，風(fēng)流反向。

2）針對西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)失效后，對52采區(qū)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測，如西風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)停風(fēng)52 h仍無法啟動時(shí)，瓦斯?jié)舛葘⑦_(dá)到3%，根據(jù)規(guī)定需要進(jìn)行采區(qū)封閉處理。

3）停風(fēng)期間，62主要通風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)整個(gè)老區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)任務(wù)，有4處主要巷道存在微風(fēng)情況，采取相應(yīng)的措施后，能夠滿足通風(fēng)系統(tǒng)要求，保證出煤系統(tǒng)通風(fēng)可靠運(yùn)行，從而避免造成全礦井停產(chǎn)。