单翼长距离系统井下辅助通风机与主通风机联合运行保障技术

2018-03-19姜希印徐加恒赵旭帅王现鹏

安徽建筑大学学报 2018年6期

姜希印，徐加恒，赵旭帅，王现鹏

(兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东济宁 272072)

0 引言

矿井通风系统是由矿井通风网络、主通风机等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统[1]。其复杂关联属性具体表现为系统的多环节性、非线性、时变性、可维修性以及系统影响因素之间的强耦合性。矿井通风系统稳定性和可靠性的研究相互渗透，对矿井通风系统可靠性的研究中包含了矿井通风系统稳定性思想，对矿井通风系统稳定性的研究中采用了矿井通风可靠性的方法。

评价一个矿井通风系统是否稳定可靠，关键在于当系统参量变化时系统其它参量的响应程度。由于矿井通风系统极为复杂，采用基于数值模拟的矿井通风软件应运而生。目前，在世界范围内，计算机广泛用于矿井通风系统的设计和分析。矿井通风系统网络解算的应用软件已经商业化，国外代表性软件为Mintech、Datamine，国内也开发了相应的软件如通风专家3.0版和Windows MVENT2.0等[2-7]。矿井通风网络模拟作为分析矿井通风系统的有力工具[8]，得到了很好应用，使矿井通风技术得到新的发展。

本文针对单翼长距离通风系统的实际难题，提出并实施了井下安设辅助通风机与地面主要通风机联合运行技术。

1 试验地点概况

济宁二号煤矿是一座年设计生产能力为400万吨的大型现代化煤矿，井田面积90 km2，矿井通风方式为中央并列式，主井、副井进风，中央风井回风，随着开采深度的增加和开采规模的扩大，矿井风量分配受井巷风阻和风机能力的制约愈加明显，按需供风非常困难。因北翼采区受地面村庄压煤的影响，矿井生产主要集中在南翼采区；而南翼采区通风距离远，二水平(-740 m)十三、十五采区最远通风距离达24000 m。为了满足十三、十五采区需风量高达8000 m3/min要求，急需开展单翼长距离系统通风安全保障技术研究。

2 矿井通风系统现状分析与预测

济宁二号煤矿南翼通风系统测定路线的实测各测段通风阻力分布分别如图1所示。

图1 济宁二号煤矿南翼通风系统测定路线各测段实测通风阻力分布图

由图1可知，济宁二号煤矿南翼通风系统进风段(1～7)占矿井总阻力的24.6%，用风段(7～23)占总阻力的 18.2%，回风段(23～28)占总阻力的57.2%，即南翼通风系统回风段阻力比例较大，主要原因是用风段线路不长，回风段距离长。实测矿井总进风量为18021 m3/min，矿井总回风量为18351 m3/min。矿井GAF31.5-15.8-1轴流式主通风机叶片角度+10 °(最大角度)，风量 315 m3/s，主通风机静压2570 Pa。二水平九、十一采区总用风6005 m3/min。其中，南翼系统中5-6测段为南翼轨道大巷和南翼辅助进风大巷的汇合段，长525 m，过风量为8650 m3/min，风速超速，使得通风阻力达133.5 Pa，此段可通过增加并联通风分支来降低风阻，解决风速超速问题。

在现有通风系统的基础上，进行了十三、十五采区开采通风网络模拟解算，其模拟结果如表1所示。模拟解算结果表明:当九、十一采区回采结束，十三、十五采区开始回采时，无论十三、十五采区是一路进风还是两路进风(增加并联进风巷道)，主通风机的风量由于通风距离的增加均减小，风机静压增加约300 Pa，十三、十五采区通风困难时期的风量仅4200 m3/min，远小于需风量8000 m3/min的要求。

表1 不增加辅助通风机的模拟结果比较

因此，现有的通风系统很难满足十三、十五采区联合开采的需风要求。

3 单翼长距离通风存在的问题

3.1 现有通风系统降阻增风潜力有限

自2005年开始，基于矿井通风系统阻力分布测定和主要通风机实际性能分析，提出了①拆除主井井底控制风门，适当增加主井进风量；②一采管子道及其联络巷与南翼皮带回风巷联通并联通风；③北翼总回风巷的调节风门改设在北翼皮带回风巷，降低-525 m主回风石门过风量；④将矿井GAF31.6-15.8-1轴流式主要通风机的1000 kW、TD1000-8/1180同步电机更换为1600 kW、TD1600-8/1430同步电机，提高主通风机性能等措施，实现了矿井南翼边远的九、十一采区的风量由2981 m3/min增加到6005 m3/min，满足需风量供求。

2008年，施工南翼进风下山和南翼2#公路大巷，实现了并联通风后，南翼二水平的总风量由6005 m3/min增加到8482 m3/min。

随着十三采区和十五采区大巷开拓延伸，十三采区首采区近期投入生产，届时矿井的通风路线长度将由目前的12000 m增长到19000 m，矿井通风阻力预计为3050 Pa，矿井主要通风机能力受到挑战，能否满足要求需提前作好预测和计算。如果不能满足，则必须“以风定产”，减小矿井生产规模，矿井产量会大幅降低。如果不采取有效措施，按照“以风定产”核定矿井的生产能力，矿井年产将在200 万吨左右[1]。

3.2 南副井或南风井近期无法施工

因矿井北翼村庄搬迁困难，生产重点逐步转向井田西南部-740水平，按照矿井设计，在西南部小北湖北部设一个通风用南风井，满足矿井正常生产需求。但近几年来，济宁市区规划的地面建筑不断增多，兖矿集团与济宁市政府及上级主管部门就南风井建设这一项目经努力协商多年未果，施工可能性渺茫。

3.3 矿井主通风机的供风能力有限

为提高矿井主通风机的供风能力，课题组提出并实施了更换矿井主通风机电机以保障矿井主通风机在大叶片角度条件下运行。更换大功率电机后，矿井主通风机的运行叶片角由+5°提高到+10°，矿井主通风机的供风量和克服矿井通风阻力的能力显著提高。因此，期望提供主通风机能力来增加十三、十五采区开采时的供风量是不可行的。同时，矿井主通风机能力过大，矿井的通风负压也必将超过3000 Pa，对矿井易自燃煤层的防火问题不利。

4 井下设辅助通风机与矿井主通风机联合运转技术

为保障单翼长距离系统通风安全、满足十三、十五采区生产要求，考虑在井下适当位置设置辅助通风机硐室，安设两台防爆对旋抽出式风机(一台运转，一台备用)，通过辅助通风机与地面主通风机共同作用，提高远距离的十三、十五采区的供风量，以满足矿井延深的通风能力需求。

根据济宁二号煤矿井下巷道实际布置，辅助通风机安装位置提出如下三套方案。

方案一:在-740水平辅助1#联络巷处，利用附近已有的巷道布置，于-740水平回风大巷中设置辅助通风机硐室，安设辅助通风机。

方案二:在-740水平胶带输送机大巷煤仓(-740水平辅助1#联络巷东120m处)附近，相对应的-740水平回风大巷中设置辅助通风机硐室，安设辅助通风机。

方案三:在-740水平回风大巷与南翼回风下山交汇处，利用已有的巷道布置，-740水平回风大巷中设置辅助通风机硐室，安设辅助通风机。

方案一和方案二的辅助通风机位置距离相近，在通风网络图中可以简化为一点，故可认为方案一和方案二的通风系统模拟网络图相同。主要地点风量的计算机模拟结果见表2。

表2 辅助通风机不同位置的模拟结果比较

从表2可知，1)若按方案一或方案二布置，十三、十五采区风量等于辅助通风机风量，为8049 m3/min，此时，矿井主通风机风量18472 m3/min，主通风机静压2642.4 Pa，辅助通风机静压1119.0 Pa，即主通风机和辅助通风机的运行工况均在理想范围内；2)若按方案三布置，虽然辅助通风机风量比方案一或方案二略大，达8123 m3/min，辅助通风机静压1030.1 Pa，矿井主通风机风量18187 m3/min，主通风机静压2693.1 Pa，但由于原九采、十一采采区硐室用风必须由辅助通风机承担，十三、十五采区风量只有7567 m3/min，小于需风量8000 m3/min。方案一或方案二均比方案三有利。

对比方案一与方案二的特点，研究表明:1)方案一充分利用了井下现有巷道布置，只需掘进一条反风巷道就可满足辅助通风机运行要求，其最大优点是掘进工程量小，成本低；但是，在胶带输送机大巷中需设置正反向风门，由于皮带影响造成风门封闭不严，导致辅助通风机出口的风通过胶带输送机巷风门重新吸入辅助通风机入口，从而形成循环风，难于管理；同时大大降低了辅助通风机的有效风量率，降低辅助通风机向十三、十五采区的供风能力。2)方案二选择在胶带输送机大巷煤仓(此段巷道没有皮带运行)附近相应位置建立辅助通风机硐室，虽然此方案需要掘三条巷道，工程量较大，成本较高；但是，所形成的通风系统稳定，完全满足辅助通风机实际运行要求，并且，利用现有的巷道布置，增加了一条反风巷道(辅助通风机检修或切换时使用)，增加反风系统的稳定性。

因此，方案二为辅助通风机位置的优选方案，图2为其具体巷道布置情况。

图2 辅助通风机布置示意图(方案二)

5 现场实施效果情况

济宁二号煤矿辅助通风机硐室位于-740水平3#煤仓附近，硐室矿建工程于2010年10月完成，辅助通风机于2011年6月正式投入使用。辅助风机参数:型号:FBCDF№26/2×280(A)，流量:67～190 m3/s，静压:200～3700 Pa，最大静压效率:≥82%；配用电机型号:YBF450-8，额定电压:6 KV，额定功率:2×280 kW，两台，一用一备，电源来自南翼4号变电所，双回路供电。

2016年9月，辅助通风机是1#风机双极运行，叶片角度为-9o，负压1100 Pa，风机风量158.7 m3/s，电机电压6.21 kV，电流28.3 A，辅助通风机以西总回风8108 m3/min，辅助通风机风量约9522 m3/min，通过两旁路的有益串联风约1414 m3/min。实测结果与模拟计算结果一致。