矿井通风系统及风量优化的研究

常 江

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿安监站， 山西 大同 037000）

引言

正在开采的矿山必须做好井下的通风工作，其中通风方式主要有机械通风与自然通风两种，机械通风以机械能为动力进行通风，自然通风以自然风力进行通风。由于机械通风稳定可靠，容易控制与调节，所以矿井的通风方式以机械为主[1]。矿井通风系统作为煤矿安全生产的重要组成环节，通风系统的稳定安全对于防范井下重大安全事故有着重要的作用[2]。对于已经投入生产的矿井，随着工作面的采掘，地下通风网络的体系逐渐复杂，因此煤矿需要及时地优化通风系统、降低通风阻力、增强通风系统的通风效率。技术先进、通风合理的通风系统可以为煤矿带来可观的经济效益与安全保障，本文将对矿井的通风系统及风量优化进行研究[3]。

1 矿井通风系统

矿井通风系统是向各个生产工作面、巷道输送新鲜空气，排除有毒有害气体的通风网络与通风设备等的总称[4]。本节将分析与研究通风系统的通风网络与通风构筑物。

1.1 矿井通风网络

通风系统由众多通风管路组合而成，在对系统分析过程中，通常利用平面图的方式，将通风系统简化为一个由线与点组成的网络系统，这个网络系统被称之为通风网络[5]。通风网络一般通过直观的几何图形进行表述，图形中的线段分支代表实际的通风巷道，线段上的方向代表巷道内风流的流向。图1所示为一个简单的通风网络，其中实线为分支，所代表的巷道具有风阻与风量等实际参数，虚线代表的为伪分支，即不是实际巷道，一般为通风设备的出风口与主巷道进风口之间的虚拟分支，如图中编号2、3、4、5、6 为实际分支，存在实际巷道、7 为伪分支，不存在实际巷道。通风网络中2 条或2 条以上分支相交形成的点，称之为通风系统的节点，如图1 中存在①～⑤五个交点。通风网络中由多条方向相同，首尾相连的分支围绕而成的线路，称之为通路，如图1中，1—2—5、1—2—4—5 与1—3—6 都是通风网络的通路。

图1 简单通风网络图

在通风系统稳定工作的前提下，通风系统遵守风量平衡定律，即相同时间内流入某节点的空气质量与流出的空气质量相等，如公式1 所示：

式中：i为某节点处分支的数量；Mi为流过第i个分支的空气质量，kg。

1.2 通风系统构筑物

在矿井的通风网络中，通常会在某些位置设置一些通风设施以控制风流，保证风流流向生产地点，这些设备统称为通风系统构筑物[6]。按照风流通过与否，可以分为通过风流构筑物和隔断风流构筑物，其中通过风流构筑物主要包括通风桥、风机风硐与反风装置等，隔断通风构筑物主要包括风门、挡风墙与风帘等[7]。

在通风系统中的部分位置处，既需要隔断风流又需要通过行人或车辆时，通常在该位置处设置风门。风门的一般结构如下页图2 所示，完整的风门系统通常由风门、调节风窗、电缆孔与逆流铁筒等组成。在矿井下，设置风门时，需至少设置两道风门，风门需要通车时，其之间距离应大于运输车的长度，风门只需要过人时，其之间距离需大于5 m。为防止瓦斯突出时逆流入通风设施，通常在主要进、回风巷之间设置两道反向风门。

2 局部通风系统

新建或正在生产的煤矿都需要开掘大量的巷道或工作面，以准备新的采取工作面。为了将煤岩散出的有害气体排出并抑制掘进引起的烟尘，需要保证工作面的持续通风工作，但是采掘时井巷的出口只有一个，无法形成风流贯穿，所以一般都需要利用局部通风的方式对其进行通风。

目前，煤矿通常使用局部通风机、风筒等设施实现矿井的局部通风，通过利用局部通风机作为动力，通过风筒引导到掘进工作面等用风场所。局部通风根据通风式的不同，可分为压入式通风和抽出式通风两种。其中压入式通风的安全性更高，射程较大，所以一般用于以排除瓦斯为主的巷道，抽出式通风的通风效率高，保证巷道内具有清新空气，一般用于以排除粉尘为主的巷道。

采用压入式通风时，工作面所需风量的计算公式如式（2）所示：

式中：Qkp为压入式通风时所需风量，m3/s；A为爆炸时用到的炸药量，kg；b为产生一氧化碳的当量，L/kg；S为工作面巷道的截面积，m2；L为巷道长度，m；Cp为一氧化碳的允许值，取0.02%；pq为漏风系数；t为通风时间，min。

抽出式通风时计算掘进工作面所需风量的公式如式（3）所示：

式中：Qhe为抽出式通风时所需风量，m3/s；Lt为炮眼长度，m。

3 矿井风量的优化

通过对矿井通风系统的优化，可以满足各个地点的用风需求与矿井安全，降低通风设备的能耗[8]。通风系统优化的目标主要有两个：一个是优化通风网络降低通风困难程度，增加矿井的有效通风量；另一个是降低通风系统受到的阻力，减少通风能耗，增加经济效益。本节将针对通风网络优化和降低通风阻力两方面进行研究分析。

3.1 优化通风网络

当掘进巷道较长时，原有通风网络的布局无法有效向工作地点通风，为了保障生产安全需要对通风网络进行优化。本文通过利用钻孔的方式，实现掘进巷道向回风巷的回风功能，其原理图如图3 所示。从掘进工作面打出一个300～500 mm 的钻孔，通过钻孔将掘进巷道与回风巷接通，在掘进期间可利用钻孔进行通风，有效地降低工作面瓦斯浓度。

图3 钻孔通风示意图

3.2 降低通风阻力

降低矿井通风时受到的阻力可以提高经济效益，并更加有效地保障矿井安全生产。本文主要通过减小摩擦阻力系数的方式来降低通风阻力的措施，具体措施包括减小巷道长度与增大巷道断面等。矿井设计初期，选用支护方式时应当考虑摩擦阻力的影响，施工时尽量保证巷道壁面光滑。当巷道其他参数不变时，断面面积增大33%，通风阻力将降低50%，风量流过巷道时产生的能耗降低一半。虽然增大断面面积会增加基础建设上的投资，但是应当考虑长远的经济效益，在通风设计时选用经济效益最高的断面。巷道造成的通风阻力与巷道的长度成正比，因此在满足工作面通风需求的前提下，尽可能地缩短各风路的长度。