掘进工作面通风方案的设计及验证

张旭峰

（阳煤寺家庄有限责任公司开拓三队， 山西 昔阳 045300）

引言

矿井通风是矿井生产过程中的重要安全保障。随着矿井开采规模的不断扩大、掘进巷道不断延长，原有的通风系统已不能满足矿井生产的安全需求。尤其对一些已经处于生产后期的老矿井，必须改造升级通风系统。增加通风量、更换通风设备是目前较普遍的矿井通风改造方案，这种方法成本高、耗能大、施工困难，迫切需要探索一种新的通风技术来取代传统的通风做法，可控循环通风应运而生[1]。然而可控循环通风较为复杂，目前我国只在低瓦斯煤矿中的掘进工作面有一定的应用。多年来，矿井中可控循环通风技术应用实例结合数值模拟试验研究表明掘进工作面采用可控循环通风技术可以稀释和排出瓦斯及粉尘，有效改善矿井通风条件，保证矿井生产安全。

1 工程实例

1.1 矿井概况

该矿井生产能力可达1.5 Mt/a，服务年限为25.3 a。该矿井包括两个水平开拓，开采方式采用上下山开采。上组煤采区为092 采区，开采9-1、9-2 及10 煤层。下组煤采区为161 采区，开采16 煤层。矿井含有四个井筒：主斜井、副斜井、主立井、回风立井。矿井总风量150，掘进工作面配风量均为8。矿井绝对瓦斯涌出量为9.08 m3/min，相对瓦斯涌出量2.63 m3/t。该矿井有1 个炮掘、3 个综掘工作面。9-1 号、16 号综掘工作面瓦斯涌出量分别为0.073 m3/min、1.16 m3/min。9-1 号炮掘工作面瓦斯涌出量为：0.045 m3/min。煤尘爆炸指数在26%～37%之间。

1.2 矿井通风现状

该煤矿共有四条井筒，分别包括有主斜井、副斜井、主副立井以及回风立井。其中，主斜井、副斜井和主副立井为该煤矿通风系统提供进风；回风立井为该煤矿提供回风。煤矿所采用的通风方式为中央并列式、抽出式通风方式，所选设备为局部风机压入式通风。

目前，煤矿的总通风量为150 m3/s，由于该煤矿进风井和回风经的高度差小于150 m。因此，该煤矿不适合采用自然风压方式进行通风。

2 掘进工作面可控循环通风的设计

该矿掘进工作面原采用压入式通风方式。现采用可控循环通风技术进行改造，即增加2 台局部排风机，并安装瓦斯、粉尘浓度监测，风量监测，及报警装置[2]。主要设计要求如下：可控循环通风可调节压、抽局部风机风量比，保证掘进工作面保持负压；局排风筒入口距作业点的距离应在有效吸程内；风筒内风速大于0.25 m/s。

根据矿井通风资料，绘制掘进工作面可控循环通风网络图，如图1 所示。

图1 掘进工作面通风网络示意图

图中所注风量单位为m3/s。通风网络图中数字为风量值，标为“Q=XX”或“XX”。

3 通风效果的验证

3.1 通风量的验证

为验证可控循环技术对煤矿掘进工作面通风的改善情况，对工作面的风阻、风量以及风速等参数进行对比[3]。假设选用直径1 000 mm 的风筒，假定风筒重叠段平均风速为0.25 m/s，循环率为35%。利用Avwin 软件计算风网，解算结果见表1 所示。

表1 掘进工作面通风网络计算结果

分析表1 可知，煤矿采用可控循环通风技术后，掘进工作面的通风量得到明显改善；巷道负压明显增加，进而有利于自然风进入巷道内，减小通风机的负荷；此外，改造后巷道内的风阻系数明显降低，降低了通风机工作时的负荷。总之，基于可控循环通风技术所设计的通风方案能够对巷道内的通风情况得到明显改善。

3.2 工作面瓦斯浓度的验证

瓦斯作为威胁综掘工作面安全生产的主要因素。因此，瓦斯浓度为衡量通风系统有效性、可行性的关键指标[4]。改造前后决绝工作面瓦斯浓度的对比如表2 所示。

表2 改造前后掘进工作面瓦斯浓度对比

分析表可知，基于可控循环通风技术对掘进工作面通风方案的设计能够明显降低掘进工作面的瓦斯浓度，且改造后工作面瓦斯浓度分别为0.025 3%和0.028 3%，，完全满足《煤矿安全规程》规定的掘进工作面瓦斯浓度均小于0.03 的要求。

3.3 其他参数的验证

改造前后其他参数的对比如表3 所示。

分析表3 可知，改造后掘进工作面的粉尘浓度明显降低，湿度及温度均得到明显改善，为工作面作业人员提供了较为舒适的工作环境。

表3 改造前后其他参数对比

3.4 节能效果分析

矿井采用掘进工作面可控循环通风技术后，矿井总风量为139 m3/s。该方案选用了2 台防爆轴流风机局部排风，一用一备。经过改造后，通风电机功率降低约120 kW，每天可节约1 226 kWh 的电量。显然，可控循环通风技术应用在低瓦斯矿井中不仅可以改善掘井工作面操作环境，还可以减少用电能耗，降低成本提高煤矿的经济效益[5]。

4 结论

煤矿通风性能作为保证综掘工作面安全生产的关键，在实际生产中应根据煤矿所处地理位置、规模及开采方式设计与其相匹配的通风方案。本文基于可控循环通风技术对XX 煤矿的通风方案进行设计，通过风网计算可得结论：该煤矿采用可控循环通风技术后掘进工作面的通风量得到明显提升，巷道负压及风阻明显降低；工作面的瓦斯浓度值也较之前有改善，满足《煤炭安全规程》的相关要求；工作面粉尘、温湿度等作业人员的工作环境得到明显改善；此外，采用可控循环通风技术后每天可节约电能约为1 226 kWh。