经坊煤业通风系统特征及通风能力核定研究

武 超

（山煤集团煤业管理有限公司 ，山西 太原 030006）

0 引 言

煤炭资源目前在我国仍占据着较大的比例，是不可或缺的能源之一，如何针对煤炭资源进行安全高效的开采，是广大科研学者研究的重要课题之一[1,2]。高瓦斯煤炭资源开采过程中最大的危险源即为瓦斯事故，今年来多起重大瓦斯事故都造成了较大的危害，归其原因即为矿井通风不利，没有及时将瓦斯疏散及抽出。因此，计算矿井工作面所需风量及核定矿井通风能力对煤炭资源的安全开采显得尤为重要[3]。

1 工程概况

1.1 矿井生产概况

山西长治经坊煤业有限公司位于中国山西省长治市，隶属山西煤炭进出口集团公司控股管理。山西省长治经坊煤业有限公司矿井通风方式为分区式通风，矿井通风方法为机械抽出式，矿井井田开拓为斜井和立井混合开拓。主斜井、副斜井和进风立井进风，南翼回风立井担负五、六采区回风和北翼回风立井担负七、八采区回风。

经坊煤矿矿井布置四个生产采区（分别为五采区、六采区、七采区和八采区）。阻测期间五采区布置一个备用工作面（3- 边角03 工作面）和两个掘进工作面（3- 边角052 顺槽和3- 5082 顺槽掘进工作面）；六采区布置一个掘进工作面（3- 603 探巷掘进工作面）；七采区布置两个掘进工作面（3- 边角061 顺槽和3- 边角062 顺槽掘进工作面）；八采区布置3- 803回采工作面、3- 807 备用工作面、3- 8021 顺槽和3- 8022 顺槽两个掘进工作面。

1.2 矿井瓦斯含量

根据2017 年8 月山西省煤矿矿用安全产品检验中心的检验报告，3 号煤层煤尘有爆炸性；自燃倾向性等级为Ⅲ，属不易自燃煤层。矿井煤层绝对瓦斯涌出量为19.21m3/min，瓦斯主要来源为回采工作面。

2 矿井需风量计算

2.1 采煤工作面需风量

1）按瓦斯涌出量计算[4]：

Q1=1000qchK采通

式中：qch为工作面回风流中平均瓦斯绝对涌出量，根据沈阳设计院做的《瓦斯涌出量预测报告》可知，预计3- 807、3- 边角03 工作面平均瓦斯涌出量为 16.43m3/min、2.69m3/min；K采通为采煤工作面瓦斯涌出不均衡备用风量系数，取1.7。

根据以上公式可以计算得到3- 807 工作面需风量2793.1m3/min；同理可以计算得到3- 边角03 工作面需风量457.3m3/min。

2）按工作面人数需风量计算：

式中：N 为回采工作面同时存在的最多人数，（得到 3- 807 取 80；3- 边角 03 取 40）；每人需风量≥4m3/min。

根据以上公式可以计算得到3- 807 工作面需风量320m3/min；同理可以计算得到3- 边角03 工作面需风量160m3/min。

3）按风速进行验算。取3- 807 和3- 边角03 工作面上述结果的最大值，Qcf分别为2794.1m3/min、457.9m3/min。风量需满足风速验算[5]：

式中：70%为有效通风断面系数；l 为采煤工作面实际宽度，3- 807 取 7.5m，3- 边角 03 取 3.83m；h 为采煤工作面实际采高3- 807 取2.8m，3- 边角03 取2.2m；s 为采煤工作面有效断面积。

通过验算3- 807、3- 边角03 采煤工作面风速均符合要求

因此可以得到两个采煤工作面总需风量为2794.1+457.9=3252 m3/min。

2.2 备用工作面需风量

本矿井有2 个备用面（3- 边角06 面、3- 边角052 面），一个安装面（3- 803，按照原 3- 803 面设计风量2321m3/min 的一半计算）。

为此：Q803= Q3-803生产/2=1161m3/min

Q3-边角06= 826m3/min（为原临近702 工作面风量的一半）

Q3-边角05= 458m3/min（取临近508 工作面风量的一半）

备用工作面：∑Q=1161+826+458=2445m3/min

2.3 掘进工作面需风量

1）按工作面瓦斯涌出量计算：

Q1=100QCH4K

式中：Q掘为掘进工作面的实际需要风量，m3/min；根据《3- 603 工作面探巷地质说明书》中的瓦斯涌出量资料得知；K掘为掘进工作面瓦斯涌出的不均衡系数，取1.77；QCH4为掘进工作面的瓦斯绝对涌出量，，（根据《瓦斯涌出量测定报告》得知3- 603 工作面取 1.2 m3/min；3- 8021 取 2.064 m3/min；3- 8022 取2.067 m3/min；3- 5081 取 1.349 m3/min；3- 边角 082 取0.84 m3/min）。

由上述公式可以计算得到3- 603 工作面探巷风量为 212.4m3/min；3- 8021 顺槽风量为 365.4m3/min；3- 8022 顺槽风量为 366m3/min；3- 5081 顺槽风量为238.8 m3/min；3- 边角 082 顺槽风量为 148.68 m3/min。

2）按工作面同时作业人数计算需要风量：

由上述公式可以计算得到5 个掘进工作面风量均为 160m3/min（N 取 40 人）。

3）按局部通风机实际吸风量计算需要风量：

式中：S 为巷道断面面积，（3- 603 取 11.25m2；3- 8021 取 13.5m3/min；3- 8022 取 11.2m3/min；3- 5081取 11.2m3/min；3- 边角 082 取 12.6m3/min）；Ii为局部通风机台数，取1 台；Q扇为局部通风机最大吸风量，（3- 603 取 420m3/min；3- 8021 取 750m3/min；3- 8022取 375m3/min；3- 5081 取 420m3/min；3- 边角 082 取420m3/min）；Q掘为局部通风机所需吸风量。

由上述公式可以计算得到3- 603 工作面探巷全风压风量为589m3/min；3- 8021 顺槽全风压风量为952.5m3/min；3- 8022 顺槽全风压风量为 543m3/min；3- 5081 顺槽全风压风量为 588m3/min；3- 边角 082 顺槽全风压风量为609m3/min。

因 此 ， ∑ Q掘=589+952.5+543+588+609=3281.9m3/min

2.4 井下硐室需风量

1）井下爆炸材料储存库每小时4 次通风量：

Q库=4V/60=4×1785/60=119m3/min

式中：V 为库房的体积，m3；Q库为库房需风量，m3/min。

2）机电硐室需要风量应根据不同硐室内设备的降温要求进行配风。选取硐室风量，须保证机电硐室温度不超过30℃，其他硐室温度不超过26℃。

式中：ρ 为空气密度，取 1.2kg/m3；∑W 为机电硐室中运转的电动机总功率，kW；Cp为空气的定压比热，取1kJ/（kg·K）；θ 为机电硐室发热系数；Δt 为机电硐室进、回风流温度差，℃；Q 为机电硐室需要风量，m3/min；

计算如表1。

表1 井下硐室需要风量

2.5 矿用防爆柴油机车需风量

六、七、八采区轨道巷各同时使用一辆矿用防爆柴油机车，功率为30kw。

式中：Pdl为机车功率，kW；Ndl为机车台数，台；kdl为配风系数，取1.0；Qdl为机车尾气排放稀释需风量，m3/min；

2.6 其它需风量

式中：K其它为瓦斯涌出不均衡系数，取 1.3；QCH4

为平均瓦斯绝对涌出量，取0.69m3/min；133 为其它地点回风风流中瓦斯浓度不超过0.75%所换算的常数；Q 其它为其它地点需风量，m3/min。

则：Q其它=133×0.69×1.3=119.3m3/min;

根据以上计算Q其它取120m3/min。因为井下共计有 7 处，因此，Q其它=120×7=840m3/min。

2.7 矿井实际需要风量

将采、掘、硐室、备用、其它的风量数据代入计算公式，得:

式中：K 矿通—矿井通风系数，取1.2。

3 矿井通风能力核算：

由于本矿生产能力为240 万t/a，按由里向外核定算法核定矿井通风系统生产能力。矿井目前矿井总进风量能满足布置10 个采掘面同时作业，即采煤面布置“两采三备五掘”的情况下，矿井实际供风量14182m3/min，大于矿井实际需风量13461m3/min。

3.1 单个采煤工作面年产量计算

1）3- 807 工作面产量计算：

式中：Ac 为回采工作面通风能力，万 t/a；L 为回采工作面平均长度199m，放煤长度取197m；h 为回采工作面平均开采厚度，机采2.8m，放顶煤3.2m；r 为原煤视密度1.41t/m3；b 为采煤工作面平均日推进度3.6m/d；n 为年工作日数276 天；c 为工作面回采率，机组割煤取95%，放煤取85%；

2） 3 - 边角05 工作面产量计算：

Ac05=10- 4?L?h?r?b?n?N?c

=10- 4×(130×2.2×95%+128×3.8×85%)×1.41×4.8×276

=127.98（万 t/a）

3.2 掘进工作面年产量计算

Aj=10-4r∑SiLi

=10-4×1.41×70.96×10.8×276=29.82 万 t/a

式中：Aj为掘进工作面平均生产能力，万t/a；r 为原煤视密度，1.41t/m3；Si为 i 巷道纯煤面积；Li为 i 巷道年总进尺。5 个掘进工作面参数如表2：

表2 5 个掘进工作面特征表

3.3 矿井通风能力计算

APc==149.2+127.98+29.82=307 万t/a

式中：APc为矿井通风能力，万t/a.

经核定该矿现通风能力为307 万t/a。

4 矿井通风能力验证

4.1 通风动力验证

矿井共有5 个井筒，主斜井、副斜井、进风立井和南翼回风立井、北翼回风立井。通风方式为分区通风，其中主斜井进风量为1397m3/min，副斜井进风量为4436m3/min，进风立井风量为8780m3/min，矿井总进风量为14613m3/min，总回风量为14683m3/min，能满足矿井风量要求。

南翼主要通风机运行叶片角度- 10°、频率42.18Hz、负压 2060 Pa，等积孔 A=2.03m2；北翼主要通风机运行叶片角度- 3°、频率49Hz、负压2040Pa，等积孔A=3.41m2，能满足目前矿井生产需要.

4.2 通风网络能力验证

矿井于2017 年7 月主扇投运后，委托山西潞安检测检验中心有限责任公司进行了通风阻力测定，满足要求， 阻测时， 经坊煤矿南翼通风阻力为206mmH2O；北翼通风阻力为148.3mmH2O。

1）阻力测定时南翼主扇工况：

H扇静＝1950Pa；Q主扇＝5880m3/min；R主扇＝0.2030403N·s2/m8；等积孔 A＝2.64m2

矿井等积孔大于2m2，南翼通风难易程度为容易。

2）阻力测定时北翼主扇工况：

H扇静＝1450Pa；Q主扇＝8120m3/min；R主扇＝0.0791696N·s2/m8；等积孔 A＝4.23m2

矿井等积孔大于2m2，北翼通风难易程度为容易。

由此可知，矿井通风阻力分配合理，通风风量完全可以满足安全生产的需求。

4.3 用风地点有效风量验证

矿井各工作面、井下硐室有效风量按照风速、温度、风量分别进行验证，可以得出完全符合安全生产的要求。

4.4 稀释瓦斯能力验证

通过对矿井各用风地点瓦斯量的测定，通过通风将瓦斯含量均稀释到安全浓度以下。

5 结束语

本文通过计算采煤、备用、掘进工作面、井下硐室等需风量，确定了矿井实际需风量为13461m3/min；在进一步通过矿井通风力计算，得到经坊煤业矿井通风能力为307 万t/a；最后通过矿井通风动力、通风网络、有效风量及瓦斯稀释，验证了矿井通风能力可以满足安全生产的要求。