矿井通风系统阻力测试与优化研究

陈宗泉

（山西煤炭运销集团三元微子镇煤业有限公司山西长治047500）

0 引言

在煤矿生产过程中，矿井通风系统起着举足轻重的作用，其通过形成负压系统将地面的新鲜风流引入到井下，将井下空气中的危害气体含量稀释，从而为工作人员提供安全的工作环境[1～3]。由于矿井生产是一个动态的过程，矿井通风系统必须能够满足生产活动需要，为井下各个位置提供足够的风量，目前许多矿井由于开采范围、深度的改变，导致矿井的地质环境有所变化，为了对矿井通风系统做出合理的优化，有必要对矿井通风系统阻力进行测定，从而分析该系统现状，针对行的提出优化方案[4～6]。本文以山西某矿地质条件为基础，对该矿井的通风系统阻力进行了测试与分析，从而得到了通风系统的不合理性，提出了优化方案，研究结果可对具有相似状况的矿井有一定的参考意义。

1 矿井概况

山西某矿生产能力为120万t/a，属于低瓦斯矿井。矿井目前开采煤层为3#煤，煤层厚度平均为8.4 m，倾斜角度平均为4°，煤层在整个井田开采范围内具有着较为稳定的赋存状态，采用综采放顶煤方法开采煤层。矿井开拓方式为立井开拓，采用中央并列式通风方式，其中主井负责回风，副井负责进风，矿井主要通风机型号为G4-73-12NO25D离心式通风机。

2 矿井通风阻力测定及分析

为了分析矿井通风系统的现状，通常需要对通风系统的阻力进行测量，从而清楚整个系统中阻力的分布情况，得到通风系统的基础数据，为通风系统的优化工作奠定基础。

2.1 通风系统阻力测量方法

本次对矿井通风系统阻力的测定采用基点法。首先确定通风系统阻力测量路线，通过多个基点将整个线路分为若干个部分，然后布置两台气压计，其中一台布置在井上以固定位置处，隔一定时间对气压值进行记录，这台气压计的作用主要是记录在监测时间内的地表大气压变化情况，对井下气压数值起到一定的修正作用；第二台气压计布置在已经设计好的基点位置，逐个对基点处的气压进行监测。在得到地表气压值和基点处气压值后，根据通风系统当时的温度、风速以及基点处的标高可以计算出两点之间的通风阻力。

2.2 测量路线选取

由于该矿井通风方式为中央并列式，测量路线需要选择风量比较大、途经回采工作面的路线作为主要测量路线，并且该路线内巷道具有多种类型与支护方式。该矿井主要测量路线为：副井→西翼轨道大巷→暗斜井→东翼轨道大巷→五采区石门→5306回风巷→5306工作面→5306运输巷→东翼胶带大巷→采区轨道下山→总回风巷→主井→地面。

在测量路线确定后，需要在路线中布置测点，测点需尽量布置在具有代表性的巷道中，并且这些巷道尽量具有风量大、人员易通行的特点，相邻两个测点的风压差最好在20 Pa以上。基于该原则，本次通风测量路线测点共布置50个。

2.3 测量结果分析

在通风路线及测量布置完毕后，对通风系统阻力进行了测量，并采用计算机对结果进行了分析。该矿井通风路线总阻力为1 841.5 Pa，风硐速压为215.1 Pa，自然风压为11.2 Pa，风机房风压为2 053 Pa，本次测量结果误差为0.72%，小于规程规定的5%，表明本次测量结果足够准确，可以作为通风系统优化设计的数据依据。

测量结果得到后，需要对通风系统风阻情况进行分析，将本次风阻测量路线分为三部分，分别为进风段、用风段以及回风段，其中进风段为副井口到进风大巷区域，用风段为进风石门到回风石门区域，回风段为回风石门到主井口。根据上述划分，50个测量点中的1～7号为进风段测量点，7～26号为用风段测量点，26～50号为回风段测量点，阻力分布图与分布状况如图1、表1所示。

图1 通风系统阻力分布图

表1 通风系统阻力分布情况

从图1、表1中可以看出，三个区段的风阻占比分比为26.8%、27.4%、45.8%，分配比例为2.73：2.74：4.53，该比例合理性较低，对其分析，具体问题如下：

（1）通风系统回风段风阻占比明显过高，主要由于回风段巷道包括胶带巷、总回风巷等巷道摩擦系数较高，并且局部巷道断面较小，仅有8.6 m2，因此造成这些巷道内风阻增大。

（2）位于首采区以及六采区的部分巷道存在着一定的漏风情况，使得风流的一部分流入了采空区，易造成采空区出现自燃现象，因此通风系统稳定性较低。

（3）部分巷道内堆积有闲置的设备与材料，因此造成巷道的有效通风断面减少，风阻增大。

（4）由于目前主要工作面大多分布在八采区，在这些区域巷道需风量较高，而目前该通风系统风量分配存在着一定的不均匀现象。

3 矿井通风系统优化方案

3.1 优化方案确定

根据上述分析可知，矿井通风系统存在的问题主要在于部分区域风阻较大，导致矿井各区段风量配比不合理，针对通风系统的问题，本文提出了三个方案来降低风阻，对通风系统进行优化，具体如下：

方案一：由于矿井的胶带巷、总回风巷等巷道断面较小，因此对这些巷道采取扩巷的方法，增大巷道断面面积，减小巷道风阻。针对部分由于围岩变形导致断面减小的巷道，对巷道支护方式进行补强优化，采用高预应力锚杆、锚索，提高巷道支护强度，控制围岩变形，提高巷道有效通风面积。对于矿井内长期闲置、不用的车场，采用构筑风墙的方法对其进行封闭，减少巷道漏风情况。此外在布置工作面时，合理、均衡布置工作面，实现均衡通风。

方案二：由于矿井内没有布置专用回风井，通风线路较长，导致通风阻力较大，因此在井田范围内新修建专用回风井，从而减小通风线路长度，减小矿井风阻。

方案三：对矿井主要通风机进行优化升级，增大通风系统风量，从而提高矿井通风能力，满足井下各位置供风需求。

对比上述三个优化方案，由于方案二修建新风井需要对井下部分工作面进行停产，并且耗费时间多，工程量大，经济成本耗费较大，方案三中对通风机进行优化升级，但目前矿井主要通风机性能已调整至最大，若要提升通风系统能力，只能对通风机进行更换，在经济方面不合理，因此方案二、方案三并不适用。方案一在经济方面比较合理，并且技术实施上可行，因此本文通风系统优化方案确定为方案一。

3.2 优化效果分析

通风系统优化方案确定后，在2017年进行实施，为有效分析优化后的通风系统状态，对此时的通风系统参数进行了计算机解算，通风系统参数如表2所示。

表2 2017～2019年通风系统参数

从表中可以看出，通风系统优化后，每年通风系统等积孔均大于2 m2，通风难易程度属于容易类别，矿井总风量在4 800 m3/min～6 000 m3/min范围内，能够满足井下供风要求，矿井总风阻在1 300 Pa～1 450 Pa范围内，相较于优化前有了明显的降低，该结果表明优化后的矿井通风系统符合规定要求。

4 结论

本文以山西某矿地质条件为基础，通过对矿井通风阻力的测量，从而分析出了现有通风系统的状态及问题，提出了三个矿井通风系统优化方案，选择了最合理的方案并在现场进行了实施。根据优化后的通风系统参数，矿井总风量能够满足井下供风需求，并且总风阻有了明显降低，表明本文优化方案较为合理，能够有效改善通风系统的问题。