姚桥煤矿西十采区回风系统优化研究

李向征

(上海大屯能源股份有限公司 姚桥煤矿,江苏 徐州 221611)

0 引言

矿井通风系统的良好运行对于矿井保持安全运转、强抗灾能力以及高生产效益至关重要[1]。受矿井深部开采延伸、巷道改扩建以提高产能和通风构筑物老化等因素影响[2]，矿井通风系统往往会出现通风阻力大、用风地点实际供风量不足和风流稳定性差等问题[3,4]，严重制约了矿井生产能力的提升。因此，针对矿井实际生产过程中现行通风系统存在的问题进行通风系统优化研究，不断完善或改进矿井通风系统，使其保持正常运行状态尤为重要。

通风系统优化是保证矿井安全高效生产和良好经济效益的基础。冯彬等[5,6]采用气压计法对矿井通风阻力进行了测定分析，提出了矿井通风阻力优化方案以解决矿井阻力过高问题。张亚明等[7]利用Ventsim软件构建了矿井通风系统三维仿真模型，对设计方案进行了模拟解算，结合层次分析法获得了矿山最佳通风方案，程伯明等[8]利用该软件对复杂深井多区域作业通风系统进行了优化研究，以解决该生产系统风量分配不均衡、漏风等问题。牛福龙[9]利用MVS模拟软件对衰老矿井通风系统进行了优化研究，郑建国等[10-12]运用三维仿真软件从技术可行性、经济合理性和安全性等方面对复杂通风系统进行了研究，辛嵩等[13]则针对矿井单翼通风系统进行了优化改造研究，解决了矿井阻力分布不合理问题。唐建华等[14]基于热力循环理论对矿井中央水泵房通风系统进行了改造，减少了矿井主要通风机负荷，提高了能源利用率。王绪友等[15]通过实测和数值模拟手段对煤矿沿空留巷工作面局部通风系统进行了优化研究，确定了最佳通风方式。

通风系统优化具有动态性，为使姚桥煤矿通风系统适应其采掘接替计划，本文通过分析姚桥煤矿西十采区现行通风系统存在的问题，提出西十采区回风系统优化方案，并进行通风网络模拟解算，以期获得通风系统最佳优化改造方案，服务矿井生产系统。

1 矿井概况

姚桥煤矿位于大屯区东部，在江苏省沛县和山东省微山县境内，井田开拓方式主要为立井开拓，采掘布置为“三采二备六掘进”。矿井采区较多，目前布置工作面的采区有东六采区、西六采区和新东三采区，中央采区和西十采区为准备开采采区，其他采区仅保留部分巷道用风。

矿井采用混合式通风(4进3回)，即由井田中央-400 m水平的主副井和-650 m水平的新主副井两对井筒进风，由井田西翼边界的西风井、井田东翼边界的东二风井和井田中央边界的东一风井3个井筒回风，其中东一风井主要为中央采区供风，东二风井主要为东六采区和新东三采区供风，西风井主要为西翼采区供风。各风井风机现行运行状态参数(2021年9月)见表1。

表1 风机运行状态参数表

西十采区为矿井西翼采区，位于西九、西六采区以北，西十采区布置两个掘进工作面(西十探煤下山和西十轨道下山掘进，目前仅正常通风)。现阶段西十采区回风通过西九采区回风巷道或者西六采区回风巷道进入西风井，无独立专用回风巷道。若西九采区、西六采区同时生产，西十采区将不能满足《煤矿安全规程》中关于采区独立通风的要求。因此，需要对西十采区回风系统进行优化设计。

2 优化方案设计

2.1 优化原则

姚桥煤矿属于复杂通风系统，通风路线较长，进行西十采区回风系统优化时，需要满足以下原则：

(1) 采区独立通风

《煤矿安全规程》(2022版)第150条规定，“采、掘工作面应当实行独立通风，严禁2个采煤工作面之间串联通风。”因此，要保证西十采区回风系统的独立性。

(2) 回风系统阻力不超过线路总阻力的30%

姚桥煤矿进风线路较长，从新副井到采区下山的距离超过4000 m，阻力较大。当回风系统的阻力较小时，才能保证风机的负压不超过2940 Pa。

(3) 降阻措施的选择

对于通风阻力过大的矿井，应采取减阻措施来改变矿井风阻特性曲线。降阻调节法是在需要增加风量的风路中采取扩大巷道断面、增加并联风路、改变支护形式和清除堆积物等措施降低通风线路的风阻。

2.2 回风系统优化方案

根据西十采区在矿井通风系统中的位置关系，采用新掘采区回风巷道方法，提出两种回风系统建设方案。

方案一：通过新掘进西十采区水平回风巷，与-850皮带大巷平行，巷道总工程量1371 m，设计断面为半圆拱型，宽4.6 m，高3.6 m，巷道断面积14.3 m2，巷道百米风阻为0.0048 kg/m7。此时，西十采区回风路线为：西十采区水平回风巷→西九回风下山→西五轨道(皮带)下山→西五总回风巷→西二回风上山→西总回风巷→西风井，如图1所示。

图1 新掘西十采区水平回风巷示意图

方案二：通过新掘西十采区回风上山，与西六回风平行，巷道总工程量1130 m，平均坡度22.5°，设计断面为半圆拱型，宽4.6 m，高3.6 m，巷道断面积14.3 m2，巷道百米风阻为0.0048 kg/m7。此时，西十采区回风路线为西十采区回风上山→西三轨道(回风)上山→-181补回(西风井总回风巷)→西风井，如图2所示。

图2 新掘西十采区回风上山示意图

2.3 采区布局方式及需风量估算

目前，西十采区正在进行掘进，供风量为1000 m3/min。按照采煤工作面需风量为1500 m3/min，掘进工作面为500 m3/min，计算得到西十采区在“三掘”、“一采两掘”和“一采三掘”三种布局方式下的需风量，见表2。在现有矿井采掘布置基础上，依据矿井通风阻力测定结果对不同布局方式下西十采区回风段阻力进行模拟计算。

表2 不同采区布局方式下需风量估算

3 设计方案阻力计算

3.1 通风网络解算计算

矿井通风网络解算时满足节点风量平衡定律、回路风压平衡定律和分支阻力定律，通过给定各分支的风阻、初始风量和关联矩阵以及风机的风压特性曲线，采用数学方法求解各分支的通风参数。回路法是目前使用最多的一种方法，其根据气体在通风网络中任意回路中的流动动力与阻力的代数和为零，建立大型非线性方程组。在求解方法研究方面，斯考德-恒斯雷法(D.Scott-F.Hinsley)和牛顿-拉夫森法(Newton-Raphson)是目前使用较广泛的两种方法，其总体思路是利用线性化的方法按泰勒公式展开，略去高阶项进行近似求解。矿井通风网络解算主要流程如图3所示。

图3 矿井通风网络解算流程图

3.2 方案实施效果分析

根据矿井通风网络解算得出不同需风量要求下主要通风机和主要通风线路的阻力结果见表3。

表3 西十采区回风系统改造模拟结果汇总表采区布置

续表

由表3可知，“三掘”、“一采两掘”或者“一采三掘”布置方式均能满足西十采区通风系统需风量要求，其对主要通风机的运行工况影响甚微。在未进行新巷掘进时，回风段总长度为3087 m，“三掘”、“一采两掘”和“一采三掘”三种布置方式下阻力依次为854.2 Pa、1194.9 Pa、1631.8 Pa，西风井负压由1060.0 Pa分别降低至987.9 Pa、987.0 Pa、987.2 Pa，阻力降低值均在72～73 MPa范围内；当采用新掘西十采区水平回风巷方案时，回风段总长度7055 m，三种布置方式下阻力分别为473.3 Pa、525.4 Pa和585.6 Pa，西风井负压在未掘新巷降低值的基础上依次降低至971.7 Pa、958.6 Pa、952.8 Pa；当采用新掘西十采区回风上山方案时，回风段总长度2979 m，三种布置方式下阻力分别为351.5 Pa、362.2 Pa、395.6 Pa；西风井的负压在未掘新巷降低值的基础上分别降低至949.1 Pa、946.3 Pa、886.2 Pa。可见，两种方案都可达到降阻目的。

图4为不同采区布置方式下姚桥煤矿西十采区回风系统两种优化方案的降阻率对比图。由图4可知，三种采区布置方式下方案二的回风段降阻率以及西风机降阻率均高于方案一。因此，方案二优于方案一。

图4 降阻率对比图

3.3 经济性分析

以掘扩巷面积费用标准为0.2万元/m2，按两种方案的工程量分别进行经济核算，计算项目明细见表4。

表4 矿井通风系统改造方案经济性对比

由表4可知，经新掘巷道长度和断面计算得出，新掘西十采区水平回风巷投资费用为3921.1万元，新掘西十采区回风上山投资费用为3231.8万元。从改造工程投入和建设工期来看，方案二优于方案一，方案一所需费用为方案二的1.2倍；从老旧巷道维护成本来看，两种方案的维护费用基本相同；从西风机节能角度看，方案二风机所耗功率仅比方案一降低5 kW左右，节能费用相当。

从方案实施效果和经济性角度对西十采区回风系统两种改造方案分析可知，新掘西十采区回风上山能够显著降低西十采区回风段长度，降低回风段阻力。因此，建议选择方案二对西十采区回风系统进行优化。

4 结论

(1) 针对姚桥煤矿复杂通风系统，明确了西十采区回风系统优化设计原则，提出了西十采区新掘水平回风巷和新掘回风上山两种回风系统设计方案。

(2) 分别针对“三掘”、“一采两掘”和“一采三掘”三种不同的采区布局方式，进行了采区需风量计算，并采用矿井通风网络解算方法，对设计方案进行了模拟解算分析。

(3) “三掘”、“一采两掘”与“一采三掘”布局方式均能满足西十采区通风系统需风量要求，从方案实施效果和经济性来看，新掘西十采区回风上山线路较短，改造工程投入成本低，线路阻力明显小于新掘西十采区水平回风巷。