矿井井下通风阻力与通风动力匹配研究

2022-07-06和凯敏

山西化工 2022年3期

和凯敏

（山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西交城 030500）

煤炭在开采过程中会受到粉尘、瓦斯、煤层燃等多种不利因素影响，矿井生产安全风险较高，通过分析发现上述安全事故多与矿井通风系统不完善、可靠性不强等有关[1-2]。矿井通风涉及到通风阻力、通风动力匹配问题及通风网络、通风动力匹配问题，上述匹配问题均与主要通风机运行有密切关联[3]。近些年来，众多的学者对矿井通风阻力、通风动力等方面展开研究，并取得较为丰硕的研究成果[4-6]。山西某矿建矿时间已超过30 年，具有矿井投产早、风机投入运行时间长等特点，生产布局较投产之初有较大变化，通风网络也较为复杂，为此本文对该矿下通风阻力与通风动力匹配进行研究，以期能在一定程度上提升矿井通风效果。

1 工程概况

山西某矿设计产能300 万t/a，为高瓦斯矿井，现阶段开采深度平均为330 m，主采7#煤层。煤层原始瓦斯含量为6.5 m3/t，煤尘具有爆炸危险性、自燃发火倾向性为Ⅱ类。井下采用分区式开采，进风井、回风井筒数量分别为3 个、2 个，总回风量为17 590 m3/min。

2 通风阻力与通风动力匹配模型

通风阻力与通风动力匹配优劣可通过匹配度来衡量，具体匹配度确定时需要综合考虑风量、实际风压、最高风压、最高效率以及实际效率等因素，具体通风阻力与通风动力匹配可通过公式（1）计算。

式中：M 为匹配度；η 为通风机效率；ηmax为通风机效率；k2为调节系数。

在地面主要通风机合理工作范围内，主要通风机通风压力应小于最大通风压力的0.9 倍，从而可实现矿井高效通风。

匹配度M 越大，则表面矿井通风效率越高，有利于井下通风。当匹配度M＞75 时，匹配状态为优，表明风机与井下通风系统匹配较好，通风机可满足井下通风需要；当60≤M≤75 时，则匹配状态为良，通风机工作状态良好，可较好的满足井下通风需要；当M＜60 时，则通风动力与井下通风阻力间匹配状态为劣，表明风机运行状态不合理，难以与井下通风系统有效匹配。

进一步考虑通风机服役时间、井下煤矿生产任务间关系，依据矿井生产接替计划并通过加权平均可获取整体匹配度Mz，具体数学表达式为式（2）。

式中：Mz为整体匹配度；Mi为△ti时间内的匹配度；△ti为表示持续时间。

3 匹配度研究分析

3.1 通风阻力及通风动力匹配计算

选择夏季矿井回风立井通风为工程背景，对通风阻力及通风动力匹配情况进行探讨，具体绘制得到矿井回风立井地面主要通风机特征曲线，具体如图1 所示。通风阻力及动力曲线交汇点（A 点）即为该主要通风机实际运行工况点，具体见图2 所示。

图1 主要通风机特征曲线

图2 通风机运行工况点

根据矿井生产衔接规划，矿井现阶段生产属于通风困难阶段，用Rmax表示风阻特征曲线，通风机运行工况点为A 点，同时给出矿井通风容易时期通风曲线Rmin；将矿井风阻特征曲线与风机运行曲线相结合，由A、B、C、D 点形成的闭合区域即为该主要通风机实际运行工况变化范围。从图2 看出，矿井回风立井主要通风机实际工作范围处合理范围内；依据主要通风机风量、风机效率曲线即可得到A 点数据，具体见第105 页表1 所示。通过公式（2）计算得到矿井通风阻力与通风动力匹配度M=62，综合评定矿井通风阻力、通风动力匹配度为良。

表1 工况点A 参数

3.2 匹配度提高措施

现阶段矿井回风立井主要通风机叶片安装角度已最大，不能再通过调整叶片安装角对井下通风风量井下调节。随着矿井井下二采区不断推进，矿井通风系统难度呈逐渐增加趋势，从而会使得通风阻力、通风动力间匹配度降低。因此，需要针对性制定措施提高通风阻力、通风动力匹配度。具体采取措施为：在采区新掘进一跳专用回风巷道，并通过调整矿井有关通风系统，将二采区部分风量从矿井张家庄回风井排出，并降低井下通风系统通风阻力，从而提升回风立井主要通风机通风动力、通风阻力间匹配度。采用数值模拟方法对提出的方案进行仿真，具体仿真结果见表2 所示。