煤矿分区开采通风系统的设计分析

管 箐

（晋能控股煤业集团安全督查大队， 山西 大同 037003）

煤炭是我国的主要能源形式，对我国的经济发展具有重要的作用。我国的煤矿开采大多采用井下开采的方式，随着开采机械化技术的发展，煤矿的开采深度及长度不断增加。在井下矿井的作业中，矿井的通风系统是保证煤矿安全的重要部分[1]，通风系统为井下的工作面提供新鲜的空气，并将井下产生的有毒有害气体排出。矿井的通风系统对保证井下的煤矿开采具有重要的作用。在对分区抽出式开采的煤矿通风系统的设计过程中，存在着不同分区的通风系统相互影响[2]，造成通风系统稳定性不足的问题。针对这一问题，对某煤矿分区开采通风系统的稳定性进行分析[3]，从而对分区通风系统进行优化设计，以保证矿井的通风安全。

1 矿井分区通风系统的稳定性测试路线

以进行分区抽出开采的某煤矿为例进行分析，矿井主要分为南北区进行开采，南区的主煤层平均厚度为37 m，煤层的平均倾角为87°，北区的主煤层平均厚度为23 m，煤层的平均倾角为45°。南区的通风系统通过副立井及副斜井进风，通过回风立井回风[4]，南区风井的总回风量为6 900 m3/min；北区的通风系统通过主斜井及副斜井进风，通过回风立井回风，北区的总回风量为7 200 m3/min。

对南北分区中通风系统的稳定性进行测试，通过采用精密气压计进行工作面内逐点测定的方式来对通风的阻力进行测量[5]，根据测量结果对通风系统的稳定性进行分析。在矿井的各工作面上选择较长的通风路线，且风量足够反映通风系统特征的路线作为测量的路线。将测量点布置在风流稳定、巷道稳定的位置[6]，并保证测量点的支护安全，且没有其他设备影响。依据矿井的走向，选择测量的通风路线布置如图1 所示。

图1 不同分区矿井测试路线的布置

2 矿井分区通风系统的稳定性测试分析

依据图1 中选定的测试路线对矿井的通风阻力分布进行测定，并对相应的结果进行分析。将矿井内整体的测试路线分为进风段、用风段及回风段，在常规的矿井通风系统中，三者之间的阻力保持在3∶3∶4[7]。对南北区的测试路线的阻力进行分析，得到表1 中所示的测试路线的阻力分布。

表1 不同分区的通风阻力分布表

从表1 中的数据可以看出，测试路线1 的回风段阻力值占比较高，达到56.5%，这是由于测试路线1的回风段的长度较长导致的[8]；测试路线2 的回风段阻力值占比达到了74.4%，这是由于测试路线2 的回风段的通风面积较小导致的[9]。

对不同分区的通风阻力及百米风阻进行进一步的测定，得到测试路线1 的阻力坡度分布如图2 所示。从图2 中可以看出，测试路线1 在中间段位置的回风阻力坡度的上升较为均匀，通风的阻力值由320 Pa上升至390 Pa，在测试路线的末端，总回风立井前端通风的阻力值的上升较快，通风的阻力值由390 Pa上升至620 Pa。这是由于随着通风系统风道的逐渐延长，使得有效的通风断面面积减小[10]，增加了风流的密度，随着巷道粗糙度的增加，通风系统的摩擦阻力系数增加，引起通风阻力值的快速上升[11]。

图2 测试路线1 的通风阻力变化曲线

对测试路线2 通风阻力及百米风阻进行测定，得到测试路线2 的阻力坡度分布如图3 所示。从图3 中可以看出，测试路线2 的通风阻力在末端位置急剧上升，通风阻力由190 Pa 上升至620 Pa，此处为高阻力的位置，其余位置的阻力值整体较低[12]。

图3 测试路线2 的通风阻力变化曲线

通过上述的分析可知，在矿井分区式开采的通风系统中，2 个分区的通风机风压变化相互影响，在400 m 水平大巷道内的风量不稳定，出现少峰或者回流的情况，对煤矿的通风安全不利，同时也造成在矿井内的通风系统中主通风机的效率值较低，南区通风机的效率为40%，北区通风机的效率为38%，通风效果不理想。

3 矿井分区通风系统的优化设计

在矿井的通风系统中，由于分区通风的设置，使得分支系统的通风失稳，自然风压对北区的主要风机影响严重，通风机的运行不稳定，且效率较低。针对矿井的通风系统进行优化设计，在设计过程中考虑将分区的回风改为单侧的集中回风，从而利用矿井巷道及风井较大的断面来保证风速不会过大，变为单一方向的流动，提高稳定性；同时，考虑自然风压的作用，对北区的风阻进行一定调节，改变通风机的阻力分布曲线，提高通风机的运行效率，从而保证风量的相对稳定。

根据优化设计思路进行通风系统的优化改造，对北区各水平位置的风墙、风门等通风设施进行施工，增大北区的通风阻力，并提高南区的通风量，增加矿井的负压值，在矿井的大巷中增加风量调节的装置，加强对风量的实时监测。依据改造后的巷道各支点数据编制数据解算表，采用相似巷道的参数对各支点赋值，对优化后的通风系统进行网络解算。

根据网络解算的结果，对分区通风系统进行优化改造后，解决了矿井内的角联风网，提高了矿井的负压值，北区的负压值增加了260 Pa，有利于对自然风压的变化进行有效应对，通风机的效率也得到了提升。对北区的各水平风阻进行增压后，矿井的阻力值分布相对平衡，风流的稳定性得到提高。同时，进一步在南北区负压差的作用下，进行风量调节设施的应用，从而进一步提高大巷道风量的稳定性，保证矿井通风系统的安全性及稳定性。

4 结论

1）在分区开采的矿区中，对南北区的通风系统风阻进行分析发现，分区内的配风量大，总阻值较小，但阻力的分布不均匀，分区之间通风系统的稳定性较差，且巷道内的风量不稳定，矿井的通风机效率较低。

2）对矿井分区通风系统进行优化设计，在北区内的各生产环节增加调节风墙、风门等通风设备，提高了北区的通风阻力，并依据矿井的实际风量提高南区的配风量，提高矿井内的负压值，并对巷道内的风量进行实时的监测。

3）经过优化后的矿井通风系统，北区内的高负压值可以应对自然风压的变化，提高了矿井内通风系统的稳定性，并可以提高通风机的效率，保证系统风量的稳定性，为煤矿的安全开采提供保障。