古城煤矿“H”型通风系统优化研究

2022-11-25李斌

煤矿现代化 2022年6期

李斌

（山西潞安环保能源开发股份有限公司古城煤矿，山西长治 046100）

0 引言

古城煤矿随着矿井生产不断延伸、规模不断的扩大，通风系统日趋复杂[1-3]，特别是工作面系统目前总风量占比比较大，矿井总负压大。随着生产推移，后期通风将更加困难。目前古城煤矿井下通风构筑物巷道共有159处，压差超过1 000 Pa的风门占29%，约1/3，风门压差超过2 000 Pa的有4处，风门压差1 500～2 000 Pa之间的有17处，高负压带来高风险和潜在的不安全因素。因此需要在复杂风网结构分析的基础上，对通风系统进行降阻增效，特别是阻力占比较大的工作面通风系统更需要进行优化设计。基于此，对于目前的中央风井、桃园风井联合通风进行统一分析论证，保证各回风井通风系统动力与相应负担的回风系统进行合理匹配。

因此，针对古城煤矿多风井回风、复杂结构的通风网络，需要对全矿井进行通风参数测试，建立古城煤矿矿井通风管理信息系统，结合通风网络结构分析，实现古城煤矿通风系统安全可靠、经济合理运行以及便于管理的目标。

1 矿井通风系统概况

1.1 矿井通风阻力测定

结合古城煤矿现有通风系统实际情况，通过采用倾斜压差、精密气压计的同步法和基点法混合测定方法完成了通风参数测试，完善古城煤矿通风管理信息系统后，经过反复的系统调试，使仿真系统误差满足现场实际要求后，进一步开展通风系统分析评价和方案模拟等工作。

如图1为古城煤矿通风简图。副立井到中央回风井：⒈副立井；⒉联络巷；⒊东翼辅运大巷；⒋进风联络巷；⒌N1305进风顺槽；⒍N1305工作面；⒎N1305胶带顺槽；⒏8号横贯；⒐N1305回风顺槽；⒑回风联络巷；⒒东翼1号回风大巷；⒓.9号横贯；⒔东翼2号回风大巷；⒕中央回风立井。

桃园进风立井到桃园回风立井：⒖桃园进风立井；⒗回风井底管子道；⒘南翼7号贯；⒙南翼进风大巷；⒚S1301辅运顺槽；⒛S1301胶带顺槽；21.S1301工作面；22.S1301回风顺槽；23.S1301回风顺槽3号贯；24.S1303回风顺槽；25.南翼2号回风大巷；26.回风联络道；27.南翼总回风大巷联络巷；28.桃园回风立井。

图1 古城煤矿通风简图

通风阻力为风阻和风量的综合作用，表现为通风系统能量的耗损，通风阻力路线可以反映出三区阻力的分布情况，对矿井系统优化和改造具有参考价值[4-5]。对于副立井到中央回风立井通风阻力路线，将节点1～3作为进风区，节点4～10作为用风区，节点11～14作为回风区；对于桃园进风立井到桃园回风立井通风路线，15～18作为进风区，19～24作为用风区，25～28作为回风区。

图2 中央回风立井沿程阻力分布

图3 桃园回风立井沿程阻力分布

表1 通风系统测定误差

如图2、3，表1所示，中央回风立井沿途路线进风区、用风区、回风区阻力分别为1 081、1 230 Pa和1 039 Pa，三区阻力分配比例为32∶37∶31；三区长度分别为：2 418、3 595、2 632 m，等积孔为9.42 m2，为通风容易矿井，对于盘区式开采，用风消耗阻力明显偏大。桃园回风立井沿途路线进风区、用风区、回风区阻力分别为534、1 801、1 215 Pa，三区阻力分配比例为15∶51∶34，三区长度分别为：1 410、1 409、1 382 m，等积孔为7.97 m2，为通风容易矿井。用风区消耗阻力所占比例明显偏大，主要原因是用风区段阻力偏大。

2 古城煤矿H型通风网络分析

2.1 通风网络结构分析

对通风系统相对应的通风网络结构进行详细分析，为通风系统优化改造提供技术支持。通过分析各用风地点的风量来源，将古城煤矿的通风系统进行简化。通过古城煤矿通风结构简图，可以更直观的看出各个风井与各个采区的风量供需关系，其中，将主斜井和副立井主要为N1301、N1305以及南翼用风地点同时供风；桃园进风井主要为S1301工作面、南翼用风地点同时供风。通过明确各个风井与各个采区的风量供需关系，将整个矿井的通风系统进行简化可以得到如图4的近H型结构通风网络。

系统结构简图介绍如下：V1为中央风井进风点；V2为桃园风井进风点；V3为中央进风立井到北翼用风地点与南翼用风地点分风点连接的节点；V4为连接桃园、中央供风与南翼用风的节点。e1为中央进风立井等效进风风路；e2为N1305、S1301工作面等效回风风路；e3为中央进风立井向南翼采区等效进风风路；e4为等效进风风路；e5为桃园风井等效回风风路。

通过将各风路的等效阻力以及等效风量可在模拟仿真图中得到，则各等效风路的风阻值可以通过阻力定律公式（1）求出。

第一组，弧半径R=140 mm 倾角φ=30°峰间距h=20 mm内流场速度、温度、压强分布图及数据，见表2。

式中：Hr为各风路的等效阻力（Pa）；Rf为各等效风路的等效摩擦风阻（N·s2/m8），Q2为各风路的等效风量（m3/s）。通过计算，得到的等效通风系统参数值见表2。

表2 等效风路参数

对将以上等效风路数据录入所建立模型，并对系统进行调试得到“H型”形仿真模拟图4。

图4 简易通风系统

2.2 回风井风量变化对矿井等效风阻的影响分析

图5 简易通风系统

矿井通风等效风阻是在评价整个矿井通风难易程度的重要指标，等效风阻越低，在风量不变的情况下阻力越低，能量消耗越少，反之阻力越大，能量消耗越大[6-7]。但是，回风井回风量的变化将会使得矿井的等效风阻发生变化。

如图5为简易通风系统。设分支e0、分支e1、分支e2的摩擦风阻分别为R0、R1、R2，风量分别为Q0、Q1、Q2根据通风三大定律得式。

因此回风井e1和回风井e2对应的通风系统见式：

此外全矿的通风阻力见式：

因此全矿井的等效风阻见式：

若回风井e1回风量发生变化，则回风井e2回风量必然发生变化，记回风井e1回风量变化ΔQ1，回风井e2回风量变化ΔQ2，则变化后的见式：

变化后的回风井1和回风井2对应的矿井等效风阻见式：

为了研究方便，本文在研究古城煤矿“H”型通风系统回风井回风量如何影响矿井通风等效风阻之时，使其中一个风井的回风量发生变化，另一风井的回风量不变。现对2个风井回风量变化对矿井通风等效风阻的影响进行分析。

图6 中央回风井回风量变化对等效风阻的影响

1）中央回风立井回风量变化对矿井等效风阻影响分析。

如图6所示为中央回风井回风量变化对等效风阻的影响。根据模拟结果，各个采区同时生产，中央风井回风量为439.42 m3/s，下面研究当中央风井回风量变化时，各回风井通风阻力以及各回风井矿井等效风阻是如何变化的，选择风量变化的范围为350 m3/s到560 m3/s。

当中央回风井回风量增加时，中央等效风阻逐渐减小，桃园等效风阻逐渐增大，根据曲线的角度变化可以看出中央回风井回风量的变化对桃园等效风阻的影响较小。

2）桃园回风井回风量变化对矿井等效风阻影响分析。

如图7所示为桃园回风井风量变化对等效风阻的影响。根据模拟结果，各个采区同时生产，桃园风井回风量为397.47 m3/s，下面研究当桃园回风量变化时，各回风井通风阻力以及各回风井矿井等效风阻是如何变化的，本论文选择风量变化的范围为240～450 m3/s。

图7 桃园回风井回风量变化对等效风阻的影响

当桃园回风井回风量增加时，桃园等效风阻逐渐减小，中央等效风阻逐渐增大，根据曲线的角度变化可以看出桃园回风井回风量的变化对中央等效风阻的影响较小。

3 基于通风系统优化改造试验

根据古城煤矿采区衔接计划，S1301工作面即将开采完毕，2022年开采S1303工作面，为了使得S1301顺利过渡到S1303，保证通风系统地点用风可靠，利用古城煤矿通风管理信息系统对工作面顺利过渡进行预测分析。

3.1 工作面通风系统调整布置

目前S1301工作面风量为4 045 m3/min，S1303工作面风量为1 658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷为264 m3/min，届时S1303工作面开采时，由于古城煤矿属于高瓦斯矿井，需风量将达到5 000 m3/min左右，因此，在目前通风系统的基础上，需要对通风系统进行调整，以此来满足S1303开采时需风量。

在S1301辅助运输顺槽、S1301胶带运输顺槽新加2处风门，S1301瓦斯高抽巷和S1301回风顺槽之间回撤面进行控风，在S1301辅助进风顺槽与S1303回风顺槽之间增加一道风门，拆除一道风门，在S1303回风顺槽拆除一处风门，新建一道风门；在S1303胶带顺槽与S1303辅运顺槽之间拆除4处风门，在S1303胶带顺槽上拆除一道风门，具体位置如图8、图9所示。

图8 S1303工作面投入生产前

图9 S1303工作面投入生产后

3.2 仿真结果分析

根据以上通风系统调整布置，进行仿真计算，设计方案能够满足S1303工作面正常生产用风要求，巷道风流稳定，风速均达到矿井规定的风速标准。S1303工作面投入生产前后巷道风量仿真模拟结果见表3。

表3 等效风路参数

基于古城通风管理信息系统，分析得出S1303工作面投入生产使用前后桃园回风井风量及阻力情况，S1303工作面投入生产前，桃园进风立井到桃园回风立井最大阻力通路阻力值为3 503 Pa，风量为23 816 m3/min；S1303工作面投入生产后，桃园进风立井到桃园回风立井最大阻力通路阻力值为3 355 Pa，风量为2 4551 m3/min，负压降低148 Pa，风量升高735 m3/min。

根据仿真分析结果，设计方案能够满足S1303工作面正常生产用风要求，巷道风流稳定，风速均达到矿井规定的风速标准。