润东煤业矿井气流稳定性与通风系统优化研究

路瑞军

（山西晋煤集团阳城晋圣润东煤业有限公司，山西 晋城 048006）

随着煤矿机械化程度提高和煤炭产量增加，矿井出现气流不稳定等安全隐患[1-3]，造成工作面温度升高、湿度增大，危险气体及粉尘含量增加等一系列问题。随着工作面埋深及开采距离的增加，工作面通风阻力增加，气流稳定性变差。润东煤业矿井现有通风系统仅可满足现阶段生产规模需求，随着开采深度和规模的增加，掘进和回采工作面的通风压力和通风稳定性显著增大。为了满足矿井通风需要和安全生产需求，对现有通风系统进行优化改造，实现该矿井的可持续和高效生产。

1 对角通风系统理论

矿井通风系统主要有中央式、对角式、分区式和混合式，润东煤业矿井现有通风系统设计为双向对角通风式。随着煤矿产量的增加和采掘工作面延深，掘进和回采工作面的新鲜空气紊乱问题日益严重，主副井气流逆流和巷道气流超限严重影响生产进度[4-6]。对角通风系统是一个内部有许多对角支路的复杂系统，如果对角之路仅有一个，该通风被认为简单的对角通风系统。

图1 为对角通风系统简化示意图。由图1 可知，分支5 是对角线，被节点2 和3 包围。分支5 的特点是气流可以根据空气的阻力风向相互转向，根据对角通风系统简化示意图提出了一个气流阻力关系来分析对角线支路气流方向的判据：

图1 对角通风系统示意图

当K＞1，风流从节点3 通过5 到节点2；当K=1，没有风流通过5；当K＜1，风流从节点2 通过5 到节点3。

式中：K为通风对角线的判别系数；R为对角线的通风阻力；Ri为各支路的空气阻力（i=1,2,3,4），N2·S2/m8；Q为对角线总空气量；Qi为各支路的气流（i=1,2,3,4），m3/s。

从节点1 →2 →4 单对角线通风阻力可知，当Q1＞0 和Q3＞0 时，公式（1）、（2）成立。

复杂对角通风系统主要包含两个或多个对角分支。根据复杂对角通风系统包含的对角分支，结合节点合并原理和矿井通风稳定性实际需要，对矿井通风过程中一些距离短、阻力小的节点进行合并。复杂对角通风系统简化主要分为3 步：1）认真分析对角通风系统和各个支路的气流方向；2）根据实际矿井生产需求找出气流流向不合理的支路；3）对系统进行调整和优化。

2 对角通风系统优化

图2 和图3 为原通风系统简化示意图和优化后通风系统简化示意图。复杂对角通风系统可根据节点数量和支路气流不同分为不同的等级，等级不同，复杂对角通风系统气流稳定性不同。复杂对角通风系统节点和支路主要由主井、副井、煤仓、物料运输巷道等组成。由图2 可知，改变支路的空气阻力会影响对角通风系统的气流方向，造成气流不稳定，影响通风效果。

图2 原通风系统简化示意图

图3 优化后通风系统简化示意图

如图3 所示，矿井通风系统需要不断进行改造和优化，通过合并减少较短或距离较近的节点进行优化通风系统。将图2 中的节点10 与节点11 合并为图3 的节点11，减少节点数量，改变复杂对角通风系统节点数量，将矿井通风系统分为两个简单的对角通风系统。第一个对角线由物料运输巷道、通风巷道组成，另一个对角线由主井、副井和其他巷道组成。

沿着对角通风回路对气流和风量进行了多次测量。根据式（1）、（2）、图3，计算局部对角通风系统（节点12、节点7、节点11）总空气阻力方法如下：

式中：Qd是对角连接系统中的气流，m3/s。

当判别系数K＞1，将气流方向改为反方向，节点12 到节点11。气流反向的原因是局部对角通风系统风阻很高，而平行巷道风阻较低。

根据润东煤业现有通风系统情况，提出了矿井气流稳定性与通风系统优化多种应对措施。安装空气调节器是为了增加巷道中的空气阻力。如果巷道空气阻力增加，平行巷道（图3 中的节点11、节点7）空气阻力也会增加。为解决高风阻（图3 中的节点4、节点7）和降低风速超限（图3 中的节点6、节点7）问题，需要将空气阻力（图3 中的节点4、节点7）的大小进行调节，同时也调节了对角线空气阻力的大小（图3 中的节点12、节点7）。

图4 为优化巷道通风系统简化模型。当判别系数K 小于1 时，巷道通风系统优化后，主井的气流方向从节点12 到节点11 方向进行。此时可以解决巷道通风系统中气流反向的问题，从而减少了巷道（图4 中节点11、节点7）的积风，降低了风阻，有效解决了巷道（图4 中节点4、节点7）风速超值问题。优化通风系统后，巷道风速由11.6 m/s 降至6.1 m/s。

图4 优化巷道通风系统简化模型

3 最佳改善方案

3.1 改善措施

对润东煤业矿井现有通风系统进行分析，从通风线路、通风网络布置等方面进行优化，主要包括以下改进措施：1）将两台功率为11 kW 的风力机改为两台功率合计为21 kW 的风力机，以增加巷道通风功率。2）将直径为300 mm 的风管更换为直径为500 mm 的刚性风管，以减少风阻力。3）将通往单头开挖工作面的风管改为直径为300 mm的风管。用刚性材料制成的风管减少了气流的通风阻力。4）封闭井下通风系统废弃巷道，解决原通风系统井下气流短路、新风损失的问题。5）在工作面断面中部，增加串联的11 kW 轴向风机，在调节风扇功率时，必须保证进风扇功率小于出风扇功率。6）在井下通风系统中增加风门等通风结构，合理调整井下风量的走向，按需求在不同工作面上分配风量。

3.2 效果分析

采用比较分析法对工作面环境的温度和湿度进行了分析，图5 所示为21150 工作面不同监测点的温度和湿度效果。工作面通风系统未优化前的最高温度为38 ℃，优化后最高温度为30 ℃，温度降低了8 ℃。通风系统未优化前，21150 工作面的相对湿度高达97%，优化后相对湿度为85%，相对湿度下降了12%左右。

图5 优化前后温度湿度对比分析

4 结论

1）为了提高润东煤业矿井气流稳定性和矿井安全生产要求，不断优化对角通风系统，对具有多层复杂对角通风系统的巷道、工作面通风系统存在问题进行了全面分析，并提出了一系列优化方案。

2）通过对角通风系统节点的合并和通风系统的优化，解决了矿井工作面气流反向和风速超值问题，改变了通风回路的阻力，为井下巷道和工作面提供了足够的通风。

3）工作面未优化前的最高温度为38 ℃，优化后温度为30 ℃，温度降低达到了8 ℃。在通风系统未优化前，相对湿度高达97%，优化后相对湿度为85%，相对湿度下降了12%左右。