东滩煤矿西风井通风系统改造优化设计及应用

丰云雷

（山东兖矿设计咨询有限公司，山东 邹城 273500）

0 引 言

东滩煤矿采用立井多水平开拓，两翼对角抽出式通风，副井进风，主井辅助进风，西风井、北风井回风。矿井于2018 年对北风井通风系统进行了改造，更换为2 台ANN-2650/1250C 型通风机，主要担负一采区、三采区、部分十四采区以及将来五、七采区回风。西风井目前仍使用1988 年安装的2 台HDR280-69 型轴流式主要通风机，主要担负四采区、六采区及部分十四采区回风。

1 矿井西风井通风系统改造的必要性

1）主要通风机及附属设施已老化，安全性能下降。西风井装备2 套HDR280-69 型动叶可调式轴流风机，自1988 年安装至今已连续运行30 余年。长期使用致使风机及附属设施出现老化，机械磨损严重，风机运行性能差，能耗高，通风安全性能降低。

2）主要通风机控制系统无法实现集控。主要通风机控制系统于1997 年进行改造，采用欧姆龙PLC进行程序控制，无模拟量模块、通讯模块、总线接口等，无法实现集控，且升级改造工程量大、耗时长，期间单风机运行，存在安全隐患。

3）主要通风机运行效率偏低，不满足节能要求。主要通风机虽能满足目前矿井接续生产用风要求，但风机运行效率偏低且不满足现行节能规范的要求。

2 矿井风量及阻力计算

2.1 矿井生产接续规划

东滩煤矿-660 m 水平共划分为8 个采区，即西翼四采区，北翼十四采区，南翼六、八采区，东翼一、三、五、七采区。目前，矿井生产采区为三、六、十四采区，其中十四采区即将回采结束。十四采区回采结束后，东翼五、七采区接续生产，届时三、五、六、七采区将成为矿井后续主要生产采区。根据矿井生产接续规划，矿井生产将长期保持2～3 个采煤工作面同时生产的格局，并配8～9 个掘进工作面。

2.2 矿井通风时期的划分

西风井主要服务于矿井四采区（扩大区）、六采区、十四采区（扩大），按生产接续可划分2 个时期。

1）六采区和十四采区同采时期。该时期西风井主要服务六采区和十四采区生产，六采区布置1 个综采工作面、4 个掘进工作面，十四采区布置1 个综放工作面。

2）四、六、八采区仅一个工作面回采时期。该十四采区已基本回采完毕，西风井主要服务四采区、六采区、八采区生产。3 个采区之间交替生产，仅布置为1 个采煤工作面生产和3～4 个掘进工作面。

经分析，六采区和十四采区同采时期，2 个工作面集中在西风井服务范围内，西风井通风风量大，通风距离较长。经比较，十四采区14320 综放工作面和63上06 综采工作面同时生产时期为西风井通风困难时期，届时生产布局为六采区、十四采区各布置1个采煤工作面，4 个掘进工作面全部集中在六采区，负责工作面顺槽及联络巷掘进工作。

四、六、八采区仅一个工作面回采时期，西风井仅服务一个采煤工作面，风量较小，通风距离较近。经比较，六采区63上02 工作面生产时期为西风井通风容易时期，届时六采区布置1 个采煤工作面和3个掘进工作面，3 个掘进工作面中2 个负责顺槽掘进工作，1 个负责下山开拓延伸工作。

2.3 矿井风量计算

根据《煤矿安全规程》、《煤矿矿井风量计算方法》（MT/T 634-2019）等规定，西风井通风容易时期及困难时期总风量及分配详见表1。

表1 西风井各时期总风量及其分配表

2.4 矿井通风阻力计算

1）通风容易时期以回采63上02 工作面为路线进行摩擦阻力计算，通风路线如下：

地面→副井→井底车场→西翼轨道大巷→南翼轨道大巷→南翼辅运下山→63上02 辅运顺槽→63上02 工作面→63上02 胶运顺槽→南翼回风巷→南翼总回风巷→西翼总回风巷→西风井→地面。

2）通风困难时期以回采63上06 工作面为路线进行摩擦阻力计算，通风路线如下：

地面→副井→井底车场→西翼轨道大巷→南翼轨道大巷→南翼辅运下山→南翼辅运巷→63上06辅运顺槽→63上06 工作面→63上06 胶运顺槽→南翼回风巷→南翼总回风巷→西翼总回风巷→西风井→地面。

3）局部通风阻力按摩擦阻力的10%计算。

根据矿井开拓布局和生产接续，矿井西风井通风阻力按通风容易时期、通风困难时期最大通风路线分别进行计算。利用下式计算摩擦阻力：

式中：H为摩擦阻力，Pa；A为摩擦阻力系数，N·s2/m4；L为井巷长度，m；U为井巷净周长，m；Q为通过井巷的风量，m3/s；S为井巷净断面，m2。

经计算，西风井通风容易时期、困难时期的风量、负压见表2。

表2 西风井各时期通风参数表

2.5 原有主要通风设备校核

西风井原有主要通风机房安装 2 台HDR280-69 型动叶可调式轴流风机，电机型号为PA100G90-70/6，功率为1 300 kW 同步电动机，转速1 000 r/min，叶轮直径2.8 m，1 台运转，1 台备用。

根据西风井不同时期通风风量、负压对原有2台HDR280-69 型风井进行校核，其结果详见表3。“通风困难时期”和“通风容易时期”西风井主要通风机满足生产所需风量和负压满足矿井生产通风的要求，但效率偏低，不满足目前国家的节能要求。

表3 HDR280-69 型风机工况点参数电动机容量表

3 矿井通风系统改造优化设计

3.1 主要通风机选型

根据国内大型煤矿主要通风机运行情况，目前矿用轴流式主要通风机具有提供大风量、运行效率高的性能，并且轴流式通风机具有反转反风或调整叶片角反风的特点，可节省地面反风道的建设工程，风机安装布置简单，反风调节方便可靠。故设计西风井主要通风机选型为矿用轴流式通风机。设计选用Howden ANN-2650/1250C 型和GAF25-12.5-1(GZ)型风机进行对比。

方案Ⅰ：选用Howden ANN-2650/1250C 型风机2 台，1 台使用，1 台备用。动态调整叶片角度改变风量，采用电动机反转方式进行反风。每台风机配6 kV，990 r/min，1 000 kW 异步电动机1 台，风机与电机直联传动。通风困难时期风机叶片角59°，通风容易时期风机叶片角50°。

方案Ⅱ：选用GAF25-12.5-1（GZ）型风机2 台，1 台使用，1 台备用。动态调整叶片角度改变风量，采用叶片角度反向方式进行反风。每台风机配6 kV，1 000 r/min，1 000 kW 异步电动机1 台，风机与电机直接传动。通风困难时期风机叶片角-1°，通风容易时期风机叶片角-8°。

对上述西风井主要通风机2 个选型方案进行技术、经济比较，具体比选详见表4。方案Ⅰ选用Howden ANN-2650/1250C 型风机相比方案Ⅱ选用GAF25-12.5-1（GZ）型风机，虽投资高，但具有运行可靠、故障率低、高效区域广等优点；另外矿井北风井已更换了2 台HowdenANN-2650/1250C 型风井，配1 000 kW 电机，考虑风机备品备件的通用性，推荐选用方案Ⅰ为主导方案，即选用Howden ANN-2650/1250C 风机2 台，1 台使用，1 台备用。

表4 西风井主要通风机选型方案比选表

3.2 主要通风机房布置

在西风井工业场地内，西风井东侧为原有注浆站及黄土堆，南侧为原井筒施工建筑物，西侧为进入厂区的道路，北侧为现有主要通风机房及地面风硐。西风井工业场地内现有建、构筑物情况详见图1。

图1 改造前西风井工业场地布置平面图

新选主要通风机设备为轴流式，电机在风机的入风口侧，风机和电机在扩散塔一侧。原有主要通风机和电机在扩散塔的两侧，2 种风机的结构形式和布置形式不一样，不能利用现有主要通风机房，需新建主要通风机房。

西风井工业场地南侧有居民，若主要通风机房及扩散塔等布置在井筒南侧，则噪音对居民影响较大；故设计选择拆除井筒东部注浆站，平整东北侧的部分黄土堆，在西风井东侧新建主要通风机房、风硐、扩散塔等，同时重新规划厂区内道路，未来考虑在西风井南侧重建注浆站。改造后西风井工业场地内建、构筑物情况详见图2。

图2 改造后西风井工业场地布置平面图

3.3 新、旧主要通风机运行切换

1）对现有锁口改造。因新建地面风硐，现有锁口无法满足使用要求，需对现有锁口进行改造。现有锁口内径6.0 m，壁厚0.8 m，设计在现锁口外侧新建圆形锁口内径7.5 m，高6.0 m，壁厚0.8 m。新锁口设防爆盖，防爆盖采用自动压紧装置。

2）新、旧风机切换。新换主要通风机安装测试完毕后，封堵原有旧风硐（距风井不超过6 m 以免形成盲巷），起吊原有风井防爆盖，并贯通新风硐，启动新风机完成切换。该矿西风井新、旧主要通风机切换用时约8～10 h。

4 运行效果检验

目前，东滩煤矿西风井通风系统现场已改造完毕，主要通风机整体运行状态良好，风机运行期间体积流量151.25 m3/s，负压2 184.81 Pa，满足井下采掘工作面等用风要求。西风井主要通风机采用智能化系统和新型节能技术，在井下通风动力不停止状态下，2 台主要通风机可实现自动切换，同时可对主要通风机运行特性参数自动在线监测、故障诊断和远程自动化管理，已达到无人值守的标准。

西风井更换为大能力高效率的主要通风机后，提高了矿井通风系统的稳定性和可靠性，改善了井下作业环境得，提高了矿井抗灾能力，为矿井安全高效生产奠定了坚实的基础。