多风机联合运转相互扰动问题分析及研究

张文青,李 雷,杜 可,焦小建

(1.山西长平煤业有限责任公司, 山西 高平 048411;2.河南理工大学, 河南 焦作 454003;3.河南理工产业技术研究院有限公司, 河南 焦作 454003;4.山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司, 山西 晋城 048004)

煤炭开采过程中通风是必须的,通风系统不稳定、可靠性偏低时,往往会引发粉尘、瓦斯、火灾等事故。分析通风系统的稳定和可靠性时必然涉及到通风阻力、通风网络和风机扰动等问题[1]. 对此众多学者展开了一系列的研究,并取得了一定的成果。朱永强[2]对比了不同风机联合运转方式的优劣性,结合矿井实际条件确定了矿井多风机运转时的最佳通风网络,以通风量为考核标准确定了最佳通风路线;崔素宾[3]通过对多风井、复杂结构的通风网络的研究,根据通风机性能曲线,对通风动力与通风阻力的匹配以及多风井风机协同作业进行了优化,实现了多风机联合高效运转;张景钢等[4]针对多风机联合运转时的互相干扰问题,提出了划定公共风路原则,通过对矿井多风机联合运转时公共风路占总风阻比例对通风系统影响的定性分析,并通过风网解算,确定公共风路过长为多风机联合运转相互干扰主因;梁军[5]采用计算多风机运行工况点的方法,判定矿井通风串并联运行是否有效,研发了矿井通风机联合运转工况分析系统;李丽等[6]通过反风分析了多风井不同能力风机联合运转时不同反风顺序对矿井通风参数的影响和通风网络的改变情况。

长平煤业在多个盘区开采,布置多个通风机并行运转,风机的相互扰动问题突出,因此,借鉴上述研究成果,对扰动状况进行分析并对通风系统提出改进措施,以保证矿井通风安全。

1 工程概况及问题

1.1 工程概况

山西长平煤业有限责任公司位于山西省高平市寺庄镇境内,井田长8.91 km,宽6.49 km,面积为43.51 km2,批准开采3号煤层,开采深度为标高300～680 m. 矿井现生产盘区有二盘区、四盘区、五盘区、六盘区,采用多风井分区式通风,机械抽出式通风方法,全矿共有井筒12座,进风井8座,回风井4座,各回风立井风机参数见表1.

表1 各回风井风机参数

1.2 存在问题

长平煤业开采过程中通风系统存在以下问题:

1) 芦家峪风井所负担区域工作面过于集中,通风管理困难,系统稳定、抗灾能力降低。

2) 根据《煤矿井工开采通风技术条件》(AQ 1028—2006)所规定“矿井通风系统风量10 000～20 000 m3/min,系统通风阻力<2 940 Pa;矿井通风系统风量>20 000 m3/min,系统通风阻力<3 920 Pa”,釜山主扇风量负压值处于限定交界值。釜山主扇理论上虽有上调风机角度增加风量的可能,但上调角度后风机负压、功率也相应增加,风机房现有线路难以承受电流增加。后期,随着安家主要通风机的投入运转,出现五六盘区风流紊乱,五盘区底部岩石底抽巷供风量不足,风流不稳定等问题。

2 井下风网扰动理论分析

2.1 理论基础

1) 多台主要通风机并联通风网络最优风量分配。

当矿井在不同井口采用多台主要通风机并联工作时,0段风阻为R0,风量Q0,主要通风机Ⅰ、Ⅱ…,N分支风路的风阻分别为R1、R2…Rn,风量为Q1、Q2…Qn.图1为不同井口采用n台主要通风机并联工作时的状态,各主要通风机工作系统风压损失:

(1)

图1 n台通风机并联工作

各主要通风机工作系统所需功率为:

(2)

对式(2)各主要通风机风量求偏导,取其一阶偏导等于0:

(3)

由方程组(3)可得,多台主要通风机并联工作时,最小功率的条件式:

(4)

即:

h1=h2=…=hn

(5)

上式表明,多台主要通风机并联工作时,各主要通风机工作风路的风压相等是最佳的分风方案。各并联分路风压相等是自然分风的规律,因此,最佳分风方案就是按自然分风的规律。在自然分风条件下,各主要通风机的风量与各风路的风阻状况相匹配,充分发挥了各风路的排风能力,减少了因按需分风而产生的附加能量损失。因此,实践中,凡是各主要通风机的排风量可以相互调配的情况下,应使各主要通风机的排风量等于并联网路的自然分风量。

2) 多台主要通风机并联通风网络最优风阻配比。

在多台主要通风机通风系统设计时,各风路的排风量按该风路所负担的各作业面需风量确定,而各排风风路的风阻是可以变动的。因此,各排风风路之间存在一个最优的风阻配比关系,这个关系可由各并联风路风压相等的原则引出,即:

(6)

式中:Ri、Rj分别为并联风路的风阻;Qi、Qj分别为并联风路的风量。

对于生产矿井,有时各主要通风机的排风风路互不相通,而且各风路的风量按生产要求已经确定,不能满足自然分风条件。此时,应考虑对风阻较大风路降阻,使得回风路风压相等或尽量相等。

2.2 各主要通风机扰动情况

矿井生产中时常出现各主要通风机工作风路中风压不等的情况,对此判定由按需分风造成附加能量损失的多少可用附加耗能系数表征,即按需分风时全系统的总能耗与按自然分风时全系统最小能耗之差与全系统最小能耗的比例,以Kb表示,则:

(7)

式中:∑Ni为按需分风时全系统总功率,kW;∑Nm为按自然分风时全系统的总功率,kW.

Kb值越大,附加能耗越大。这是各主要通风机排风量与各风路风阻状况不相适应的一种表现。

长平主扇负压2 080 Pa、风量6 599 m3/min;釜山主扇负压2 710 Pa、风量17 079 m3/min;芦家峪主扇负压2 957 Pa;安家主扇负压1 800 Pa,风量12 624 m3/min,由于正处于低效率运行,暂不考虑。按照式(7)分别计算回风井风机之间的相互扰动情况:

长平主要通风机与釜山主要通风机扰动情况:

釜山主要通风机与芦家峪主要通风机扰动情况:

芦家峪主要通风机与安家主要通风机扰动情况:

釜山主要通风机与安家主要通风机扰动情况:

由计算可知,长平主要通风机与釜山主要通风机相互扰动较大,安家风井投运后对原芦家峪主要通风机和釜山主要通风机影响较大,应减少公共段的风阻值。

2.3 通风机扰动引起问题分析

1) 风门等调、控风设施过多且安设位置不科学;风门的设置主要是为了避免矿井风流短路,另外具有阻隔风流、改变风向、调整风量和稳定通风系统的作用,同时保证车辆和人员的正常通行。因此,风门在通风系统中常被认为断路或风阻极大,予以忽略。长平煤业现采盘区除六盘区外,二、四、五盘区的主要进风段和回风段均安设有风门。

2) 有效风量率低、漏风量严重,构筑物工程质量差;在全矿井通风系统普查中,两风门间压差很少达到200 Pa以上,有的甚至不足10 Pa. 矿井内部有效风量率应不低于85%,但长平回风井有效风量率为62%,芦家峪区域为63%,釜山风井所担负区域仅为50%,3个主要回风井有效风量率明显偏低。

3) 全矿井未做到分区式通风,区域风量调节困难;对此在二盘区与四盘区主斜井井底车场绕道周边修建7组风门,见图2,基本做到了二盘区由杨家庄进风立眼、长平进风立井、二盘区进风立眼配风、长平回风立井回风,将主、副斜井调整为四盘区进风使用。但受新上仓斜巷主运输巷、斜井底辅运输巷等因素影响,风门等构筑物隔断不彻底,漏风量较大,造成二、四盘区仍有共用风流现象。

图2 二、四盘区分区工程示意

如图3、图4所示,四、五、六盘区用风段、回风段已完全独立,但进风段有近5 000 m的公共段。主、副斜井,釜山进风立井区既为四盘区供风17 000 m3/min,为五盘区供风4 500 m3/min,又为六盘区供风500 m3/min;芦家峪进风立井为五盘区供风22 000 m3/min,也为六盘区供风近4 000 m3/min.

图3 四、五盘区公共进风段

图4 五、六盘区公共进风段

3 通风调整方案及效果

在通风系统中,无论是某条风路还是某台主要通风机的参数有所改变,不但影响自身的其它参数有所变化,而且在系统内所有的风路、主要通风机的参数均会变化,仅是变化程度的区别,强调整体效应尤为重要。

1) 调整4310集中回风巷由芦家峪风井承担。如图5所示,现4310集中进风不做调整,将4310集中回风巷与第一回风大巷相交处的密闭拆除,西面现底抽巷联络巷与第一回风大巷相交处增设密闭。

图5 顶板变形量监测结果

图5 4310通风系统调整示意

2) 43222巷为四盘区边界进风巷道,同时也为五盘区北翼泄水巷,其进风通过巷道后直接进入四盘区回风二巷,最终汇入釜山回风立井,盘区回风压力大。目前,四盘区北翼仅剩余4322工作面,故调整43222巷为回风巷,调整四盘区北翼回风二巷为进风巷,通过外部调风设施,控制四盘区北翼回风二巷进风量不大于1 200 m3/min,风速不大于1 m/s. 4322工作面的回风由原来的釜山回风立井变更为就近的芦家峪回风井,减少了过长的回风路线。

3) 调整4322工作面进风方式。由现在的43221巷进风、43212巷回风的“U型”通风方式调整为43212巷主进风、43221巷辅助进风、43222巷与43221巷之间横穿(工作前方)和43222巷回风的近似“Y型”通风方式。调整通风方式后,43212巷主进风量3 850 m3/min,风速2.84 m/s;43221巷辅助进风量1 050 m3/min,风速1.17 m/s;43222巷最大回风量6 100 m3/min,风速3.94 m/s.

通风系统调整后,均衡了芦家峪、釜山主扇的服务范围与通风能力,解决了四盘区北翼回风一巷(正掘进)由于断面过小而造成回风能力受限的问题。

4 结 语

通过对长平煤业多井口各主要通风机并行作业互相扰动理论分析得出以下结论:

1) 通过井下风网扰动理论,确定了长平煤矿4个风井风机的相互扰动情况:长平主要通风机与釜山主要通风机扰动率为0.303;釜山主要通风机与芦家峪主要通风机扰动率为0.091;芦家峪主要通风机与安家主要通风机扰动率为0.643;釜山主要通风机与安家主要通风机扰动率为0.506.安家风井通风机对原芦家峪主要通风机和釜山主要通风机影响较大,应减少公共段的风阻值。

2) 长平煤业各井口因风机扰动,造成通风系统在风量调节过程中存在通风构筑物设置不科学、通风构筑物质量差、区域调节困难等问题,提出了拆除多余通风构筑物、密闭不用巷道,调整工作面部分巷道通风方式、回风路线等措施。

3) 通过将四盘区4310集中回风巷由釜山回风井回风调整到由芦家峪回风井回风的方式,解决了釜山回风井负压超限、通风能力不足等问题;通过将43222巷调整为回风,将四盘区北翼回风二巷调整为进风,将4322工作面由“U”型调整为近“Y”型的通风方式,均衡了芦家峪、釜山主扇的服务范围与通风能力,解决了四盘区北翼回风一巷(正掘进)由于断面过小而造成回风能力受限的问题。