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★ 煤矿安全 ★

衰老矿井服务后期通风系统优化研究

王海波1 桑 聪2,3 郝晋辉1 周锦文1 李 伟2,3 刘彦青2,3

(1.山西汾西矿业集团有限责任公司双柳煤矿,山西省吕梁市,033300;2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013)

摘 要 为掌握衰老矿井服务后期通风系统现状及存在的问题,结合矿井通风系统实际确定了2条通风阻力测试路线,以精密气压计基点法对矿井中央风井系统和东风井系统进行了通风阻力测定。矿井2个回风井系统通风阻力均较大,通风阻力较大的原因是中央风井系统回风区及东风井系统的用风区和回风区巷道有效通风断面较小且巷道风速较大。根据通风系统存在的问题制定了对中央风井系统和东风井系统回风区巷道修复断面的优化降阻方案。利用三维矿井通风智能分析系统VentAnaly对矿井通风系统优化方案进行模拟,确定优化方案切实可行。矿井进行通风系统优化后,中央风井系统和东风井系统通风阻力大幅降低,且地面主通风机风量有所增加,矿井通风系统实际优化效果与软件模拟相比误差较小。

关键词 通风系统 阻力分布 优化降阻 方案模拟

矿井通风系统是煤矿六大生产系统之一,安全稳定的通风系统是煤矿安全生产的基础[1]。就一般矿井而言,随着矿井采掘范围的不断扩大及井下巷道在矿压作用下的变形,矿井的通风阻力会随着矿井服务年限的增长而呈增加的趋势[2],尤其对于生产后期的衰老矿井而言,更是如此。服务后期的衰老矿井通风阻力往往较大,矿井通风阻力增加会导致矿井通风成本提升,导致矿井经济效益下降。此外,矿井通风系统不合理还会影响矿井的抗灾变能力,如若矿井发生事故,将会给矿井造成较大的经济损失甚至是人员伤亡[3]。因此,高效、合理的通风系统是矿井安全生产和提升效益的基础。矿井通风系统优化,就是使矿井通风系统变得更加高效、稳定运行[4-6]

矿井通风系统优化问题归结起来主要包含矿井通风系统降阻优化、矿井通风网络优化、通风系统调节设施优化、矿井通风系统可靠性优化及主通风机工况优化[7-10]

1 矿井概况

白坪矿井位于河南省登封煤田西部,东与新登井田相邻,西与新新井田接壤。矿井开拓方式为斜井-立井混合开拓,生产能力180万ta。通风方法为抽出式,通风方式为分区式,井筒数目4个,主斜井、副立井进风,中央风井、东风井回风。中央风井安装2台FBCDZ-8-№25型主通风机,1台工作1台备用;东风井安装2台FBCDZ№28型主通风机,1台工作1台备用。矿井采煤工作面采用U通风方式;掘进工作面采用局部压入式通风方式。

中央风井主要担负11采区、21采区的通风任务,东风井担负13采区和23采区的通风任务。矿井4个采区通风难易程度由低到高依次为11采区、21采区、13采区、23采区。11采区已经回采结束,21采区正在回采最后一个工作面,13采区剩余2个回采工作面,之后将转入23采区进行回采。矿井剩余资源主要集中在通风最为困难的23采区,因此,矿井属服务后期的衰老矿井。

2 矿井通风阻力测定与分析

2.1 矿井通风阻力测定方法

矿井通风阻力测定是矿井通风管理中一项重要工作。《煤矿安全规程》规定:新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定,以后每3年至少测定1次。生产矿井转入新水平生产、改变一翼或者全矿井通风系统后,必须重新进行矿井通风阻力测定。通风阻力测定是掌握矿井通风难易程度、了解矿井通风阻力分布情况的主要手段[11]

矿井通风阻力测定方法主要有压差计法和气压计法,其中气压计法又分为基点法和逐点法。3种方法中,压差计法和基点法相对较为常用。

压差计法主要是通过在井下铺设一定长度(200 m左右)的胶皮管,通过压差计测量胶管两端的全压差来计算此段通风阻力,逐段累加即可得到矿井通风总阻力。压差计法计算测段阻力:

(1)

式中:hf——测段通风阻力,Pa;

hre——压差计读值,mm;

C——压差计精度校正系数;

δ——酒精比重,取0.81 g/cm3

ρ1ρ2——井巷测段始、末点密度,kg/m3

V1V2——井巷测段始、末点风速,m/s。

基点法是将1台精密气压计放置在井口基点处,监测地面大气的波动,1台精密气压计对井下预先布置好的测点进行逐点静压测量,结合测点标高及井下节点空气密度来计算测点间的通风阻力。基点法计算测段阻力:

(2)

式中:k′、k″——气压计(I、II)的校正系数;

气压计(I)在测点的读数,Pa;

气压计(II)在测点的读数,Pa;

ρ1-2——测点1、2空气密度的平均值,kg/m3

z1z2——测点1、2的标高,m。

本次矿井通风阻力测定采用基点法进行测试。结合矿井通风系统实际与井下采掘现状,分别选取了21采区的21041工作面和13采区的13071工作面所在的通风线路为中央风井和东风井测试线路。矿井通风阻力测定测试路线分别如下:

中央风井系统测试路线:副井→-175 m水平轨道石门→21采区上部车场→21采区胶带下山→21071下巷道→21071工作面→21071上巷道→21071回风联巷→21采区回风下山→回风联巷→21采区专回→中央风井总回风巷→中央风井;

东风井系统测试路线:副井→-175 m并联进风大巷→井底联巷→东翼轨道大巷→13采区车场→13采区轨道下山→13071下巷道→13071工作面→13071上巷道→13采区回风上山→东翼回风大巷→东风井。

2.2 矿井通风阻力测定结果及分析

经过矿井通风阻力测定,得到中央风井风量为5066 m3/min,通风阻力为3867 Pa;东风井风量为9362 m3/min,通风阻力为3182 Pa。矿井东风井系统和中央风井系统通风阻力较大,而主中央风井系统主通风机能力较小,存在21采区风量紧张的问题。

矿井中央风井系统进风段、用风段和回风段的通风距离百分比为23.83%∶34.29%∶41.89%,通风阻力百分比为11.29%∶12.84%∶75.87%,中央风井系统三区阻力分布如图1所示。矿井东风井系统进风段、用风段和回风段的通风距离百分比为46.29%∶37.30%∶16.41%,通风阻力百分比为37.96%∶34.15%∶27.89%,东风井系统三区阻力分布如图2所示。

图1 中央风井系统三区阻力分布

图2 东风井系统三区阻力分布

由图1可以看出,中央风井系统进风区和用风区阻力较为合理,回风区通风阻力较大,占矿井通风总阻力的75.87%;结合图2及矿井实际可以看出,东风井进风路线较长,导致进风区阻力较大,回风区阻力比例明显大于回风区长度比例,回风区阻力偏大。

通过矿井通风阻力测定发现中央风井总回风巷、东风井回风大巷及11采区和13采区回风巷阻力风量较大且断面相对较小,巷道阻力较大,此情况与中央风井及东风井系统回风区阻力比例较大相符;因此中央风井总回风巷、东风井回风大巷及11采区和13采区回风巷应为矿井降阻的重点。

3 矿井通风系统建模与优化改造分析

3.1 三维矿井通风智能分析系统建模

矿井通风系统复杂,矿井通风系统的网络分风已很少采用手工网络解算,当前煤炭科学技术研究院有限公司的VentAnaly能较好地实现矿井通风网络解算功能。在矿井通风系统优化方案实施前,首先建立当前矿井三维通风模型,调整三维模型与矿井通风系统一致,然后结合通风系统优化方案,模拟优化改造后的矿井通风系统;由此预判矿井通风系统优化改造效果,并且能够发现矿井通风系统优化方案中存在的不足,以便对通风系统优化改造方案加以改进完善。

通过VentAnaly软件建立三维矿井通风智能分析系统,调整各井筒与井下主要巷道风量和通风阻力基本一致,最大误差不超过5%。三维矿井智能分析模型调试完毕后,矿井井筒模拟风量、阻力与实测数据误差如表1所示。

由表1可以看出,调整后的三维矿井通风智能分析系统模拟井筒风量与实测风量相比最大误差为1.72%,三维智能分析系统模拟通风阻力与矿井实测阻力相比最大误差为0.09%,三维矿井智能分析系统能够真实反应矿井实际状况。满足项目优化方案模拟需求。

1 矿井各井筒实测风量、阻力与三维矿井通风智能分析系统模拟误差对比

序号井筒风量实测值/(m3·min-1)软件模拟值/(m3·min-1)相对误差/%阻力实测值/Pa软件模拟值/Pa相对误差/%1主斜井572057901.222副立井839685401.723中央风井50665050-0.3238673865-0.054东风井936293800.19318231840.09

3.2 通风系统优化改造方案

矿井通风系统优化方案由优化措施一(中央风井系统回风区降阻)和优化措施二(东风井系统回风区降阻)两项措施组成。

(1)优化措施一:中央风井系统回风区降阻。将矿井11采区回风上山及中央风井总回风巷进行拉底修复,将巷道修复至宽度4.6 m,高度3.5 m。

(2)优化措施二:东风井系统回风区降阻。将13采区回风上山修复至巷道宽度为4.5 m、高度为3.5 m;将23采区专用回风巷修复至巷道宽度5.5 m、高度为3.5 m;将东翼回风大巷和东翼并联回风巷修复至巷道宽度5.2 m、高度4.5 m。

3.3 方案模拟

在矿井三维矿井通风模型中,根据制定的矿井通风系统优化措施,调整11采区回风上山、中央风井总回风巷、13采区回风上山、23采区专用回风巷、东翼回风大巷和东翼并联回风大巷断面调整至优化方案设计断面,然后进行矿井通风网络解算。

通过矿井三维智能分析系统模拟,在矿井优化改造后,模拟中央风井风量由5066 m3/min增加至5562 m3/min,通风阻力由3867 Pa降低至2418 Pa;模拟东风井风量由9632 m3/min增加至10295 m3/min,东风井系统总阻力将由3182 Pa降至2485 Pa。优化前后中央风井和东风井系统测试线路上主要节点阻力变化趋势如图3和图4所示。

图3 中央风井系统测试路线阻力变化

图4 东风井系统测试路线阻力变化

3.4 矿井通风系统优化改造结果

2018年6-10月,矿井按照优化改造方案先后优化了中央风井系统和东风井系统的回风巷道。通风系统优化改造工作完成后,中央风井系统风量由5066 m3/min增加至5712 m3/min,通风阻力由3867 Pa降低至2287 Pa。调整后通过VentAnaly三维智能分析软件模拟中央风井系统风量和阻力分别为5562 m3/min和2418 Pa。矿井通风系统优化改造完成后,中央风井系统实际改造结果与VentAnaly三维智能分析软件模拟结果误差分别为2.70%和5.73%。

东风井系统风量由9362 m3/min增加至10684 m3/min,通风阻力由3182 Pa降低至2534 Pa。调整后通过VentAnaly三维智能分析软件模拟东风井系统风量和阻力分别为10295 m3/min和2485 Pa。矿井通风系统优化改造完成后,东风井系统实际改造结果与VentAnaly三维智能分析软件模拟结果误差分别为3.64%和1.93%。

矿井通风系统优化改造后,中央风井地面主通风机效率由64%提升至75%,东风井地面主通风机效率由67%提升为71%。矿井通风系统优化达到了预期效果。

4 结论

(1)通过矿井通风阻力测定,掌握了衰老矿井通风系统现状,发现矿井中央风井系统和东风井系统通风阻力较大,其主要原因是用风区及回风区巷道断面较小造成阻力较大。

(2)结合矿井通风系统实际存在问题,提出了优化方案。通过三维矿井智能分析系统对通风系统优化方案进行模拟,验证了矿井通风系统优化方案的可行性。

(3)通过矿井通风系统优化改造后,中央风井系统风量增加了646 m3/min,阻力降低了1580 Pa,东风井系统风量增加了1322 m3/min,阻力降低了622 Pa。通过通风系统优化改造,极大降低了矿井通风阻力,并且提高了矿井地面主通风机效率,降低了矿井通风成本。

参考文献:

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Study on the optimization of ventilation system in the later period of aging mine service

Wang Haibo1, Sang Cong2,3, Hao Jinhui1, Zhou Jinwen1, Li Wei2,3, Liu Yanqing2,3

(1 .Shuangliu Coal Mine, Shanxi Fenxi Mining Group, Lvliang, Shanxi 033300, China; 2. Mine Safety Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 3. National Key Lab of Coal Mining and Clean Utilization, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Abstract In order to master the current situation and problems of ventilation system in the later period of aging mine service. 2 ventilation resistance test routes were selected according to the actual situation of the mine ventilation system. The ventilation resistance of the Central return air shaft system and the East return air shaft system is measured by the barometer base point method. The ventilation resistance of two return air shaft systems is large. The return air area of the central return air shaft and the return air area and the using air area of the east return air shaft are small, resulting in large ventilation resistance, and the roadway wind speed is high. According to the problems existing in the ventilation system, the section optimization scheme of increasing the return air roadway of central return air shaft and east return air shaft is selected. The optimization scheme is simulated by the mine intelligent analysis system, and the scheme is feasible. After the optimization of ventilation system in the mine, the ventilation resistance of the central return air shaft system and the east return air shaft system is greatly reduced, and the air volume is increased. Compared with software simulation, the error of resistance after ventilation system optimization is small.

Key words ventilation system, resistance distribution, optimized resistance reduction, scheme simulation

中图分类号 TD722

文献标识码 A

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引用格式:王海波,桑聪,郝晋辉,等. 衰老矿井服务后期通风系统优化研究[J].中国煤炭,2020,46(10)∶55-59. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.10. 009

Wang Haibo,Sang Cong, Hao Jinhui , et al. Study on the optimization of ventilation system in the later period of aging mine service[J].China Coal, 2020,46(10)∶55-59. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.10. 009

基金项目:中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2018-TD-ZD002),“十三五”国家科技重大专项资助项目(2016ZX05067-001-002)

作者简介:王海波(1980-),男,山西运城人,高级工程师,毕业于太原理工大学,硕士研究生学历,现任山西汾西矿业(集团)有限责任公司双柳煤矿总工程师。E-mail:18612195259@163.com。

(责任编辑 张艳华)