煤矿矿井通风系统优化策略探讨.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 在煤矿井下开采过程中，矿井通风系统的正常高 效运行十分重要。矿井通风系统的主要功能是调节煤 矿井下空气，排出井下的有毒有害气体，保证工人正 常的生命活动。在矿井投产的初期，通风系统处于最 佳运行状态，但是随着开采的进行，井下通风面积增 加，使矿井通风系统的运行状态恶化。因此，必须采 取措施对矿井的通风系统进行优化。优化矿井通风系 统的目的有两个a 保证通风系统的安全运行；b 使 通风系统的运行处于效率最高的状态，满足节能的要 求[1-2]。矿井通风系统主要由通风机和通风网络两部分 组成。由于矿井通风机的耗电量要占到矿井生产运行 所需电量的 50左右，因此必须使通风机处于最佳运 行状态，从而减少电能的浪费，降低生产成本。下面 将围绕通风机和通风网络的运行状态优化展开论述。 1矿井通风系统运行状态影响因素分析 矿井通风系统的运行状态是由矿井通风机和通风 网络的运行状态决定的。在优化时，要考虑通风机的 运行工况和通风网络的复杂程度。 1.1矿井通风机运行状态影响因素分析 主通风机是矿井通风系统的主要动力来源，其主 要目的是使井下各个位置的风量满足生产需要。在通 风机运行时，不仅要满足风量的需要，还要满足经济 的需要，即通风机的效率一定要高。为了使通风机拥 有较高的效率且满足风量的需要，选择合适的通风机 工况点十分重要。在通风网络一定时，通风机的运行 工况点是由风量决定的，可表示为 HRQ2，1 式1中，H 为通风机工作时的风压，Pa；R 为矿井通风 网络的通风总阻力，N s2/m8；Q 为通风机的风量，m3/s。 矿井通风机的工况点就是通风机风压曲线与机械 特性曲线的交点，如图 1 所示 （ 图中 0.60、0.65 和 0.70 为效率） 。值得注意的是，由于通风机自身的特性，每 个工况点的效率是不同的。为了达到节能的目的，工况 点的效率必须较高。 A、D.风压曲线的上限；B、C.风压曲线的下限。 图 1轴流式通风机工况点与效率的关系曲线图 随着煤矿开采的进行，通风网络变得复杂，通风阻 力增大，导致通风机的工况点发生迁移。在通风机工况 点发生迁移后，通风机的工作效率降低，这会引起电能 的浪费。由于通风机的风压只与通风机的叶片安装角有 关，在矿井通风阻力增大后，通风机提供的风量降低， 不利于矿井的安全生产[3]。 1.2矿井通风网络运行状态影响因素分析 通风网络就是井下各种巷道相互连接组成的通风 收稿日期2020-04-24 作者简介姚明岐，1967年生，男，山西中阳人，2011年毕业于中 国矿业大学 （ 北京 ） 采矿工程专业，工程师。 煤矿矿井通风系统优化策略探讨 姚明岐 （ 山西吕梁中阳桃园鑫隆煤业有限公司，山西 中阳 033400 ） 摘要 在煤矿开采过程中，矿井通风系统是最重要的生产辅助系统。随着开采的进行，矿井通风系统的运行状态会 逐渐变差，不利于煤矿的安全生产。因此，必须定时对矿井通风系统进行优化，从而保证通风系统的可靠性。根据矿井 通风系统中通风机和通风网络运行状态的影响因素，采取了一些优化策略，从而提高矿井通风系统的稳定性。 关键词 煤矿开采；矿井通风系统；系统优化；通风网络 中图分类号 TD724文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0151-02 Discussion on Optimization Strategy of Mine Ventilation System YAO Mingqi Zhongyang Taoyuan Xinlong Coal Industry Co., Ltd. of Lvliang, Shanxi Province, Zhongyang 033400, Shanxi, China Abstract In the process of coal mining, mine ventilation system is the most important production auxiliary system. With the development of mining, the operation state of mine ventilation system will gradually become worse, which is not conducive to the safety of coal mine production. Therefore, it is necessary to optimize the mine ventilation system regularly to ensure the reliability of the ventilation system. According to the influencing factors of fan and ventilation network in mine ventilation system, some optimization strategies were adopted to improve the stability of mine ventilation system. Key words coal mining; mine ventilation system; system optimization; ventilation network （总第 177 期） 技术研究 0.60 0.65 0.70 右 B A D C 左 Q/m3 s-1 上 下 O 151 2020 年第 6 期2020 年 6 月 线路结构，其主要用来进行风量的分配。通风网络的 复杂程度是衡量通风系统性能的重要参考标志，其主 要是由巷道之间的连接方式决定的。为了更加简便地 描述通风网络，采用拓扑图来描述，用箭头、分支以 及编号来表示通风网络的一些特征。常见的通风网络 类型有串联型、并联型和角联型，其中，角联型是串 联型和并联型的组合[4]，如图 2 所示。图 2 中，①表示 通风网络的第一个节点，以此类推，节点代表着不同 巷道的交点；箭头表示风流的流向；线条加数字“1” 表示通风网络的第一条支路，以此类推，一条支路代 表一条巷道。 a 串联型b 并联型c 角联型 图 2常见的通风网络类型 对于串联型通风网络，其通风阻力是由各个支路 的风阻相加而成的，即 RSR1R2RN，2 式2中，RS为通风网络的总阻力，N s2/m8；R1、R2、 RN分别为第一条、第二条以及第 N 条支路的通风阻力， N s2/m8。 对于并联型通风网络而言，其通风阻力要小于任 何一支路的风阻，可以由式3计算 RS 1 1 R1姨 1 R2姨 1 RN姨 蓸蔀 2。 3 但是对于角联型通风网络，其通风阻力不能直接 用公式计算，需要将角联型通风网络转化为并联型或 串联型通风网络再计算。 在煤矿开采过程中，矿井的通风网络处于动态变 化之中，这是由于工作面的位置不断变化，通风线路 也处于变化之中，影响了巷道的长度和连接方式。在 矿井开采初期时，由于巷道的数量较少，矿井通风网 络比较简单；而在后期，通风巷道的数量比较多，连 接方式也比较复杂，导致通风系统运行状况不断恶化， 进而导致局部通风不足，瓦斯浓度过高的情况增加， 瓦斯爆炸的风险也增大。 2矿井通风系统的优化策略 由上述分析可知，应该从调整通风机的工况点和 优化矿井通风网络等方面来对通风系统进行优化。下 面将对采取的具体策略进行分析。 2.1测定矿井通风阻力 由于矿井通风系统是一个庞大的系统，涉及到井 下所有巷道，很难凭肉眼对其运行状态进行准确的判 断。为了能准确地了解矿井通风系统的运行状态，需 要对矿井通风阻力进行测定。通过准确地测定矿井通 风阻力，可以了解通风机工况点运行的好坏以及通风 网络的优劣。通风机工况点是通过通风网络的阻力核 算而得来的，这就要求在核算矿井总通风阻力时力求 准确。为了降低核算的误差，尽量使用计算机来计算 通风阻力。与此同时，可以通过核算通风网络的阻力 了解矿井的局部通风状况，从而为矿井通风网络的优 化提供一定的参考。 在确定矿井通风系统的运行状况后，优化时一定 要先优化矿井的通风网络，然后再调整通风机的工况 点。若先调节通风机的工况点，则很难再对通风网络进 行调整，这是因为调节通风网络后通风阻力也会发生改 变，反过来还是会引起通风机运行工况点发生改变。 2.2优化矿井通风网络 通过测定矿井通风阻力可以发现，有时虽然矿井的 总风量满足安全生产的要求，但是局部风量很难满足要 求。因此，优化矿井通风网络的主要目的是控制巷道的 局部通风阻力。造成巷道局部通风阻力增大的原因是巷 道的通风线路过长、巷道漏风严重以及巷道的涡流。在 调节局部通风阻力时，一定要针对引起局部通风阻力增 大的原因采用相应的调节方法。通常采用的方法有增大 巷道的断面、关闭一些联络巷以及重新开凿风井等。 在调节局部通风阻力后，一定要重新核算矿井的 通风阻力。若局部通风阻力满足要求，则需要对矿井 的通风机工况点进行核算；反之，则需要继续调节局 部通风阻力，直到满足要求为止。 2.3调整通风机的运行工况点 在优化矿井的通风网络后，可以对通风机的运行 工况点进行调节。对于通常采用的轴流式通风机而言， 主要是通过调节风机的叶片安装角来完成。需要注意 的是，若通风机的工况点始终位于通风机的低效率工 作区间，则需要更换通风机。现在很多矿用通风机已 经进行了变频技术改造，可以通过调节风机的转速更 方便地调节风机的工况点，但调节时需要给定所需调 节的范围，即通风机的工作电源频率。 3结语 矿井通风系统是煤矿生产中最重要的辅助系统， 必须保证其安全高效运行。随着煤矿开采的进行，通 风系统的运行性能逐渐下降，必须采取措施对通风系 统进行优化。一方面，随着煤矿开采的进行，通风网 络变得复杂，通风阻力增加，导致通风机的工况点发 生迁移，则通风机的工作效率会降低，引发电能的浪 费；另一方面，通风巷道的数量比较多，连接方式也 比较复杂，导致通风系统运行状况恶化，进而引起局 部通风不足，瓦斯浓度过高情况的增加，瓦斯爆炸的 风险增大。为此，应该从调整通风机的工况点和优化 矿井通风网络等方面来对通风系统进行优化，为矿井 通风系统的优化提供一定的参考。 7 965 5 5 4 4 1 6 4 3 3 2 2 2 7 8 8 9 1 31 1 1 2 6 3 4 7 4 3 2 （下转 168 页） 152 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 152 页） 参考文献 ［1］ 吕军林.煤矿矿井通风系统优化策略研究 ［J］ .石化技术， 2020， 271 192. ［2］ 武进宝.煤矿矿井通风系统优化策略探讨 ［J］ .石化技术， 2019， 269 180. ［3］ 李源.煤矿矿井通风系统优化策略探析 ［J］ .化学工程与装备， 20198 235-236. ［4］ 张国枢.通风安全学 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2011. （ 责任编辑刘晓芳 ） 图 18102 综采工作面 “UL” 型通风系统平面布置图 密闭第一个联络巷和沿空巷，同时打开第二个联络巷 并安装调节风门；工作面过第二个联络巷后同样在工 作面与联络巷之间进行沿空留巷。以此类推，直至工 作面完全回采结束。 2.2优化后通风系统优缺点 2.2.1优点 a 防止出现上隅角瓦斯积聚现象。采用“UL”型 通风系统后，工作面风流一部分进入上隅角并从 5103 巷进入回风巷，从而可将上隅角积聚瓦斯排出，有效 防止了上隅角瓦斯积聚现象，降低了上隅角瓦斯治理 难度[3]。b 便于采空区安全管理。采用“UL”型通风 系统后，可直接在沿空留巷段安装瓦斯抽放管路，对 采空区瓦斯进行预抽，防止采空区瓦斯涌出；同时提 高了采空区 CO 监测效率，采空区出现煤层自燃现象时 可及时对采空区进行注氮处理，加大了采空区安全管 理力度[4]。c 降低回风顺槽瓦斯体积分数和粉尘质量浓 度。采用“UL”型通风系统后，工作面污风分别从 5102 巷、5103 巷进入回风巷内，与传统“U”型通风 方式相比，降低了回采工作面回风顺槽内瓦斯体积分 数、粉尘质量浓度，保证了工作面回采安全。 2.2.2缺点 a 巷道掘进量大。采用“UL”型通风系统时需对 5102 巷和 5103 巷施工 20 条联络巷，巷道掘进总长度 为 500 m，工作面巷道掘进量大，增加了巷道掘进成 本。b 沿空巷预留难度大。采用“UL”型通风系统 后，需进行沿空留巷，不仅增加了沿空巷支护成本，而 且预留巷难度大，不利于顶板的安全管理。c 通风阻 力大。采用“UL”型通风系统后，风流分路数量增 加，从而加大了通风阻力，需定期对工作面风阻进行 调节[5]。 2.3实际应用效果分析 2018 年 4 月，对 8102 综采工作面进行了通风系统 优化，2018 年 5 月 22 日，通风系统优化完成。截至 2018 年 11 月 13 日，8102 综采工作面已回采至 930 m， 通过观察 6 个月的实际应用效果发现，8102 综采工作 面采用“UL”型通风系统后，消除了上隅角瓦斯积聚 现象，上隅角瓦斯体积分数控制在 0.2以下，同时降 低了回风顺槽粉尘质量浓度，使其由原来的 127 mg/m3 降低至 42 mg/m3，保证了工作面的安全快速回采。 3结语 针对 8102 综采工作面原“U”型通风方式主要存 在的问题，通风区根据实际生产情况对工作面通风系 统进行优化，采用“UL”型通风系统。从实际应用效 果来看，优化后的通风系统没有出现上隅角瓦斯积聚 现象，提高了采空区安全管理水平，保证了工作面安 全快速回采。“UL”型通风系统可用于高瓦斯及煤与 瓦斯突出矿井，为其他高瓦斯煤矿综采工作面通风系 统优化提供了实践经验，取得了显著的应用成效。 参考文献 ［1］ 刘晋隆.综采工作面通风系统优化及瓦斯治理技术 ［J］ .煤， 20198 30-31. ［2］ 张玉刚.煤矿通风系统优化研究 ［J］ .机械管理开发， 201810 133-134. ［3］ 董卫峰.凉水井煤矿综采工作面风桥优化设计研究 ［J］ .陕西 煤炭， 20186 36-39. ［4］ 石振华.义城煤矿过空巷矿井通风系统优化 ［J］ .煤炭与化工， 20189 116-119. ［5］ 孙世彪.浅析矿井通风系统优化设计研究与应用 ［J］ .山东煤 炭科技， 20166 72-73. （ 责任编辑刘晓芳 ） 5102巷 5103巷 2102巷 采空区瓦斯 抽放管路 沿空留巷 采空区 新鲜风流 污风 168