整合矿井复杂通风系统的优化改造.pdf

［收稿日期］ ２０１１ － ０８ － ２９ ［作者简介］ 张付涛（１９７１），男，河南许昌市人，高级工程师，主要研究方向为煤矿开采和安全技术及管理；Ｅ －ｍａｉｌｚｈａｎｇｆｕｔ＠ｃｈｉｎａｃｏａｌ． ｃｏｍ 整合矿井复杂通风系统的优化改造 张付涛 （中国煤炭进出口公司，北京 １０００１１） ［摘要］ 唐山沟煤矿作为资源整合矿井，存在通风系统复杂和安全隐患多等一系列问题，通过通风阻力测 定、风机性能测试和通风系统合理可靠性评价，查找原有矿井通风系统存在的问题，分析其主要原因，提出了 通风系统优化改造方案。 经实施后，降低了通风系统阻力，提高了矿井通风系统稳定性和抗灾能力。 ［关键词］ 整合矿井；复杂通风系统；优化改造 ［中图分类号］ ＴＤ７２ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００９ － １７４２（２０１１）１１ － ００６８ － ０４ 1 前言 中国煤炭进出口公司作为山西省煤炭企业兼并 重组主体之一，负责兼并重组整合大同、朔州地方煤 矿企业，其中对大同市新荣区唐山沟等 １４ 座煤矿进 行兼并重组整合，将 １４ 座煤矿重组为 ５ 座煤矿企业 （公司），保有储量 １． ４１４ 亿 ｔ，总计生产能力达到 ５１０ 万 ｔ／ ａ；对朔州市周边 ６ 座地方小煤矿，相应并 入东坡、杨涧、担水沟和西沙河 ４ 座煤矿，整合保有 储量 ７． ５ 亿 ｔ，总计生产能力达到 ４８０ 万 ｔ／ ａ。 2 整合矿井概况 唐山沟煤矿位于山西省大同市新荣区，１９８３ 年 批准 开 采，１９８８ 年 建 井 投 产， 设 计 生 产 能 力 为 ６０ 万 ｔ／ ａ。 ２００６ 年整合陈家沟等 ４ 座矿井，设计能 力为 ９０ 万 ｔ／ ａ。 ２００９ 年并入中国煤炭进出口公司 后，又整合了张旺庄煤矿。 唐山沟煤矿改扩建后产 量提升至 １２０ 万 ｔ／ ａ，采用斜井开拓方式，走向长壁 法采煤，主采８ 号和 １２ 号煤层。 ８ 号煤层厚度为 １． ０２ ～１． ６５ ｍ，平均为 １． ４８ ｍ；１２ 号煤层厚度为 １． １６ ～ ３． ３１ ｍ，平均为 １． ８２ ｍ。 唐山沟煤矿为低瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量为 １． ６９ ｍ ３ ／ ｍｉｎ，相对涌出量为 １． ９５ ｍ ３ ／ ｔ，煤层的自然 发火期为 ６ 个月，煤尘有爆炸危险性。 矿井采用抽 出式通风方法和混合式通风方法。 唐山沟煤矿属整 合矿井，整合后，原有 ５ 个小井逐步井下全部连通， 通风系统出现零点通风，且风流紊乱，角联巷道较 多。 为了对井田内 ６ 对风井进行合理利用并保证矿 井安全和高效生产，需要对唐山沟矿现有通风系统 进行改造和优化。 3 生产系统和通风系统分析 3． 1 采掘部署不合理，生产系统复杂 根据前期调研及收集有关资料，对整合后唐山 沟煤矿通风系统进行系统分析和研究，其主要特征 表现为由于整合前各小井开采煤层和开采深度不 同，造成整合矿井同时开采水平和采掘工作面数量 增多，通风系统复杂，部分工作面难以实现按需供 风，风流控制相当困难；同时下井人员较多，全员效 率低，矿井一旦出现异常情况，撤人困难，将不利于 矿井的安全生产。 据统计，整合后的唐山沟矿同时 生产水平达到 ３ 个，采面数量多达 １８ 个。 随着采掘作业面推进、采空区的增加以及采掘 工作面的延伸和作业面的增加，出现了部分风流短 路、污风串联、循环风现象，导致瓦斯积聚，甚至发生 瓦斯爆炸，给煤矿安全生产造成严重威胁。 3． 2 通风系统网络复杂，抗灾能力低 １）多风机联合运转，通风系统稳定性差。 唐山 86 中国工程科学 沟矿属整合矿井，兼并重组后井田内同时布置 ６ 对 风井，通风系统网络复杂。 原有 ５ 个小风井逐步井 下连通后，由于各风机通风能力不同，通风网络与风 机能力不匹配，导致多风机联合运转时相互干扰，矿 井通风系统稳定性降低，能耗增加。 而且部分风井 配备的风机老化，效率低，造成通风管理工作十分 困难。 ２）风流短路、串联现象时有存在，难以实现按 需供风。 如唐山沟煤矿井下新鲜风流从中一采区主 井进风后，其中一股新鲜风流经 １１２０ 巷后再次分风 进入 １１２ 北 ＋ 巷道，然后通过 １１２ 东巷道汇入污风， 由中二采区回风井排出。 新鲜风流没有进入用风地 点就被汇入污风而排出，增加了通风机的工作负担， 使通风机无用能耗变大（见图 １）。 图1 唐山沟煤矿通风系统网络图 Fig． 1 Ventilation system network of Tangshangou Mine ３）通风系统网络复杂，抗灾能力弱。 唐山沟矿 采面布置较多，用风地点分散，通风设施多，通风线 路长，个别巷道狭窄且顶板垮落现象严重，使得矿井 通风阻力增大。 同时，部分采区通风系统之间内部 出现了角联巷道，使得部分巷道出现无风和风流反 向，对风流稳定性造成了极大的影响。 由于受自然 风压或其他通风设施设置的影响，极易出现风流不 稳定的情况，大大降低了通风系统的可靠性及抗灾 变能力。 ４）通风系统内部漏风大，灾害影响严重。 唐山 沟煤矿用风地点多且分散，导致通风设施（调节风 门、风窗等）增多、漏风增大、维护困难，加之多处巷 道内风门等调风设施质量不过关和采空区密闭不良 等现象，造成矿井通风系统内部漏风增大，有效风量 率较低，矿井通风系统负压升高，风机耗能增大。 同 时使得采空区瓦斯涌出异常，原有火区失去平衡，自 燃发火严重，进而导致采场空气中 ＣＯ、ＣＨ４、ＣＯ２等 有害气体超标，严重影响工作面的正常生产。 4 唐山沟煤矿通风系统优化 依据上述唐山沟煤矿通风系统调研及分析，原 有通风系统及其设施已不能满足矿山生产通风的要 求，通风困难等问题将不断凸现，并且随着矿井开拓 规模的增大，矿井通风系统的负压将会加大，漏风增 大，煤层自燃现象更加严重，矿井安全生产面临更大 困难。 因此，建立合理有效的通风系统和降低矿井 通风阻力直接关系到矿井的安全生产和经济效益， 必须对唐山沟矿生产系统、通风系统进行改造和优 化。 具体步骤如下 4． 1 优化调整开拓布局，简化生产系统 多矿井整合后，造成通风路线长、用风地点分 散、不易实现按需配风和系统整体抗灾能力减弱。 96 ２０１１ 年第１３ 卷第１１ 期 通过通风网络结算软件模拟，改变矿井开拓布局，改 进其通风方式，即整合前 ５ 个进风井和 ６ 个回风井 的通风系统，改为三进两回通风系统。 整合后保留 １ ＃回风井和陈家沟回风井，将唐山沟回风井变为进 风井，封闭陈家沟进风井，矿井变为唐山沟主副井及 行人斜井（即唐山沟回风井）进风、１ ＃ 回风井和陈家 沟回风井回风的三进两回通风系统，通风方式改为 两翼对角式。 4． 2 优化采掘部署，提高机械化水平 唐山沟矿现有的开拓部署采掘布局不合理，原 单个矿井均部署采掘工作面，采用炮采工艺，单产单 进低，资源浪费严重。 通过系统优化，减少开采水平 数量及采掘面的数量，改变开采工艺、采煤方法，提 高了生产效率，增加了工作面单产，使矿井从原来的 ３ 个水平 １２ 掘６ 采改变为２ 个水平 ４ 套综掘２ 套综 采，提高了矿井生产能力（见图 ２）。 同时，使得通风 路线长和因用风地点分散而不易实现按需配风的问 题也会得到很好地控制。 图2 唐山沟煤矿综合机械化采煤工作面 Fig． 2 Comprehensive mechanization coalface of Tangshangou Mine 4． 3 优化通风系统，加强巷道管理工作 原有通风系统中布置 ６ 对风井，通风系统网络 复杂，通风设施多，通风控制困难。 因此，在保证矿 井正常生产的基础上，通过关闭效率低的井巷，开掘 新巷道，改变矿井的通风方式，以简化通风系统，提 高通风管理工作的效率。 对矿井通风系统中部分阻 力较大的巷道采取了扩大巷道断面、修整损坏巷道、 清理巷道堆积物或采用并联巷道（利用已有巷道） 等措施，降低矿井通风系统阻力，简化通风系统 网络。 １）通风阻力测定。 依据矿井通风阻力测定测 点布置原则 ［１］ ，结合唐山沟煤矿生产采区布置情 况、采空区分布、各主要进回风井位置及其担负采区 情况，矿井通风系统阻力测定采用基点法利用精密 气压计进行测定 ［２］ 。 由解算结果不难发现，唐山沟 煤矿风量供给能满足目前生产需要。 矿井等积孔均 为 １ ～ ２ ｍ ２ ，通风难易程度属中等水平，自然风压均 帮助主通风机通风。 由误差分析可知，测定误差均 小于 ５ ％，满足精度要求（见表 １）。 ２）矿井主要通风机性能测定。 煤矿主要通风 机是保证矿井安全生产的重要设备，且唐山沟矿属 整合矿井，井田内同时布置 ６ 对风井，为了解各风机 运行状况及各风机间的相互影响，保证矿井的安全 生产及节能降耗，提高通风机效率，需要对矿井主要 通风机进行性能测定。 通过对矿井主要通风机性能 测定发现，原唐山沟回风井和陈家沟回风井主通风 机的运行静压效率均小于 ６０ ％，且处于高区运行， 运行工况不合理，能耗较大 ［３，４］ 。 表1 解算结果及误差检验表 Table 1 Computed results and error checking 系统名称自然风压 ／ Ｐａ矿井总阻力 ／ Ｐａ理论阻力值 ／ Ｐａ 矿井风阻 ／ （Ｎ ｓ２ ｍ － ８） 等积孔 ／ ｍ２ 测定 误差 ／ ％ ８ 煤层通风系统４４． ５６１ ４７１． ３９１ ５３６． ６８０． ６５１ ２１． ４７５４． ２５ １２ 煤层西通风系统４２． ６５１ ２０１． ５６１ ２２３． ７３０． ４９６ ４１． ６８９１． ８１ １２ 煤层东通风系统１２． ８８８３１． ８３８２５． ５６０． ８２８ ７１． ３０７０． ７６ 4． 4 整合矿井通风合理可靠性分析 评价矿井通风系统合理可靠性的目的在于及 时发现矿井通风系统中存在的问题和安全隐患，调 整和改造系统；优化通风设计，准确编制事故预防与 处理方案，同时，指导现场通风安全管理。 具体来 说，矿井通风系统的合理可靠性应满足下列要求结 构合理、完备，整套系统稳定可靠；各用风地点的风 量满足要求，可控性强；利于排除瓦斯、矿尘、热源和 防止煤炭自燃；具有控制各种自然灾害的能力，既能 抑制事故的发生，又可在由其他原因引起事故时及 时地控制和消除事故。 针对唐山沟整合后矿井通风 系统现状，利用通风系统安全合理性评价方法，判断 通风系统稳定性较差，抗灾变能力较弱。 结合矿井 通风阻力测定过程及解算结果，分析唐山沟煤矿整 07 中国工程科学 合后通风系统存在问题原因及解决方案如下 １）矿井通风系统进风段、用风段、回风段阻力 分布很不合理，３ 对回风井担负的系统回风段阻力 均超过 ５０ ％ ［５］ （见表 ２）。 其原因主要为回风段巷 道断面普遍偏小且支护复杂，部分巷道局部垮落严 重，年久失修，致使巷道风流受阻，通风不畅，风压损 失严重。 采取扩大巷道断面、修整损坏巷道、清理巷 道堆积物或采用并联巷道（利用已有巷道）等措施， 降低矿井通风系统阻力，尤其是回风段阻力，使矿井 通风阻力分布合理。 表2 矿井通风阻力分布表 Table 2 Ventilation resistance distribution of mine 通风 系统 区段 测点 范围 长度 ／ ｍ阻力 ／ Ｐａ 占总阻力 比例 ／ ％ 百米阻力 ／ （Ｐａ ｈｍ － １） ８ 煤层 进风段２７ ～ ３０１ ７０４． ４８２９８． ９９２０． ３１７． ５４ 通风系统 用风段３０ ～ ３２ １ ２７３． ０７ ３４７． ７３２３． ６２７． ３１ 回风段３２ ～ ３５８７９． ４３８２４． ６７５６． １９３． ７７ １２ 煤层西 进风段１ ～ ５１ ６３３． ３７ １７３． ４７１４． ４１０． ６２ 通风系统 用风段５ ～ ７１ ４４８． ３３ ４１６． ０９３４． ６２８． ７３ 回风段７ ～ １１１ ３４３． ８４６１２５１４５． ５４ １２ 煤层东 进风段１２ ～ ２１ １ １２８． ６５ １５８． ７４１９． １１４． ０６ 通风系统 用风段２１ ～ ２３ １ ９０９． ２８ １１０． ４９１３． ３５． ７９ 回风段２３ ～ ２６ １ ００９． ０６５６２． ６６７． ６５５． ７５ ２）主要通风机工况点在高区运行，静压效率 低，能耗增大。 在降低矿井通风系统阻力的基础上， 改变主要通风机工作参数，提高主要通风机运行静 压效率，降低矿井通风成本，保证主要通风机稳定 运转。 ３）随着开采规模的增大，原有通风系统及其设 施已不能满足矿山生产通风的要求，出现部分风流 短路、串联现象，实现独立通风困难。 采取优化、调 整部分通风线路及设施实现独立分区通风，避免通 风系统中出现串联、角联风路，增强通风系统的抗灾 能力。 5 结语 １）通过对整合矿井唐山沟煤矿通风系统调研 分析、现场通风阻力测定和风机性能测试，查找出影 响唐山沟煤矿现有通风能力的主要因素，提出唐山 沟煤矿通风系统和主要通风机运行的优化、改造方 案。 经过实施后，原有两套主要通风机能够满足矿 井用风需求，不需更换主要通风机，降低了改造投 资。 主要通风机运转稳定，满足了安全生产的需要， 大幅度增强了该矿通风系统的抗灾能力。 ２）在唐山沟煤矿通风系统优化、改造中，特别 注重煤矿井巷开拓部署的优化，注重煤矿采掘布局 的优化调整。 开拓和采掘布局优化、改造后，大幅度 简化了矿井通风系统。 其中，整合前 ５ 个进风井 ６ 个回风井，改为三进两回通风系统；采掘布局由原 来的 ３ 个水平 １２ 掘 ６ 采，优化为 ２ 个水平 ４ 套综掘 ２ 套综采。 ２０１１ 年 ９ 月将试验薄煤层自动化综采工 作面，进一步提高机械化程度，减少采掘面个数以简 化系统。 ３）注重技术路径的优化，形成了“通风系统调 研、分析、研究制定解决方案通风阻力测定及主要 通风机性能测试通风网络解算通风系统优化及 经济、社会效益分析解决矿井通风问题”的路径， 该技术路径可用于解决类似矿井通风系统问题，并 且给其他多矿井整合煤矿的通风系统优化改造提供 了指导和参考。 参考文献 ［１］ 程 绍 仁，程 建 军．矿 井 通 风 阻 力 测 定 及 对 几 个 问 题 的 分 析 ［Ｊ］．煤矿开采，２００６，１１（１）７２ － ７４． ［２］ 陈开岩，陈发明．矿井 通风测 量数据处理方法的集成与应用 ［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００２， ３１（６）６００ － ６０４． ［３］ 范 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