煤矿通风系统的优化与应用

韩 敏

（华阳集团智能矿山事业部通风部， 山西 阳泉 045000）

引言

煤矿通风系统的作用是通过通风机向矿井下源源不断的输入新鲜空气，保证氧气浓度符合工作人员呼吸、机械设备运行正常，并检测一氧化碳等有害气体浓度，当有害气体浓度达到某一阈值时检测器及时预警，防止因有害气体超标而造成的人员伤亡，保障煤矿井下工作人员的生命安全，确保设备正常运转，是煤矿生产安全有序进行的重要前提。合理对通风系统进行优化，才能发挥通风设备的能力。本文以山西省某矿区煤矿通风系统为例，介绍其优化与应用。

1 某矿井与通风系统概况

某矿井为基本建设矿井，位于太行山东麓，井田南北走向长10.5 km，东西倾向宽6.9 km，面积为70.8 km2，分两区域开采。一分区装备BD-II 系列轴流对旋抽出式主通风机，电机功率355 kW，额定风量74～210 m3/s，额定风压350～3 200 Pa。二分区装备FBCDZ 系列轴流对旋抽出式主通风机，额定风量为152～324 m3/s，额定风压为1 087～3 767 Pa。两分区采用的主通风机均为两套，一套正常运转，一套备用。该矿井风量需求为29 015 m3/s，而风量供给仅为24 687 m3/s，完全无法达到风量需求。

2 通风系统优化

2.1 优化通风设备

优化通风设备主要是指对主通风机及其他通风系统中配套设备的优化。该煤矿巷道在一天之中的不同时间段对于风量的需求并不相同，主通风机可以从以下途径解决这一问题，即可以通过调节通风量，降低风量大小来形成一个最优化的风量，适应煤矿井下对于通风的具体需要。在此过程中，要在改进过去传统调节方法的基础上进行优化，拆除老旧设备，更换最新风机，对该矿BD-II 系列、FBCDZ 系列主通风机，调整风机内部叶片的角度（见图1），确保影响通风量优化的各个因素与环节不出问题。在该煤矿过去通风过程中，电能过度使用也是一大弊端。因此在技术进步的背景之下，为了降低电能使用量，对于配件复杂的主通风机实施技术优化，更需要将主通风机以一个合理且高效率的技术方式与井下通风系统相融合。同时，在管理方面，管理层应当明确管理责任，建立健全管理制度，确保监管到位，认真落实具体管理要求，设备检查尤其是对主通风机的检查常态化，在煤矿巷道作业时间保证各个环节正常运转，使通风系统达到最优化的理想状态。此外，还应当注意巷道内作业安全，配套安装更新气体检测设备，对于有毒有害气体进行实时监测，并为其专门设置气体通道，不仅利于通风系统发挥作用，还可保证井下技术人员施工的安全以及整个工作流程的顺利进行。

图1 BD-II 系列通风机叶片

2.2 优化通风阻力

通风阻力是指通风机在通风过程中所受到的阻力大小，分为巷道总阻力与支巷道阻力。支巷道阻力是某条支巷道所受到的通风阻力大小，所有支巷道所受通风阻力大小的总和即为巷道总阻力大小。计算矿井巷道总通风阻力的公式为[1-2]：

式中：f 为矿井巷道通风阻力；Q 为通风量大小。通过式（1）可知，矿井巷道通风阻力的大小与通风量的平方成正比关系。即在相同条件下，通风阻力与通风量成二次函数对应关系，通风量越大，矿井巷道通风阻力越大，且随着通风量地不断增大，阻力增加速度会不断加快。

计算支巷道通风阻力的公式为：

式中：R 为矿井支巷道通风阻力；λ 为阻力常量；L 为巷道长度；U 为巷道横截面周长；S 为巷道横截面面积。

由式（2）可知，巷道长度越长、巷道横截面周长越长、巷道横截面面积越小，矿井支巷道通风阻力越大。

根据上述两种通风阻力的计算公式，可以分别得到两种阻力的优化方式。减小巷道总阻力，应尽量减少通风量，但是减少通风量的前提条件是需要保证氧气供应充足并且有害气体浓度不超标。根据支巷道阻力公式，减小分子或增大分母均可减小矿井支巷道通风阻力，减小分子即减小巷道长度、减小巷道横截面周长；增大分母即增大巷道横截面面积。但是在煤矿实际生产过程中，巷道横截面会根据实际开采需求设计，无法轻易改变，因此，减小支巷道通风阻力，只能从支巷道长度入手，应尽可能避免使用较深巷道。

同时，通风阻力还受巷道网络结构影响，巷道间使用串联、并联等不同结构所受阻力大小也不相同。巷道间网络结构尽可能采用并联方式，减少使用串联方式，在并联位置在总进风口与总回风口之间，可减少通风阻力。

2.3 优化通风网络

矿井通风系统中的通风网络指的是巷道、车场等所有与作业相关的通道或工作面交叉连接所形成的网络，在该网络中，风流流经每一条路线。通风网络结构复杂，但基本是由串联与并联两种形式构成，也就是说，可以将通风网络拆分为每一个串联单元与并联单元所组成的基本网络。其中，串联是指风流直接从某一巷道进入下一巷道，没有分支情况出现；并联是指风流在某一巷道处产生分支，进入两个或多于两个支巷道中，之后又经多个支巷道汇入同一巷道中去。合理设计、优化通风网络，分析计算每一支巷道进风量大小、通风阻力大小，判断进风量是否满足所需风量要求，并把控风压，这对提升通风效果有重大影响。近年来，在对通风网络进行优化研究中，通常使用分支界定法选取通风网络模型。通过该算法得到的通风网络模型每一支巷道风量大小均较为合理，整个网络风量达到理论上的最优，同时能耗、成本损失可以降到最低。在通风网络模型基础上，结合该煤矿实际情况，对网络中的支巷道、工作面、车场等设计进行微小调整，使其更加具有针对性。此外，还需考虑一般型通风网络，在当前通风网络中，部分支流已经确定，部分支流未确定，未确定部分需要根据煤矿生产实际需求进行设计。针对该种通风网络，应结合所需对支流未确定部分进行线性规划，求出最优解，并在适当位置安装风窗、风机等设备[3-4]。

3 通风系统优化应用

该煤矿通风系统中部分巷道结构简图如图2 所示，其中轨道巷通风阻力R1为0.45 N，旧巷道通风阻力R2为0.30 N，假设通风量为38 m3/h，则通过巷道通风阻力计算公式计算可得：f=R1Q2=0.45×382=649.8 Pa。

图2 某矿区巷道通风简图

通过上述优化方式，采用并联形式对通风阻力进行优化，如图3 所示。

图3 某矿区巷道通风优化简图

在该通风系统巷道网络结构该段使用并联方式后，通风阻力将大幅减小，该支巷道通风阻力大小为：

根据巷道通风总阻力计算公式可得总阻力大小为：f=RQ2=0.091×382=131.4 Pa。

优化前通风阻力大小为649.8 Pa，优化后通风阻力大小为131.4 Pa，阻力减少将近达到80%。同时，对主通风机、配套设备、通风网络进行优化，风量供需如表1 所示。

表1 矿井通风系统优化后通风情况

4 结语

针对某煤矿通风效果较差问题，对该煤矿通风系统主要从通风设备、通风阻力、通风网络三个方面进行优化。其中优化通风机是指调节通风机尤其是主通风机的工作性能，结合新技术，降低能耗与成本损失，提高通风效率。优化通风阻力是通过通风阻力与巷道长度、通风量的比例关系，尽可能减少深巷道的出现、在通风量可满足工作人员、井下机械设备所需的前提下尽可能减小通风量，同时多使用并联支巷道代替串联巷道，减小通风阻力，优化通风系统通风效果。优化通风网络是指在巷道、车场、工作面等组成的通风网络设计过程中，合理布局规划，可使用分支界定法等算法选取最优网络模型，并根据实际安放风窗、风机等。在该煤矿生产中可以发现，结合使用三种优化方式，煤矿通风系统风量提升22.91%，满足现阶段矿井风量需求。