矿井通风阻力分析及系统优化措施

赵文涛

（黑龙江矿安安全生产技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

某煤矿煤层发育平缓，整体赋存稳定，开采条件简单，无瓦斯、煤尘集聚危险。煤层自然产状分为三类，矿山压力适中，无冲击地压破坏风险。矿井通风系统由主井、副井及立井构成，具体为：主井、副井进风，立井回风。矿井整个通风系统由分布在矿区南北两侧的运输大巷及中央水平大巷组成，各采区、工作面采用分区通风，整个通风系统稳定可靠，风流均匀分布，不存在无风巷道。

1 矿井通风阻力测定

1.1 测定方法

本次研究利用精密气压计对矿井通风阻力进行测定。预先划定矿井A、B两点，采用气压仪测量A、B两点压力值，通过简单计算出两测点压力差，进而推算出相应的位移差、动力差，最后计算出矿井通风阻力。另选精密气压计测量井口压力，记录矿井口的气压变化情况，最后对比矿井内部与井口气压数据[1]。

目前常用通风能量转化方程为：

式中：P1、P2表示矿井风量在测点的静压能；ρm1、ρm2表示测点到井口空气柱密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Z1、Z2表示为两测点截面标高；V1、V2表示为两测点风流速度，m/s2；hz1-2表示为两测点间的通风阻力，pa。

1.2 测点布置及路线选择

矿井测点的布置原则为：测点布置情况应当充分反应整个矿井的通风网络情况，保证整个矿井的通风网络完整[2]。矿井通风实际测定时，如果两测点间存在障碍物，会影响测量精度。根据该矿井的通风网络现状，现通风风流测定路线如下：

（1）中央回风井：副井-水平运输大巷-皮带巷-各采掘区段-轨道回风巷-主回风巷-中央回风井。

（2）一号回风立井：一号副立井-井底联合巷-辅助运输大巷-胶带运输巷-各采掘区段-轨道回风巷-采区-辅助运输大巷-回风大巷联络巷-一号回风立井。

（3）二号回风立井：二号副立井-井底联合巷-辅助运输大巷-胶带运输巷-各采掘区段-轨道回风巷-采区-辅助运输大巷-回风大巷联络巷-二号回风立井。

2 通风测定结果分析

（1）矿井通风阻力测定精度分析。根据《矿井通风阻力测定方法》(MT/T440—2008)的测定方法，由现场矿井测量数据，通风阻力数据的误差可由下式计算。

式中：e表示为通风阻力的相对误差，%；Rsh表示为系统累加阻力，Pa；wh表示为风机计数值，Pa；vh表示为风速压力，Pa；nh表示为自然风压，Pa。

误差计算结果见表1所示。表中可以看出，在测量线路中，中央回风井相对误差为2.89%、一号回风立井相对误差为1.98%、二号回风立井相对误差为1.46%，根据相关规范要求，此矿井通风网络误差符合要求。

表1 通风网络测量误差

（2）矿井通风阻力分布情况。以矿井通风网络为整体，将测量区段划分为进风段、用风段以及回风段三个区段，分别计算各区段通风阻力理论值，数据见表2所示。

表2 量测线路各区段理论风阻

由表2数据可计算出该矿井主线路理论风阻风流比例。中央回风井理论风阻风流比例为14：53：31；一号回风立井理论风阻风流比例为31∶34∶33；二号回风立井理论风阻风流比例为10∶43∶47。基于上述数据，可以发现，中央回风井通风阻力最大区段为用风区段，一号回风井通风阻力最大区段同样为用风区，二号回风井通风阻力最大区段为回风区段。

（3）矿井风量分析。为了描述矿井通风网络的运行情况，先对矿井实测风量数据进行分析。矿井通风系统风量数据见表3所示，式3为矿井漏风率计算公式。

表3 矿井通风系统风量数据

式中：PL表示为漏风率，%；Qf表示为排风量，m3/s；Qh表示为总回风量，m3/s。

由表3数据可知该矿井主线路理论漏风率。中央回风井理论漏风率为3.71%；一号回风立井理论漏风率为3.42%；二号回风立井理论漏风率为3.68%。基于上述数据，可以发现，中央回风井漏风率最大，其次为一号回风井。据《矿井通风质量标准及检查评定办法》中关于漏风率的规定，该矿井漏风率合格。

（4）矿井等积孔分析。矿井通风网络等积孔计算公式为：

式中，A表示为矿井等积孔，m2；Q表示为矿井总风量，m3/s；hZ表示为矿井通风总阻力，Pa。该矿井通风系统等积孔计算结果见表4所示。

表4 通风网络等积孔计算结果

由表4可知，由《矿井通风质量标准及等积孔评定办法》中关于等积孔的规定，矿井中央回风井计算等积孔为3.25 m2，属于通风容易型矿井；一号回风井计算等积孔为0.89 m2，同样属于通风困难型矿井；二号回风井计算等积孔为2.18 m2，属于通风容易型矿井。

3 矿井通风存在的问题及分析

（1）矿井通风阻力大。该矿井正常生产时布设两个采煤工作面、一个备用采煤工作面以及两条掘进巷道。根据对整个矿井各采掘面、回采工作面、中央运输大巷、煤场以及各个洞室用风情况，利用通风动力学书中相关计算，对矿井实际需风量计算可知，该矿井正常工作时所需风量大约为6300m3/min。对于中央回风井、一号回风井来说，它们的进风段、用风段以及回风段三区段都为用风段，皮带巷内堆积的杂物以及过长的巷道都会导致巷道内阻力过大。通过现场实测分析，该矿井通风阻力分布各异，其中，进风段通风阻力最大，占总通风阻力的48.24%，回风段通风阻力次之，占总通风阻力的20.84%，用风段通风阻力最小，占总通风阻力的38.90%。造成此类问题的原因可能是，采煤工作面及回采区段过长。此外，导入风量过大都会导致通风阻力过大。

（2）矿井总风量不足 。该矿井正常工作时实际风量为6439 m3/min，按矿井初步设计可知，随着采煤工作面的推进，矿井用风量会逐步增加，矿井最大用风量可达8000 m3/min，按目前风机功率以及矿井通风网络现状，该矿井无法满足长远的用风需求。

（3）矿井回风井风速过大。该矿井回风立井直径为3.6m，回风井内布设两条直径分别为756mm、586mm的瓦斯抽采管道，回风立井内安装550×550mm的行人梯子间。对回风立井进行风速测定发现，回风立井中风速最高可达14.5m/s，已经无限接近了《煤矿安全规程》中规定的15m/s的上限值。

（4）其他问题。该矿井整个通风网络过长，通风线路杂乱交错，某些巷道风速过大，某些巷道风速较低，处于微风状态，整个通风系统设置风门过多，存在窝工现象。二号回风立井断面偏小，导致风速偏高，通风阻力增大。该矿井等积孔为0.84m2，根据《煤矿安全规程》中规定，可将该矿井认定为通风困难矿井。

4 矿井通风优化措施研究

针对矿井存在的问题，现提出如下优化措施。

4.1 矿井通风系统降阻改造

通过上述计算分析可知，矿井进风段以及立井回风段通风阻力较大，占矿井整体通风阻力的80%强，进风段、回风段通风阻力过大是造成矿井通风困难的主因。为了解决目前该矿井通风困难问题，需要根据矿井巷道实际布设情况，对矿井进风段、回风段进行针对性的改造。具体改造内容为：①针对矿井进风段采用皮带运输巷道进风，结合该矿井实际情况，利用此前废弃的一条巷道辅助进风，具体为将皮带运输巷和旧巷道并联起来，通过增加风流通道来减小通风阻力。②针对回风巷道通风阻力较大的问题，拟新开掘一条巷道辅助回风，同样的两条回风巷道并联使用。③针对回风立井中风速过大的问题，计划新开掘一条专业瓦斯抽取管道，将回风立井中的瓦斯管道拆除，以减小通风阻力，增加回风立井实际面积，达到较小回风立井风速以及减小回风井中通风阻力的目的。

4.2 矿井通风机改造

随着采煤工作面的推进，矿井需风量逐步增加，矿井达到满负荷工作时，所需风量将达到8000m3/min，目前矿井的风机总功率不能满足矿井需求。为了满足矿井满负荷生产的需要，现需对矿井风机进行改造，为了最大程度上减小改造费用，本次改造仅对风机叶片和风机电机进行更换，此法工程量相对较低，资金投入较少，不改变通风网络巷道。

4.3 优化管理手段

矿井通风的日常管理工作非常重要，是矿井安全生产的前提。①加强日常管理，及时排除安全隐患，对于巷道内临时堆放的杂物，应当及时疏通。应定期排查通风网络中的堵塞物，对矿井通风网络进行定期体检。另外，应当提升管理水平，加强动态调整。

5 结论

本文对某矿井通风阻力及优化措施进行研究。对矿井通风阻力进行了专业的测定，得到如下结论：中央回风井、一号回风立井和二号回风立井相对误差分别为：2.89%、1.98%和1.46%，相对误差满足设计要求；中央回风井理论风阻风流比例为14：53：31；一号回风立井理论风阻风流比例为31∶34∶33；二号回风立井理论风阻风流比例为10∶43∶47。可以发现，中央回风井通风阻力最大区段为用风区段，一号回风井通风阻力最大区段同样为用风区，二号回风井通风阻力最大区段为回风区段；中央回风井理论漏风率为3.71%；一号回风立井理论漏风率为3.42%；二号回风立井理论漏风率为3.68%，该矿井漏风率合格；由《矿井通风质量标准及等积孔评定办法》中关于等积孔的规定，针对矿井存在的问题，提出了相应的措施，对通风网络进行了优化。