矿井通风系统的改造与优化设计研究

邓 敏

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第一分公司，山西 太原 030053）

引言

矿井通风系统指的是以风机为动力，由各种通风设备构成的通风网络。通风系统的作用是将新鲜空气输送至井下各工作面，降低井下采区温度和瓦斯浓度，防止因井下瓦斯浓度过高而引起爆炸。由于通风系统关系到煤矿生产的安全性，因此《煤炭安全规程》对通风系统的各类指标作出了严格的规定。随着矿井发展，井下工作面越来越多，巷道结构也越来越复杂，原有的通风网络被破坏，降低了通风系统的安全性和可靠性，主通风机的运行年限接近服务年限，各类故障频繁出现，直接威胁了生产和人身安全。综上所述，为了提高通风系统的安全性和可靠性，满足新增工作面对新增风量的要求，满足矿井长远发展规划，对矿井通风系统进行改造优化具有重要意义。

1 改造目标与流程

1.1 改造目标

由于矿井发展和技术标准的提高，矿井通风系统的风量大小、覆盖范围和使用寿命与现有生产系统或未来生产布局不匹配，需要对其进行改造。在安全可靠、技术先进、资源节约总体目标的指导下，不同的改造措施实现的效果不同。

1）增加风量。由于工作面增加、煤层瓦斯含量增多、产量提高都会对通风量产生更高的需求，因此总风量不足是矿井通风系统的常见状况。

2）节能减排。通风系统的电能浪费来源于风阻和风机两方面，巷道断面小、风路距离长都会导致风阻变大。风机型号老旧，机械磨损导致风机耗电量增加。

3）稳定风流。通风系统网络结构不合理，主通风机或局部通风机性能老化，都会导致风流不稳，因此需要优化网络结构和风机性能，提高系统的安全性和稳定性。

1.2 优化流程

相比于新建矿井通风系统的设计与建设，生产矿井的通风网络更加复杂，通风机和通风设施数量众多、型号多样、性能差别较大，导致通风系统的技术改造更加复杂。在改造目标的基础上，为了充分利用现有条件，挖掘矿井潜力，提高矿井生产力，满足矿井长远需求，通风系统改造工程必须在一套科学的工作流程下进行。如图1所示，首先对风机性能、系统阻力和系统风量进行调查，根据调查结果分析原因，并根据不同的原因采取不同的改造措施。通风系统的问题可分为三类：第一类为配风不合理，可采用的具体改造措施包括调整通风系统、调整采区布局、封堵漏风、提高通风设施质量等；第二类为巷道通过能力不足，可采用的具体改造措施包括清理检修井巷、增加并联风道、调整系统缩短风路、新开风道或风井；第三类为风机能力不足，可采用的具体改造措施包括调整叶片安装角、调整风机装束、更换电机、更换通风机、风机联合运行。将所有可能采取的改造措施进行综合，形成拟定方案，将拟定方案转化为仿真模型，在计算机上进行模拟，根据模拟结果与改造目标的差距对改造措施进行调整，直到满足改造目标，得到最优的技术改造方案[1-2]。

图1 基于目标的最优改造方案工作流程

2 某矿井通风系统现状

1）主通风机故障频发。主通风机轮毂、铆钉、铜带、轴承等部件频繁出现故障，导致运行时振动和噪音大，在检修时风机只能单台运行，导致性能下降明显，一旦出现重大故障，将导致整个矿井停产，影响生产产能和人员安全。

2）通风巷道繁多，可靠性低，安全性差。多个采区共用同一台主通风机，流程长短差距很大，通风网络复杂，在主通风机和局部通风机调控过程中，经常出现满足某一采区风量，破坏另一采区风量的现象，管理上难度较大。

3）采面和回风温度高。井下工作场所温度普遍较高，采面温度最高在35℃以上，风流温度最高达33℃以上，迎头出水温度最高达41℃以上，上述高温环境急需采取多种降温措施，并提高井下配风量。

4）服务年限无法满足正常接替。去年该矿井新增了3个掘进工作面和1个采备面，新增的工作面和采备面需要风量为2 800 m3/min，对主通风机的工作风量提出了更高的要求，主通风机的最大运行角度为40°，但是目前只能运行在35°，增加运行角度将会导致异常振动和声音。

5）风机效率低，电能消耗大，无法对风机运行工况进行监控。风机的运行静压效率不到50%，目前风机的发展方向为自动化和节能化，未配置风机监控系统导致风机需要人工调节，驱动也未采用变频技术，电能消耗非常可观，无法满足企业节能减排的要求。

3 改造与优化措施

1）投运新风井。由于工作面预测风量与实际工作风量的差距很大，无法通过旧风井改造满足生产要求，因此必须在工作面封闭前投运新风井和主通风机，新风机可按照-3°或-6°运行，根据风压特性曲线和主通风机的工况点解算主要永丰巷道的风量，同时降低风机叶片安装角，提高矿井风量[3-4]。

2）扩大风硐断面。对于开采时间长、工作面多的矿井，风硐断面小、风速大的特点导致通风系统的阻力过大。矿井的回风井承担了所有的回风量，对于直径2.1 m的井筒，总排风量为3 600 m/min，负压小于2 900 Pa。根据相关文献研究，风硐内的摩擦阻力与风硐断面的立方成反比关系，因此保持巷道摩擦系数较低，减少岔口和弯道，降低局部阻力，扩大风硐断面，改造后的风硐设计如图2所示。

图2 风硐改造示意图

3）提高主风机性能。主风机的性能很大程度上影响整个通风系统的通风效率，原通风机使用FBCDZ54-No28型通风机，这款通风机叶片单个可调，但是风机效率较低，不具有在线监控装置。改造工程中，主通风机型号选择ANN-2509，这款通风机控制自动化程度高，工况点调节方便，效率更高，通风机可在叶片全闭合位置启动，电机运行至全速时自动调整叶片角度，而且配套有风机监控系统。

4 改造与优化效果

根据改造措施对改造前后的通风网络进行风量和风阻解算，新风井投运前后主要巷道风量情况和风硐断面扩大前后主要巷道风阻情况如表1、表2所示。计算结果表明，新风井投运后进风斜井、总进风巷和进风下山巷的风量明显增大，风硐断面扩大前后进风斜井、总进风巷和进风下山巷的风阻明显减小，改造方案满足改造[5-7]。

表1 新风井投运前后主要巷道风量情况（部分）m3/min

表2 风硐断面扩大前后主要巷道风阻情况（部分）kg/m7

5 结语

为了科学有效地对矿井通风系统进行改造与优化设计，分析了通风系统改造增加风量、节能减排、稳定风流的目标，建立了完整的改造最优方案工作流程。结合现在通风系统主通风机带病工作、通风网络复杂、采区温度等现状，给出了投运新风井、扩大风硐断面、优化风机性能的改造措施。实际改造效果表明，本次改造提高了矿井通风系统的安全性和有效性，对提高煤矿产能，保障人身安全具有重要意义。