衰老矿井通风系统优化改造及实验研究

常映辉

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030051）

引言

通风系统为煤矿生产系统的重要组成部分，根据《煤炭安全规程》的相关标准规定，要求煤矿必须有一套独立完整的通风系统，其对于整个煤矿的运行状态和安全状态具有重要意义。对于一个矿井而言，随着工作面的不断深入，开采强度的不断增加，导致现场通风结构越发复杂，涉及的通风设备增多，通风距离增长，原通风系统无法满足实际生产的需求，主要表现为通风阻力增大、风量不足等问题。因此，根据实际生产需求对通风系统的优化改造，对于安全、高效生产是十分有必要的[1-6]。

1 衰老矿井概况

对于煤矿生产而言，随着生产的进行，煤矿共经历建设期、投产期、达产期、稳产期以及衰老期。尤其是在煤矿的衰老期，在长时间的开采下，工作面的开采深度不断增加，所布置的综采设备也不断增加；同时，在多年的生产下原先设计的通风装置工作效率降低。在上述综合因素的作用下，导致衰老期矿井在通风系统方面存在风量不足、风阻增大等问题，严重威胁着工作面的安全生产。

对于衰老煤矿的判定，只需要依据该煤矿煤炭的可采的储量以及可服务的时限即可，当其中一项满足要求时即可判定为衰老矿井。其中，当煤矿的剩余可开采储量小于其储量的20%时，判定煤矿进入衰老期；对于年产量在120 万t 的煤矿而言，其衰老期一般在9 年以后；而对于年产量在45 万～120 万t 的煤矿而言，其衰老期一般在6～10 年之间；对于年产量在45 万t 以下的煤矿而言，其衰老期一般在5 年左右[7-10]。结合当前我国煤炭的开采能力，可将判定煤矿是否进入衰老期的标准总结如表1 所示。

表1 判定煤矿是否进入衰老期的标准

本文所研究煤矿设计的开采能力为1.5 Mt/年，属于大型煤矿，该煤矿煤炭的总共储量为99.365 Mt，在多年的开采下目前可开采的煤炭储量仅为39.872 Mt。结合该煤矿当前的生产能力和剩余可开采煤炭的储量，可服务年限小于10 年。因此，可以判定该煤矿已经进入衰老阶段。

2 通风系统优化改造及模拟

本节根据煤矿的通风现状，提出相应的通风优化改造方案，并采用数值模拟手段对通风优化改造方案的效果进行初步评估。

2.1 煤矿通风现状分析

经对煤矿当前通风现状进行分析，得知该煤矿目前处于通风困难时期，其所面临的的通风问题如下：

1）该煤矿回风巷道的断面面积较小，导致煤矿的通风阻力较大。煤矿通风阻力现状如表2 所示。由表2 可知，当前矿井的通风总阻力达到2511.7 Pa，该项指标远大于《煤矿井工开采通风技术条件》中所规定的通风阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，各个风段的风阻分配不合理。

表2 煤矿通风阻力现状

2）经对现场关键用风地点的风量进行测定，发现存在风量不足的情况，而且已经对现场的生产造成影响；

3）在煤矿东风井和西风井出现较为严重的漏风现象。

2.2 煤矿通风系统优化改造方案

针对煤矿当前在实际生产中所面临的通风问题，拟采取如下优化改造方案对其通风系统进行改造。具体如下：

总体思路：将煤矿的回风巷道拓宽，煤矿原东风井和西风井进行密闭操作处理，并将原工作面的皮带斜井作为其回风井。

具体操作方案：将煤矿工作面380 总回风的公共区域以及工作面第四采区的总回风巷进行拓宽操作；将煤矿原东风井和西风井密闭，并将工作面的主斜井和副斜井改造为进风井，将皮带运输巷斜井改造为回风井。即拟改造后采用两进一回的通风方式。回风巷道拓宽前后对比如表3 所示。同时，为该煤矿重新选配通风机，具体配套通风机的型号为BDK-60No20，采用一用一备的原则进行布置。

表3 回风巷道拓宽前后尺寸对比

2.3 优化后煤矿通风系统的数值模拟分析

本文采用ANSYS 软件对优化煤矿通风系统的效果进行初步评估。

2.3.1 仿真模型的建立

为保证所构建的仿真模型能够真实反映通风系统的能力，同时兼顾仿真计算量。在建模过程中需按照如下原则进行假设：

1）对现场工作面中已经堵塞、废弃且风速过小的巷道进行忽略；

2）将现场工作面的巷道均视为矩形断面形状，而对于竖井视为圆形断面形状。

根据煤矿工作面的实际情况以及优化改造后各断面的尺寸，基于ANSYS 软件所构建的仿真模型如图1 所示。

图1 优化改造后的通风系统数值模拟仿真模型

对图1 中所构建的数值模拟仿真模型设置其边界条件，包括对空气密度、动力黏度系数以及温度等参数的设定；包括各个巷道的边界类型、风量分配、湍流强度以及摩擦阻力系数进行设定。

2.3.2 数值模拟仿真结果分析

对煤矿通风系统改造后的风量进行测定，并与实际分配的理论风量对比，验证优化改造的效果。数值模拟仿真结果如表4 所示。

表4 通风系统优化改造效果验证

由表4 可知，现场采用设计的方案对通风系统进行优化改造后，各用风点的风量均大于相应位置的设计风量，即说明本次优化改造方案可解决工作面风量不足的问题。

同时，对通风系统改造后，工作面总的通风阻力仅为1 940 Pa，满足《煤矿井工开采通风技术条件》中所规定的通风阻力小于2 000 Pa 的要求。而且，矿井的等积孔为2.074 m2，对应的通风等级属于容易。说明，本次优化改造合理。

3 结论

通风系统为煤矿生产中不可或缺的分系统，其对于保证综采工作面的瓦斯、煤尘等浓度满足《煤炭安全规程》的标准要求非常重要。尤其是对于衰老矿井而言，由于其在多年生产的基础上，通风系统主要面临阻力增大、风量不足等问题，严重威胁着工作面生产的安全性。以衰老矿井为例提出优化改造方案，并对效果进行验证，总结如下：

1）针对风量不足和阻力增大的问题，可通过扩大回风巷道断面面积并重新配套通风机解决；

2）对通风系统进行优化改造后，各用风点的风量大于其实际需风量；同时，工作面总通风阻力为1 940 Pa，满足《煤矿井工开采通风技术条件》中所规定的通风阻力小于2 000 Pa 的要求；

3）改造后的矿井通风等级属于容易。