孟津煤矿通风系统优化改造

鲁忠良，李玉江，杨楠珂

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作 454003；3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

孟津煤矿通风系统优化改造

鲁忠良1，2，3，4，李玉江1，杨楠珂1

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南 焦作 454003；3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454003；4.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

针对孟津煤矿通风总阻力偏大、东翼回风大巷风速超限，矿井采掘部署不合理，风量浪费严重的问题，通过对通风阻力测定和主要风机性能鉴定的结果进行分析，制定了优化方案，主要措施包括：巷道降阻、合理配风、后期通风系统确定，利用VNT软件数据解网，验证了优化方案的效果。并针对矿井后期的生产部署，制定了二水平的通风系统方案，通过评价对比，选择了合理方案。结果表明，对东翼回风大巷断面扩修可有效降低矿井通风阻力，大大降低风机能耗，通风系统稳定、可靠，为矿井安全生产提供了保障。

矿井；通风系统；优化方案；改造

1 孟津煤矿通风系统优化的必要性

孟津煤矿位于河南省孟津县横水镇境内，矿井设计生产能力1.2Mt/a，采用立井两水平上下山开拓。矿井东一采区布置1个综采工作面和1个抽放工作面6个掘进工作面，西二采区布置8个掘进工作面。矿井瓦斯含量为3.20～9.80m3/t，平均6.97m3/t。矿井通风方式为中央并列式，主要通风机的通风方式为抽出式，副井进风，风井回风。中央风井位于工业场地内，服务一水平上、下山采区，服务年限37.2年。矿井总进风量215.8m3/s，矿井总回风量218.39m3/s。矿井外部漏风率1.19%。中央风井布置两台同型号对旋式通风机，一台正常工作，另一台备用，型号为：FBCDZ NO.34/2×560。

孟津煤矿为新建矿井，处于试运转阶段，井下掘进巷道较多，矿井需风量较大，通风系统虽然不复杂，但是由于管理不完善，施工不标准等原因，通风系统仍然存在较多问题。如东翼回风大巷风速已接近8m/s，风速较高的问题；矿井的通风总阻力偏大，在目前主通风机-3°运行状态下，井下通风系统如果发生突然变化(阻力升高)，风机极易超负荷，影响井下的通风系统的稳定性，同时降低了矿井通风系统的抗灾变能力。还有随着矿井的开采，矿井向二水平延伸，通风线路较长，仍然采用中央并列式通风方式能否满足矿井二水平的生产要求等这一系列的问题都是孟津煤矿亟需解决的问题，矿井的通风系统优化势在必行。

2 通风技术测试分析及现行通风系统网络模拟

2.1 通风现状技术测定

矿井通风是煤矿井下多个生产环节中非常重要的一个环节，随着矿井的生产延伸，矿井的通风系统也在不断变化，要对矿井进行系统优化，必须及时获取矿井的重要通风技术参数，主要包括矿井通风网络的阻力分布情况和各分支巷道的风阻值、摩擦阻力系数[1-3]。采用气压计法中的双基点同时测定法对矿井进行了全面的通风阻力测定，并对通风阻力、风阻、摩擦阻力系数进行了计算。

2.2 测定结果分析

矿井通风阻力沿程分布状况如图1、图2所示。矿井三段(进风段、用风段、回风段)通风阻力的百分比情况见表1。

表1 矿井通风三段阻力分布情况

图1 孟津煤矿矿井通风阻力三段分布图(主测路线)

图2 孟津煤矿矿井通风阻力三段分布图(辅测路线)

从阻力分布图1、图2和表1看出：义煤集团孟津煤矿进风段、用风段和回风段的阻力分别占总阻力的27.64%、39.62%、32.74%。三段阻力分布状况根据现状较合理。从矿井百米阻力值来看，回风段百米阻力值偏大，主要是回风路线长，且回风巷道断面小，底板杂物多增加摩擦阻力。从阻力分布图可以看出，水平东翼回风大巷阻力是435.707Pa，阻力偏大主要原因是回风巷断面小风量大而且底板不平整、部分巷道形状不规则造成的。用风段阻力偏大主要原因是，工作面的胶带顺槽和轨道顺槽中间部分巷道支护形式发生改变，并且断面变小，所以局部阻力偏大。

2.3 现行系统通风网络解算

矿井通风系统现状网络解算是矿井通风系统优化的基础[4]，通过当前通风网络和实测各分支风阻值，2#主通风机在-3°运行条件下，挂网解算，解算结果见表2和表3。

由表1、表2知，解算的主要巷道风量与实测风量较吻合，测量结果的相对误差均小于5%，从而表明，通风网络各分支的风阻值测算结果准确、可靠。可作为通风系统优化、改造和通风日常管理的依据。

3 孟津煤矿通风系统优化

3.1 巷道降阻

3.1.1 改造方案

扩修东翼回风大巷，断面增大至16m2，工作面的轨道顺槽和胶带顺槽中间支护形式和巷道断面发生突然改变处，增加挡风帘遮挡，避免巷道突然增大或减小导致的局部阻力过大。

3.1.2 解网条件

降阻工作完成后，根据矿井通风阻力各项实测数据，1#风机-3°运行，掘进工作面和硐室按固定风量分风。采煤工作面自然分风，挂网解算，解算结果见表4和表5。

表2 主要通风机运行工况表

表3 矿井主要用风地点通过风量表

表4 孟津煤矿主要通风机运行工况表

表5 孟津煤矿主要用风地点通过风量表

东翼回风大巷断面扩修和工作面局部阻力降低后，矿井总阻力降低至2720.7Pa，小于2940Pa，各高阻力段的阻力值都有不同程度的降低，井下重要用风地点的风量满足要求。主通风机功率由693.435kW，降低至606.808kW，同时风机效率又80.65%增至82.74%。东翼回风大巷断面经扩修后，虽然回风风量有所增加，但是风速却降低至7.1m/s，满足规程规定。表明此方案对矿井的通风系统启到显著的调节作用。

但是，解算结果显示矿井工作面的风量超过1500m3/min的配风标准793.2m3/min。矿井的风量浪费较严重，建议进一步优化。

3.2 合理配风优化

通过方案一的优化，矿井的风量、负压各项指标均正常，可以满足矿井的正常的生产需要。孟津煤矿处于生产的初期阶段，矿井主通风机能力较强，井下风量充足，但是井下用风地点的配风量远远超过配风标准。这就造成很大一部分风量的浪费，风机能耗较高。并且井下掘进巷道有14条，部分掘进工作面回风流交汇，由于孟津煤矿为煤与瓦斯突出矿井，这种布置存在一定的安全隐患，并且降低了矿井的抗灾变能力。

3.2.1 矿井采掘部署分析

矿井目前布置11011综采工作面长度120m，煤层平均厚度3.5m，年推进度1900m，煤的视密度为1.44t/m3，工作面回采率取0.97，工作面生产能力：Q综=120×1900×3.5×1.44×0.97×10-4=1.115 Mt/a。

掘进煤量0.105 Mt/a，矿井生产能力为1.22Mt/a。矿井目前开采11011工作面，西翼布置12011工作面，目前剩余掘进巷道360m，3个月可以完工，可以满足正常采掘更替。因此，10个掘进工作面，4个煤巷6个岩巷，可以满足矿井的正常生产需要。3.2.2 矿井需风量

采煤工作面1500m3/min，抽采工作面720 m3/min，煤巷掘进600 m3/min，岩巷掘进510 m3/min，井下所有硐室960 m3/min，其他巷道300 m3/min。

则矿井的需风量为：Q矿=(25+12+10×4+6×8.5+16+5)×1.2=178.8 m3/s。

3.2.3 解网条件

根据矿井通风阻力测定结果及合理的生产部署，解网分析。主通风机-9°运行，掘进工作面，硐室按固定风量，采煤工作面，抽采工作面风阻值自然分风，进行挂网结算。结算结果见表6和表7。

表6 孟津煤矿主要通风机运行工况表

表7 孟津煤矿主要用风地点通过风量表

3.2.4 结果分析

通过合理的配合和采掘布置，矿井总回风量降低至182.6 m3/s，井下各主要用风地点风量均满足要求。通过降低矿井的风量，矿井的总阻力大大降低，阻力值降低1810.39Pa。主通风机-9°运行，风机效率可以满足要求，风机的功率降低至425.342kW。大大降低矿井能耗，并且降低了通风的成本。

3.3 孟津煤矿后期通风系统的确定

3.3.1 后期矿井通风状况分析及方案提出

矿井目前开采一水平，采用中央并列式的通风方式，副井进风，中央风井回风。矿井二水平投产后，整个通风线路大大加长，阻力增大，矿井的通风系统将更加复杂，需要合理的通风方案，来保证矿井的安全生产。通过对矿井各个方面因素的综合分析，制定矿井的通风系统方案。切实可行的方案有两个：①仍然采用原来的中央并列式通风，副井进风，风井回风；②在井田南部重新布置风井，负担二水平的回风任务。

3.3.2 后期通风系统方案评价

矿井通风系统优化方案的优劣评价主要从技术可行、安全可靠、经济合理三个方面考虑[5]。矿井通风系统多个评价指标，各个指标间存在着不可公度性和矛盾性，为综合考虑各项指标，科学评价通风系统必须采用多目标决策法[6-7]。针对孟津煤矿后期的通风系统方案采用多目标决策法中的最高积分法。

最高积分法即：设一个问题目标有m个，被评价的方案有n个，对于每一方案的每一目标，皆有一评价值，所有的评价构成一个评价矩阵(式(1))。

(1)

式中，Eij为第j个方案的第i项指标的评价值。

Eij是根据各项指标的原始评价值计算得出的。若第i项指标为定性指标，由专家给定其原始评价值，当为定量指标时，直接作为原始评价值。

设各项指标的原始评价值为fij，当第i个指标要求越小越好时，则在第n个方案中，以第i项指标最小作为一个标准(式(2))。

(2)

然后计算Eij(式(3))。

(3)

当第i项指标要求越大越好时，令

(4)

然后计算Eij(式(5))。

(5)

由于各项指标重要程度不同，各个目标的权重也不同，则将个目标的评价值与权值的成绩之和作为综合指标(式(6))。

(6)

式中Wi为第i项指标的权值。

最后的评价结果认为Mj最大的为最优的方案[8，10]。

利用此方法对孟津煤矿后期通风系统的两套方案进行综合评价，各项指标及权重见表8。

表8 评价指标各项评价值及权重

最后计算得方案1的M为25.1，方案2的M值为34.5。方案2明显优于方案1。

3.3.3 后期通风系统方案选取

方案1的优点是避免了重新设计回风立井和风机设备。缺点是矿井生产后期的通风线路将达到5400m，整个矿井通风阻力较大，通风困难。并且二水平较深，瓦斯含量大，地温也将增高，矿井的各种自然灾害将更加严重，深部没有安全出口，矿井的抗灾变能力和稳定性较低。

方案2的优点是矿井增加了一个回风口，矿井的阻力较小，通风也相对容易，并且增加一个安全出口，提高了矿井通风系统的稳定性和抗灾变能力。缺点是投资较大。

以技术可行、经济合理、安全可靠的原则，综合对比，确定二水平的通风系统采用中央分列式的通风方式。

4 结 语

1)通过通风阻力测定与vnt模拟结果，系统分析了矿井通风阻力过大的原因，制定了通风系统优化的方案：对东翼回风大巷断面进行了扩修，断面积扩修至设计断面16m2，矿井的阻力降低至2720.7Pa，有效的降低了矿井的通风阻力。

2)通过对矿井生产能力和采掘部署的合理分析，最终确定，井下在10个掘进工作面的前提下就可以保持矿井的正常生产。据此，调整主通风机的叶片角度至-9°，调整了矿井的配风，矿井各个地点的用风可以满足要求，通风系统综合评价指标由3.7提升到34.5，提高了矿井通风系统的稳定性，风机的功率由原来的693.435kW降低到425.342kW，大大降低了风机能耗。

3)提出了孟津煤矿生产后期，二水平的通风系统方案，通过对技术可行、经济合理和安全可靠等方面的分析，采用最高积分法对后期方案进行评价，选择了矿井二水平的通风系统方案。

[1] 吴建辉.嵩山矿通风系统优化研究[D].焦作：河南理工大学，2011.

[2] 田学起.矿井高效低耗通风系统的构成模式研究[D].青岛：山东科技大学，2005.

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Optimization for ventilation system of Mengjin Coal Mine

LU Zhong-liang1，2，3，4，LI Yu-jiang1，YANG Nan-ke1

(1.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China；2.Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control，Jiaozuo 454003，China；3.Collaborative Innovation Center of Central Plains Economic Region for Coalbed /Shale Gas，Jiaozuo 454003 China；4.The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan Province，Jiaozuo 454003，China)

In view of the Mengjin Coal Mine’s large total ventilation resistance，east wing main return way wind speed out of gauge，coal mining deployment is not reasonable，and the wind-waste problem is getting serious.The optimization scheme is made up，which is analyzed by measuring the resistance of the ventilation and the main fan performance appraisal results.The main measures include：reducing the tunnel resistance、reasonable distribution of air quantity、determine the later ventilation system，through the solution of network by using VNT，verified the effect of the optimization schemes.And according to the mine’s later production deployment，developed a ventilation system of the second level.By evaluating contrast，chose the reasonable solution.The results showed that expand the section of the air return roadway can effectively reduce the resistance of mine ventilation system，greatly reduce the energy consumption of the fan，and the ventilation system will be stable and reliable，provide guarantee for production safety of the mine.

coal mine；ventilating system；optimization scheme；reform

2015-02-27

国家自然科学基金资助项目“基于有源风网力学模型的煤与瓦斯突出矿井通风系统灾变过程研究”资助(编号：51174109)

鲁忠良(1964-)，男，吉林镇赉人，教授，硕士研究生导师，研究方向为通风与除尘。E-mail：zhonglianglu@ 126.com。

TD728

A

1004-4051(2015)08-0105-05