麻家梁矿井风阻测定与优化分析

邵良杉，王爱午，李基隆，贾亭贵

（1.辽宁工程技术大学系统工程研究所，辽宁葫芦岛125105;2.同煤集团麻家梁煤矿，山西大同037042）

1 麻家梁矿概况

麻家梁井田位于山西省朔州市南部、朔南矿区东南部，行政区划属朔州市朔城区管辖。瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井。井田内除9下煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，自燃倾向性为容易自燃，其余各煤层自燃倾向等级为Ⅱ类，自燃倾向性为自燃。因此，防止煤层自燃发火是矿井安全生产的重点。

麻家梁井田采区巷道布置以系统简单、合理、环节少为原则，结合井田开拓部署，初期开采的一采区、二采区充分利用开拓大巷作为采区准备巷道，两者“合二为一”。其中一采区利用+665 m水平东大巷作为采区巷道，二采区利用+665 m水平西大巷作为采区巷道，+665 m 水平大巷共布置有四条巷道，分别为+665 m 水平东（西）胶带大巷，沿4号煤层底板布置；+665 m水平东（西）辅助运输大巷，沿4号煤层顶板布置，+665 m水平东（西）回风大巷，沿4号煤顶板布置，四条巷道平行布置，巷间距为40 m。

+665 m水平西翼及东翼胶带运输大巷分别通过1号井底煤仓、2 号井底煤仓和定量带式输送机巷与主立井相连；+665 m 水平西翼及东翼辅助运输大巷通过+665 m 水平井底车场与副立井、主立井相连；西翼及东翼回风大巷直接与回风立井相连。

回采工作面布置在+665 m 水平东、西翼大巷南侧，倾斜长壁布置，顺槽长度3 000 m左右。根据条件类似矿区经验及所配掘进设备，结合麻家梁矿井的开采技术条件及顺槽长度较长的特点，其工作面设计采用单顺槽布置，采用“U”型通风。即每个回采工作面进风侧布置一条胶带顺槽，用于煤炭运输兼进风；回风侧布置一条辅助运输顺槽，辅助运输顺槽用于回采工作面辅助运输任务兼回风。胶带顺槽与+665 m 水平胶带大巷胶带直接搭接，并通过联络巷与+665 m水平辅助运输大巷贯通，辅助运输顺槽与+665 m水平回风大巷直接连接，并通过联络巷与+665 m水平辅助运输大巷贯通，中间设双道双向风门。

井田采区回采方式为采区前进式，工作面回采方式采用后退式。矿井通风方法为机械抽出式，通风方式采用中央分列式。采用立井开拓，共有3个井筒，分别为主立井、副立井、回风立井，其中主立井、副立井为进风井，回风立井为回风井。主立井担负矿井煤炭提升任务兼作辅助进风井及安全出口。井筒内装备两对45 t非标立井箕斗及梯子间，四个箕斗一字排开布置，利于地面井架的布置。井筒内敷设一趟消防洒水管路、一趟压风管路和四趟抢险排水管路。

副立井担负矿井材料、设备和人员升降、矸石提升等全部辅助提升任务兼作主要进风井及安全出口。井筒内装备一套非标特大宽罐笼（可装载5 t 无轨胶轮车）+配重罐笼平衡锤和一套非标小罐笼（交通罐）+平衡锤、梯子间。井筒内敷设三趟正常排水管路、一趟消防洒水管、一趟清水管。回风立井担负矿井二、四采区及一、三采区东部生产时回风任务兼安全出口。井筒内装备封闭梯子间，敷设一趟黄泥灌浆管路。

2 矿井通风系统普查及阻力测定

2.1 技术依据

本次通风系统普查及阻力测定的相关技术标准为《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》[1]与《MT440-1995矿井通风阻力测定方法》[2]。

2.2 普查及测定方法

通风阻力测试的基本方法有两种，气压计法和倾斜压差计法[3]。气压计法测试精度较低，倾斜压差计法测试精度较高，但收、放胶皮管的工作量较大，费时较多，适用于井巷断面大、风量小、对风阻值的测试精度要求很高的情况。

图1 压差计法测试布置Fig1 Test layout with differential pressure gauge

本次测试采用倾斜压差计与气压计相结合的方法。对于压差较大的通风构筑物两侧或巷道行走不便的地方采用气压计法；对于常用的通风巷道采用压差计法[4]，如图1所示。巷道中①和②两测点各安设一根皮托管（或静压管）。皮托管静压孔大致位于巷道中心，尖部迎风，管轴与风向平行；在末点②后至少10 m的地方放置压差计，并调整为水平，将倾斜管固定在弧形板的某一适宜倾斜系数处，把较大压力端的胶管与“+”接头相连，小压力端的胶管接于“-”接头，使三通阀处于“校准”位置，校准水平和对零；然后使三通阀处于“测压”位置，这时倾斜管酒精柱上升的长度即为压差计的读数。在①和②两测点分别用风表测试风速、用尺子测试断面尺寸或用断面仪测试断面积和周长，并测试两测点间的长度和巷道前后两交叉口之间的长度，还需同时用湿度计和气压计测试两测点风流的干、湿球温度和绝对静压，从而测算出两测点的空气密度。将以上测得的数据连同测点号、井巷名称、形状、支护方式等随时填入阻力测试记录表中，并在测试路线图上标明测点位置和测点号。此时压差计所测得的读数值是两测点之间的静压差和位压之和（势能差）[5-6]。用式（1）计算两测点间的压差hy1-2(Pa)。

其中，hd（mm）表示倾斜压差计斜管液面的末读数；h0（mm）表示倾斜压差计斜管液面的初始读数，本次测定h0=0；K表示标于弧形板上的斜管倾斜系数；C表示压差计的精度校正系数。

式（1）同样适用于风流向下的倾斜巷道和水平巷道。利用式（1）计算得到hy1-2后，再减去始末两测点间的速压差，求出始末两点间的摩擦阻力hy1-2，用实测的风量和巷道的其它特征参数，计算出该测段间的摩擦风阻R和摩擦阻力系数α[7]。

2.3 通风系统现状概述

麻家梁矿井现有4 个采区，即一采区、二采区、四采区和五采区。一、二、四采区布置有四条主要巷道，其中辅运大巷、胶带大巷为进风巷，南回风大巷、北回风大巷为回风巷，采区实现了“两进两回”通风系统（注：一采区14103 工作面向东为三巷布置，二采区14207 工作面向西为三巷布置，均为两进一回）；五采区布置有两条主要巷道，其中五采区胶带大巷为进风巷兼做皮带运煤巷，五采区辅运大巷为临时回风巷，临时采用“一进一回”通风系统。矿井现有采掘工作面具体情况见表1。

表1 矿井现阶段采掘工作面分布情况Tab1 Distribution of mining face at present stage of mine

通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，主要通风机型号为AGF606-3.8-1.8-1(2)型轴流式对旋风机，一台工作，一台备用，额定功率为2 500 kW，叶片角度-10°，负压为2 320 Pa。矿井总进风量24 138 m3/min（主井10 700 m3/min、副井13 438 m3/min），矿井总回风量为24 486 m3/min，有效风量为22 559 m3/min，有效风量率为93.46%。

2.4 “三区”阻力与功耗分布分析

矿井的四采区、五采区尚未形成工作面，暂不做重点分析；一采区布置于矿井东翼，三巷布置（东辅运巷、东胶带巷、回风巷）形成“两进一回”通风格局，工作面为U 型式的“一源一汇”结构。二采区布置于矿井西翼，呈四巷布置（东辅运巷、东胶带巷、回风南巷、回风北巷）形成“两进两回”通风格局，工作面为仍U型式的“一源一汇”结构。为了更明晰地分了解各煤层阻力分布情况，以下分析仍以采区作为分析单元。

把各项数据输入《三维通风仿真与优化系统-3DSimOpt》，如图2。计算结果看出，一采区整体是两进一回系统（由东辅运巷、东皮带巷进风，由回风巷回风），采区工作面为一进一回式（14105 胶带巷进风，14105 辅运巷回风）。选取一条主要通路进行三区阻力与功耗分析，结果表明：矿井进风段、用风段、回风段通风阻力的对比为18:39:43见图3，回风区段的通风阻力偏高。

从选择通路上各巷道通风阻力、功耗分布来看，见图5，进风区段最阻力主要集中在进风井上，风量大是其主因；用风区段的通风阻力、功耗主要集中在工作面回风绕道的调节设施上，由于矿井采用全通路调节，因此，工作面回风绕道处调节设施的局阻力也较为明显，这一点可以从图3中得到确认。回风区段的高节阻力巷除回风立井外，回风巷【18-20】、回风巷【20-21】通风阻力也偏大。单一回风结构、通风量大是主要原因。

图2 三维通风仿真与优化系统-3DSimOptFig2 3D ventilation simulation and optimization

图3 一采区（东翼采区）“三区”通风阻力分布Fig3 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.1 mining area(East Wing mining area)

二采区（西翼采区）与一采区（东翼采区）相比，二采区为两进两回系统（由西辅运巷、西胶带巷进风，回风南巷、回风北巷回风）。采区工作面为一进一回式（14205胶带巷进风，14205辅运巷回风）。选取二采区一条主要通路进行三区阻力与功耗分析，测试结果表明，矿井进风段、用风段、回风段通风阻力的对比为31:38:31，见图4，单纯从“三区”阻力分布的比例上来看[8]，分布比例合理。

图4 二采区（西翼采区）“三区”通风阻力分布Fig4 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.2 mining area(West Wing mining area)

但如果从选择通路上各巷道通风阻力、功耗分布比对来看，如图6所示，通风阻力分布曲线与功耗分布曲线不一致，特别是工作面回风绕道【59-49】，阻力大幅高于功耗线是局阻异常的特征体现。这是由于工作面回风调节设施造成的，局部阻力高达410 Pa。同时，从通路曲线上为看，进、回风井的阻力也较高，风量大是其主因。

图5 一采区（东翼采区）选择通路各巷道通风阻力、功耗分布Fig5 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in the selected passage of one mining area(East Wing mining area)

图6 二采区（西翼采区）选择通路各巷道通风阻力、功耗分布Fig6 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in selective passage of two mining area(West Wing mining area)

2.5 各盘区间阻力均衡调节分析

从网络结构上来看，麻家梁矿井通风系统是一个“2源1汇”“4个采区”并列开采的通风网络[9]，见图7。其中，四采区、五采区尚未形成工作面，以掘进为主。从生产布局上来看，形成一采区（东翼采区）与二采区（西翼采区）为两大重点并联采区结构。从阻力均衡角度来看，如何保持各盘区通风阻力的均衡，盘区间的调节阻力最小是实现矿井通风系统通风总阻力最小、矿井总功耗最小，同时实现矿井通风系统稳定的关键所在。

图7 矿井网络结构示意图Fig7 Schematic diagram of mine network structure

从各采区为了采区平衡而增设的调节风窗效果来看，矿井通风阻力最大的采区为二采区，见表2。

表2 各工作面回风调节内窗情况Tab2 Wind return inside windows of each working face

2.6 通风系统存在的问题

通过上述分析，目前麻家梁煤业公司就矿井通风方面存在以下几个问题：

（1）从矿井一采区“三区”通风阻力分布（18:39:43）来看：进风区段最阻力主要集中在进风井上，风量大是其主因；用风区段的通风阻力、功耗主要集中在工作面回风绕道的调节设施上，由于矿井采用全通路调节，因此，工作面回风绕道处调节设施的局阻力也较为明显，这一点可以从图3中得到确认。回风区段的高节阻力巷除回风立井外，回风巷【18-20】、回风巷【20-21】通风阻力也偏大。单一回风结构、通风量大是主要原因。

（2）矿井采用全通路调节。即矿井的每一条通路均设有调节设施控风。这种调节方式一是人为抬升矿井调节阻力，增加主通风功耗；二是增加系统的灵敏性，增加局部系统微调难度。从表1中调节设施的调节量中可以看出14205工作面回风绕巷【59→49】处的调节量最小，为410 Pa，即14205工作面是最大阻力路线通路分支。从矿井网络全通路阻力分布来看，每个分支如果减少一个固定阻力的话，整个网络仍然平衡。因此，有必要针对矿井全通路控制的方法进行减阻降耗优化。

3 通风系统降阻扩能优化方案设计

通过1、2节分析可知，矿井采用全通路回风调节，造成矿井阻力虚高的问题。故本次优化方案设计拟以14205 工作面回风绕巷【59→49】处的调节（410 Pa）为基准对矿井全通路实施减阻降耗优化。

3.1 方案可行性分析

从网络结构上来看，麻家梁全矿13 处工作面（采煤或掘进），其中分为10 处掘进工作面，3 处采煤工作面。13个工作面互为并联分支，为了各工作面间压力平衡，达到按需通风的目的，每一处均设有调节风窗。从通风优化角度出发，要使13个并联风路的风量达到配需风要求，只需设置12处调节设施即可实现。但实际工程中，矿井在每个关联通路均增设调节设施，而且最大阻力通路上最小的调节压差410 Pa 以上，可以大大制约矿井的通风能力。

因此，可通过降低各并联分支调节风阻来实现整个矿井通风系统的降阻，拆降1处调节设施，调整其余12 个调节量。通过现场测试，选定14205 工作面为过最大阻力路线工作面，即完全拆除其回风绕道处的调节设施，同时，放宽其它各并联分支的调节量实行系统降阻扩能。

3.3 方案降阻效果预估

为了更明晰地分了解各煤层阻力分布情况，以下分析仍以采区作为分析单元。

选取一采区同一条主要通路进行三区阻力与功耗分析。结果表明，矿井进风段、用风段、回风段通风阻力的对比由原来的18:39:43改变为21:28:51，用风区段的通风阻力得到大幅下降，鉴于用风区段阻力所占总阻力的比例降低，变相增大进、回风区段的通风阻力比例。见图8。从选择通路上各巷道通风阻力、功耗分布来看，见图5、图10，原主要集中在工作面回风绕道的调节设施上的风压差得到大幅削减。

图8 一采区（东翼采区）“三区”通风阻力分布Fig8 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.1 mining area(East Wing mining area)

选取二采区同一条主要通路进行三区阻力与功耗分析。结果表明，矿井进风段、用风段、回风段通风阻力的对比由原来的31:38:31改变为37:26:37，用风区段的通风阻力得到大幅下降。同理，鉴于用风区段阻力所占总阻力的比例降低，变相增大进、回风区段的通风阻力比例(见图9)。

图9 二采区（西翼采区）“三区”通风阻力分布Fig9 Ventilation resistance distribution of"three zones"in No.2 mining area(West Wing mining area)

值得注意的是，如果单纯从阻力分布的数字上来看，降阻前的“三区”阻力分布更接近于3：4：3 的定律。因此，如果单纯抛开网络结构而仅考虑“三区”阻力分布是不恰当的。此外，从选择通路上各巷道通风阻力、功耗分布比对来看，如图6、图11 所示，通风阻力分布曲线与功耗分布曲线不一致性得到有效缓减，特别是工作面回风绕道【59-49】处的调节阻力得到大幅降低。

图10 一采区（东翼采区）选择通路各巷道通风阻力、功耗分布Fig.10 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in the selected passage of No.1 mining area (East Wing mining area)

图11 二采区（西翼采区）选择通路各巷道通风阻力、功耗分布Fig11 Ventilation resistance and power consumption distribution of each roadway in selective passage of No.2 mining area(West Wing mining area)

此次降阻调节方案主要是解决针对各工作面回风绕道设置构筑物不当，而引起的矿井通风阻力虚高的问题。需要重点说明的是，在方案的模拟分析中缺少主通风机实际工作曲线，因此，最终降阻幅度与风量变化是考虑主通风机实际工作曲线的影响。

4 结论与建议

（1）麻家梁煤业通风系统采用的是一个“2 源1汇”、4 个采区并联布置的通风网络。其中，最大阻力采区为矿井的二采区层。一采区“三区”的通风阻力分布比例为18:39:43。二采区“三区”的通风阻力分布比例为31:38:31。但从通风阻力、功耗对比分析来看：一、二采区均存用风区段的通风阻力偏高，特别是回风绕道阻力异常背离功耗的问题。建议对矿井用风区段实行降阻优化。

（2）矿井采用全通路调节。即矿井的每一条通路均设有调节设施控风。这种调节方式一是人为抬升矿井调节阻力，增加主通风功耗；二是增加系统的灵敏性，增加局部系统微调难度。因此，选定14205工作面为过最大阻力路线工作面，即完全拆除其回风绕道处的调节设施，同时，放宽其它各并联分支的调节量，实行系统降阻扩能。通过模拟分析可知，二采区降阻扩能方案可行，能够达到矿井降阻扩能的效果。

（3）从各个采区间的平衡压差上来看，二采区是最大阻力采区，但与一采区间平衡压差不大，说明一、二采区间风压分布相对均衡，从网络结构上看，这与矿井西翼需风量大有直接关系。如果一采区需风量增加，那么东翼回风巷的阻力将明显提升，采区的阻力分布也会发生转移。必要时，建议增补回风巷，形成“2进2回”通风格局。