杨村煤矿通风系统优化改造研究

周琛，卢平，苗彪彪，李镇韬

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

2018 年全国共开采原煤35.46 亿t，不仅在全球各国中排名第一，而且产量接近全球煤炭总产量的一半。煤炭资源是我国经济发展的基础，因此做好矿井的安全工作是必不可少的[1-2]。 矿井通风系统作为矿山生产的八大系统之一，扮演着服务于生产的重要角色，但同时又对生产起到制约的作用，它对井下作业环境质量、生产安全有序的进行、井下小气候的调节、提高企业的经济效益有举足轻重的影响[3]。

矿井通风系统是由矿井通风网络、主通风机等若干子系统及其单元组成的大型复杂关联系统[4]。对于年产量超过百万吨的大型矿井通风系统优化，具有通风巷道复杂，影响因素多，计算量大的特点，所以仅仅是靠人工来分析是难以得到满足生产要求的最佳优化结果的。早在20 世纪60 年代国外就开发出通风网络解算应用程序，利用计算机来解决矿井通风网络问题。经过陆续发展，开发出通风系统的网络解算应用软件，其中代表性的有Mintech、Datamine[5-7]。我国矿井通风网络解算研究起步较晚，是从20 世纪80 年代开始的，中国矿业大学和辽宁工程技术大学等科研院校，在矿井通风系统网络模拟和计算机联合应用理论研究等方面进行了有益探索，也开发了相应的软件如通风专家3.0 版和Windows MⅤENT2.0 等[8-10]。 矿井通风网络模拟作为分析矿井通风系统的有力工具，得到了很好发展，使矿井通风技术得到新的发展。

本文以山东杨村煤矿为例，进行通风现状调查，测定矿井通风阻力，绘制矿井通风基础网络图，对矿井通风现状进行网络模拟解算，找出矿井通风出现的主要问题，提出优化改造方案。

1 矿井概况

杨村煤矿位于济宁市高新区，井田平面为不规则的多边形，南北走向长约9 km，中偏北部最宽处约5.4 km，南部呈倒三角形，面积27.451 km2。1989 年开始投产，设计生产能力60 万t/a，1995 年经山东省批准从兴隆庄矿划给杨村煤矿部分3 煤以后，经过实施矿井生产技术改造工程，2006 年核定生产能力为115 万t/a，2018 年矿井核定生产能力为142 万t/a，2017 年实际生产原煤113.06 万t。矿井通风方式为两翼对角式，副井、主井进风(主井向井下供给少量风)，南、北风井回风。2019年3 月，矿井总进风量7 798 m3/min，总回风量7 896 m3/min，其中北风井回风量3 476 m3/min，负压为1 530 Pa，南风井回风量4 420 m3/min，南风井排风量4 530 m3/min，负压为1 410 Pa。

2 矿井通风阻力调查与分析

2.1 通风阻力测定

按照矿井通风阻力测定的要求，结合矿井巷道布置的具体条件和通风系统调整优化的需要，对杨村煤矿北翼通风系统的通风阻力进行了测定[11]，原始数据及测算结果如图1。

图1 杨村煤矿北翼通风系统各测段通风阻力分布图

杨村煤矿北翼通风系统存在的主要问题如下：①矿井南、北两翼公共进风段—— -273 轨道运输大巷南部副井南绕道至东大巷段：长度约380 m，通风断面小，约10 m2，过风量大，5 314 m3/min，风速高达8.86 m/s，风速超限，通风阻力高达154.2 Pa，后期随着北翼采区风量的增加，此段过风量进一步增加，成为进风“卡脖子”地段；②一采区总回风巷——一采回风上山与一采运输上山：两条巷道底鼓、片帮、冒落等严重，导致局部地段有效通风断面仅3～4 m2，长度约1 200 m，通风量达3 015 m3/min，通风阻力高达371.1 Pa；③-190 总回风巷：长度约850 m，通风断面约10.7 m2，风量3 021 m3/min，通风阻力高达267.7 Pa，导致回风段总阻力占总阻力的63.8%。

2.2 主要通风井性能

矿井通风方式为两翼对角式，副井、主井进风，南、北风井回风。北风井地面通风机房安装两台1986 年12 月生产的G4-73-11№22D 型离心式通风机，一供一备；均配备1989 年9 月生产的JS138-10 型电机，风机额定功率180 kW，转速580 r/min。

山东鼎安检测技术有限公司于2018 年9 月15 日对该矿北风井主通风机系统进行了安全性能检测。从图2 中可以看出，北风井G4-73-11№22D型离心式通风机目前的运行工况点位于通风机特性曲线右下侧、单调下降的线段上，主通风机风量3 476 m3/min，负压为1 530 Pa，通风机系统运转平稳，处于安全合理的运行状态。G4-73-11№22D 型离心式通风机最大风量为4 383 m3/min，供风能力小，虽然目前通风机风量基本满足安全需求，但后期进一步提高供风量的能力有限。

图2 杨村煤矿北风井G4-73-11№22D风机实际特性曲线

2.3 通风网络解算数学模型

通风网络数学模型本质为大型非线性方程组，满足风量基本分配规律：

阻力定律：hi=Ri⋅Mi2

- 分支风压向量矩阵的转置矩阵，=[H1,H2,…,Hn]T，Hi=hi-hNi-hfi

hi- 分支i的通风阻力；hNi- 分支i的位能差；hfi-分支i的风机风压；

Ri-分支风阻；Mi-分支风量

对于一个网络(分支n，节点m)，其独立回路数：N=n-m+ 1。

3 改造方案及分析

3.1 矿井主要进回风巷道通风能力分析

表1 列出了杨村煤矿主要进回风巷道的通风能力。在进风系统方面，存在的问题是：①-273 轨道运输大巷：为南翼、东翼采区公共进风巷道，断面小，仅10.4 m2，最大过风量约5 000 m3/min，其中南部副井南绕道至东大巷口段目前风速为6.2 m/s，矿井后期随着东翼16、17 煤的开拓，用风量将大幅增加，此段风速将超限，通风阻力大，成为通风卡脖子地段。②东大巷：为东翼3 煤采区与后期东翼16、17煤采区主要进风巷道，最大过风量为5 472 m3/min，根据《兖州煤业股份有限公司杨村煤矿3 煤浅部采区方案设计说明书》中3 煤接续安排，3 煤生产后期全部集中于东翼，风量达4 000 m3/min，加上东翼16、17 煤采区用风，此段巷道风量将超限。③南三煤轨道上山：东翼3 煤采区主要进风巷道，最大过风量约3 000 m3/min，3 煤总需风量达4 000 m3/min，当此巷道成为其唯一进风巷道时，风速超限。

在回风系统方面，问题存在于总回风巷道：①一采区轨道上山与一采区皮带上山：并联总回巷道，平均断面仅6.4 m2，单条巷道最大过风量约3 000 m3/min，累计6 000 m3/min，目前两条巷道底鼓变形严重，局部地点有效通风断面仅3～4 m2，风速超限，属于通风卡脖子地段，考虑到后期北风井负担的风量约7 400 m3/min，需采取增加巷道断面或增加并联巷道的降阻措施。②-190 总回风巷：连接北风井的总回巷道，最大过风量约5 400 m3/min，为了缓解后期总风量7 400 m3/min 的通风阻力，需同时使用北风井南、北两条巷道来分风。

表1 矿井主要进回风巷道通风能力

因此，杨村煤矿主要进回风巷道均存在一定的问题，北翼总回风巷道的问题尤为突出。

3.2 矿井通风系统改造效果预测

基于矿井通风现状调查结果，结合矿井安全生产实际，提出如下的四种井下降阻措施，见表2。

表2 矿井通风系统改造方案

经过矿井通风网络计算，结果表明：①仅扩修-273 轨道运输大巷(方案1)，能解决此段巷道风速超限问题，降低此段巷道通风阻力，但对全矿井通风系统影响较小，矿井通风总阻力由3 631.2 Pa降至3 473.6 Pa，根据《煤矿井工开采通风技术条件》规定矿井通风系统风量在5 000～10 000 m3/min时，系统的通风阻力应小于2 500 Pa[12]，故此方案不满足要求；②在此基础上，扩修一采轨道、皮带上山并增加一、三采并联回风巷道，即改善回风系统(方案2)，此方案可大幅降低总回风巷道通风阻力，矿井通风总阻力由3 473.6 Pa 降至2 717.2 Pa，仍不满足安全要求；③进一步采取井下降阻措施，即调整通风设施将北翼采区风量向南翼分流，控制分流风量为500 m3/min，方案3 显示矿井通风总阻力降至2 509.9 Pa，基本满足安全要求；④进一步控制北翼采区风量向南翼分流风量为1 000 m3/min，方案4 显示矿井通风总阻力降至2 439.8 Pa，完全满足安全要求。表3 反映了4 种改造方案后主要巷道风阻力变化。

表3 改进后主要进回风巷道通风阻力 Pa

因此，为满足安全要求，需要同时实施扩修-273 轨道运输大巷，扩修一采轨道、皮带上山并增加一、三采并联回风巷道，北翼采区向南翼分流(分流风量＞1 000 m3/min)等综合井下降阻措施。

4 结论

(1)通过对通风路线系统阻力分布分析，公共回风段通风阻力偏大通风功耗多浪费在进回风段，用风段实际利用的很少。

(2)通过实施扩修-273 轨道运输大巷，扩修一采轨道、皮带上山并增加三采轨道、皮带上山并联回风巷道，北翼采区向南翼分流(分流风量≥1 000 m3/min)等综合井下降阻措施，矿井通风总阻力降至2 439.8 Pa，完全满足《煤矿井工开采通风技术条件》安全要求。