煤矿通风系统运行效能的优化探析

张 磊

（霍州煤电集团金能煤业有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

矿井通风系统主要在煤矿中用来调节井下环境，该系统主要是作用在煤矿的开采阶段，其可称为煤矿作业中最重要的辅助系统，包括通风机、通风网络以及通风巷道。在整个通风系统中，通风机是运行的动力，通风网络对风量的分配方式起决定性的作用，通风巷道则为空气流动提供了通道。上述三个部分均会影响到矿井通风系统的运行状况。由于通风巷道会随着时间而发生变形，故通风系统在建设初期处在最佳状态下。但伴随着巷道使用时间的推移，巷道也会产生相应的变形，使得通风网络相比初期会更加复杂些，同时也降低了风机的运行效率，这就会对整个系统的运行状态产生不好的影响。根据资料统计，在整个矿井所消耗的电能中，矿井通风系统的通风机消耗电能占比一半还多。如果加上巷道变形使系统运行工况变差的情况，将会白白耗费更多电能。因此，为了提高矿井通风系统的安全和经济性能，对矿井通风系统进行持续合理的优化是十分必要的[1]。

1 影响矿井通风系统运行效能的因素

本文提出以下指标来确保系统的优化合理有效，主要包括有全局指标和局部指标两类，全局指标比如矿井的等积孔参数，局部指标包括有巷道的摩擦力大小。为了详细阐述，将分别对指标进行一一介绍，并探究其影响因素。

1.1 矿井等积孔

矿井等积孔作为一项重要指标，它是用来衡量矿井通风的难易程度的，等积孔面积可以由矿井通风量和通风阻力的大小来表示，其表达式如（1）式所表示：

式中：A 为矿井等积孔面积，m2；Q 为矿井通风量，m3/s；hRm为通风机的风压，正比于矿机通风阻力，Pa。

从式（1）可以清晰地看出，矿井等积孔面积大小A 与矿井通风量Q 和通风机的风压hRm这两个因素相关。表1 是展示出了矿井系统的通风阻力、通风效果与等积孔面积的大致对应关系。

表1 煤矿通风情况难易程度标准表

根据矿井通风难易程度标准表可以看出，随着矿井的等积孔面积的增大，矿井的风阻会相应减小，风阻等级也产生了相应变化，两者是呈相反的增减趋势。对应地，矿井通风的难易程度也可以通过等积孔的面积变化来进行判定。当然这只是判断系统通风阻力的其中一个指标。为了准确探究导致矿井通风阻力增加的原因，还需要对巷道的通风阻力进行进一步的分析[2]。

1.2 巷道通风阻力

在地下的煤矿井中，通风都是必须通过固定的巷道来实现。巷道作为空气流动的通道，风在巷道中的阻力是衡量矿井通风能力的重要部分。对于简单单一的巷道，它通风时产生的摩擦阻力可以由式（2）表示：

式中：hf为摩擦通风阻力，Pa；α 为巷道阻力系数，kg/m3；L 为巷道长度，m；U 为巷道断面周长，m；S 为巷道断面面积，m2。

从式（2）中可以看出，巷道的通风阻力hf与五个因素相关，巷道阻力系数α、巷道长度L、巷道断面形状（包括巷道断面的周长U 和面积S），同时也与巷道风速有一定的关系。由式中的指数关系可知，巷道断面面积与巷道风速这两个因素对巷道的通风阻力影响相比其他的较大些。由此不难看出，如果巷道中堆积过多的杂物，会使巷道断面的面积降低，从而使巷道风阻增大，影响通风效果。另外，对风速的分配也应该合理科学，风速大巷道阻力会减小，但考虑到经济安全等各方面因素，风速不能过大。因此，应当将风速保持在一定的范围中。

上述只是对单一巷道的通风阻力进行了分析，而在实际的矿井通风系统中，是由一定复杂程度的通风网络来构成的。而通风网络则是由很多条巷道以串联或者并联的形式连接而成的。由于通风网络各不相同，因此只有对已确定的通风网络才能计算复杂的巷道通风阻力，进而衡量矿井的通风情况。

1.3 矿井通风网络

矿井的通风网络是由若干条的通风巷道以一定方式连接而成。如图1 所示，矿井通风系统中常见的矿井通风网络有三种类型，串联型、并联型和角联型。串联型通风网络的通风阻力计算相对简单，将各单一巷道的通风阻力直接相加即可；对于后两个并联型和角联型，通风阻力的计算比较复杂，往往需要利用数学软件来分析计算[3]。

图1 常见的矿井通风网络示意图

在矿井开采的初期，一般是使用串联型或者并联型矿井通风网络。到了开采后期，于通风巷道增多，常采用角联型通风网络。通风阻力的调节会随着通风网络的复杂而变得更加困难，因此通风系统设计过程中要尽可能避开复杂的通风网络。

1.4 主通风机工况点

矿井的主通风机是矿井通风系统运行的动力。通风机需要在通风系统的运行过程中满足矿井作业生产所需要的风量，同时还要保证一定的生产效率。如图2 所示，不同的主通风机工作的工况会影响通风机的运行效率。从图2 可以看出，通风阻力、通风机的机械特性和通风量均会对主通风机运行的全压效率产生影响。主通风机的全压效率也会随着运行工况的变化而产生变化。因此，将风量选择在合适的范围以及选择合适的风机，会使通风机处在一个较佳的运行状态下。

图2 主通风机工况点与运行效率的关系

2 矿井通风系统优化措施

通过对上述提出的几个指标可以分析得出，对矿井通风系统的优化重点措施可以在巷道通风阻力、矿井的通风网络以及主通风机的运行工况这三个方面来进行。特别说明的是，等积孔面积虽说是作为矿井通风难易程度的一项指标，但它是通风阻力、通风网络及风机工况点的综合指标，不能对等积孔进行直接优化。

2.1 降低巷道通风阻力

据式（2）的巷道通风阻力的表达式可以看出，若风量一定，巷道通风阻力是与巷道断面的周长、面积以及阻力系数相关。尤其是，式（2）中表明，巷道的通风阻力和通风巷道的断面面积的三次方是成反比的，因此在其他条件不变的情况下，提高巷道断面面积能在很大程度上降低系统的通风阻力。所以，在通风系统中，应该尽可能增大通风巷道断面的面积。由数学关系可知，在同周长的情况下，圆形面积大于拱形面积大于矩形面积。对于新开掘巷道，尽可能采用圆形的巷道断面，但与之会增加施工难度。对于已经投入使用的巷道，不能堆积过多的杂物使通道被占用，要有效保证通风巷道的断面面积。另外要定期检修清理，保证巷道通道的干燥整洁完整性。

2.2 优化矿井通风网络，改善主通风机工况点

矿井的通风网络在通风系统中对通风阻力起决定性作用，它不仅对通风系统的运行产生影响，还会对主通风机的工况点产生一定的影响。矿井通风系统在矿井的开采初期阶段，通风网络相对比较简单，只服务一个回采工作面。而在开采矿井的中后阶段，矿井的整体通风面积会逐渐变大，通风路线也会有所增加，矿井的通风网络也会随之变得复杂很多，与之同时也会相应增加漏风量。在矿井开采中后期的通风系统，可以通过改善通风网络来进行系统的优化。中后期的矿井通风网络比较复杂，风量也会随着通风网络的变化而变化，不能通过简单改变而优化，需要结合数值分析来对通风网络进行一定程度的优化，从而找到最佳优化措施。

对于不同类型的通风网络的优化要区分开来分析。并联型的通风网络相比串联型的通风网络的通风阻力要小一些，故可以通过采用并联型的通风网络来应用到部分通风阻力较大的巷道中。一些矿井可以利用废弃不用的巷道很容易就可以增加巷道的断面面积，这样一来降低了废弃巷道中瓦斯的积聚，同时还可以增加巷道的利用率。

而由于矿井通风阻力和风量的大小还会影响主通风机工况点。因此，对矿井的通风系统采取了一系列的优化措施之后，还要考虑对工况点的影响，此时对矿井的通风量进行重新计算，从而控制调节主通风机的工况点，这也能增高了风机的运行效率。

3 结语

作为煤矿生产作业中重要的辅助系统，矿井的通风系统运行的可靠性和安全性至关重要，他会直接影响着矿井生产的高产高效。从巷道使用初期到中后期，巷道会产生一定的变形，系统的通风网络也不会像初期那样简单，同时也降低了风机的运行效率，从而影响了整个矿井的通风状况。本文分析了巷道的矿井通风阻力变化的影响因素，进而科学合理地提出要降低整个矿井通风系统阻力的措施，包括减小巷道的通风阻力、改善通风网络的形式、变化矿井通风工况点等，这些均可达到优化矿井的通风系统的目的。