王庄煤矿西风井主要通风机更换期间通风系统故障预测分析

吴培林

（山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046102）

0 前言

煤炭资源是我国最主要的能源，全国多个煤炭矿井已经为我国的发展贡献了巨大的力量，多年的开采导致部分煤矿的机械设备老化，矿井风机存在喘振、停风等巨大隐患，随时可能导致通风系统瘫痪[1-4]。王庄煤矿随着生产年份的增加，通风系统日益复杂，多次风量调节，西风井主要通风机存在设备磨损，锈蚀严重的问题，对于可靠供风存在重大安全隐患。

针对通风系统动力失效的问题，众多学者分别从通风构筑物有效性及通风构筑物与通风系统失效性关系进行分析[5-6]。引入极限概念判别风量稳定的定量条件，提高通风系统风量稳定性[7]。采用Lyapounov稳定性理论对矿井通风系统的稳定性进行分析[8]。

基于此，需要对王庄煤矿目前的西风井主要通风机进行更换，以更换期间通风系统故障分析为研究对象，运用M V I S通风管理信息系统，对西风井主要通风机可能出现失效的情况，即现场中也称之为无计划停风，进行故障预测分析，并就可能出现的安全隐患提出合理的解决措施，确保矿井通风系统的安全可靠。

1 西风井主要通风机动力失效后预测

矿井通风管理信息系统是三维可视化信息管理系统，基于大量的实际测量数据实现通风网络实时解算、仿真系统图的生成、通风网络分配仿真功能等，软件可任意改变通风系统结构、密闭巷道、新掘巷道、通风动力（叶片角度调整、频率改变、开停操作）、通风构筑物状态（拆除、增加和开启）等，通过仿真运算，能够实现通风系统状态变化后的通风系统再现问题。利用该系统模拟预测可以快速得出构筑物及风机状态改变时，巷道内风量大小，风流状态等诸多信息，准确定位各条巷道，对矿井企业进行判断与决策有重大意义。

目前西风井主要通风机型号2K60-4N o28参数为：风机叶片角度51.5°，电机额定功率800 kW，回风10 110 m3/min。新更换风机、电机主要技术参数与目前运行风机参数基本一致，所以风机型号选为AG F606-2.82-1.58-2，额定风量为12 000 m3/min。

1.1 动力失效后主要通风系统预测

目前西风井主要通风机风量为10 110 m3/min，52采区总回风量3 000 m3/min，51皮带巷进风700 m3/min；62主要通风机总回风量9 230 m3/min，负压2 580 Pa，52采区总回风量3 000 m3/min，540暗斜井皮带巷进风1 000 m3/min。

在风机更换期间，西风井出现通风系统故障即西风井主要通风机无计划停风后，通过通风管理信息系统M V I S分析得出：对新区通风系统没有影响不做讨论，主要影响区域是老区，特别是52采区均处于微风状态，可以由62风井主要通风机负担王庄煤矿老区通风系统，保证运煤系统通风可靠运行。西风井主要通风机无计划停风后经仿真结果：62主要通风机负压降低61 Pa（2 519 Pa），总回风量增加320 m3/min（9 550 m3/min），西回风井反向进风1 500 m3/min。主要巷道风量变化见表1。

由表1和图1可以看出，当西主要通风机无计划停风后，62风井主要通风机负担王庄煤矿老区通风系统，西风井通风系统变为自然通风，除西回风井以外，其余各风井风量都有不同程度的减少，其中西进风井风量减少4 600 m3/min；主立井风量变化最小为减少了420 m3/min，说明对其影响很小；主斜井、副斜井、副立井风量减少在1 000 m3/min到2 000 m3/min；西回风井改为进风增加1 500 m3/min，风流反向。停风后主要通风系统能够满足基本通风要求，但个别巷道存在微风情况和瓦斯涌出异常区域，下面进行具体讨论。

表1 西风井风机停风前后各风井风量变化

图1 停风前后各风井风量变化柱状图

1.2 西风井主要通风机动力失效后微风巷道分析

西风井目前担负52、51、61采区和主皮带、630大巷等巷道的通风任务，通过矿井通风管理信息系统模拟分析可知，当西风井停风后，受停风影响最大的是52采区和4处主要巷道出现微风现象，分别是51皮带风量260 m3/min，61南辅轨风量280 m3/min，630皮带180 m3/min，540胶带运输机大巷，风流反向500 m3/min，其他主运输巷道风流方向正常。

1.3 通风动力失效后瓦斯异常区域预测

瓦斯涌出以来源可分为原生瓦斯与积聚瓦斯涌出。原生瓦斯如采掘工作面煤壁、井巷周壁、被破碎的煤块向空气中涌出的瓦斯。积聚瓦斯涌如老空区、旧巷、高顶以及煤岩裂缝中聚集的瓦斯涌出。

对于抽出式通风矿井无计划停风时，导致压强恢复，瓦斯的绝对涌出量变小，积存瓦斯量会逐渐增多。52采区由于位于西风井通风系统的末端，西风井停风后52采区将出现微风状态，目前，52采区只有1个52M2安装工作面，通过检测可知，该工作面的绝对瓦斯涌出量约为0.65 m3/min，52采区绝对瓦斯涌出量约为1.85 m3/min，52采区专回长度约为9 000 m，平均断面取15 m2，巷道体积135 000 m3。

qt=k0qz（1）

式中：qt为无计划停风时期的瓦斯绝对涌出量，m3/min；qz为正常时期工作面风量，m3/min。为停风后瓦斯涌出量调节系数，因无风时瓦斯涌出减少，所以调节系数取经验值为0.7。

本文预测时按照完全没有风量通过预测，停风后的瓦斯涌出量为1.295 m3/min；每小时的瓦斯涌出量为77.7 m3，所以每小时52采区瓦斯浓度增长为0.057 6%，如图2所示。

图2 52采区瓦斯浓度与停风时间关系

由图2可知停风12 h，52采区回风瓦斯浓度为0.69%，而到了停风52 h，瓦斯浓度达到了3%，根据煤矿安全生产规程规定，当甲烷或二氧化碳浓度达到3%或者其他有毒有害气体超过规定限度时，需要进行封闭处理，所以西风井在更换风机过程中，必须在瓦斯浓度达到3%之前完成更换，并且将更换调试的时间尽可能缩短，保障井下通风系统的安全。

2 西风井主要通风机动力失效后预案措施

西风井停风后，为了降低和减少停风影响和损失，增大通风系统可靠性和稳定性，最大程度确保矿井安全，可采取如下预案措施。

2.1 52采区采取的措施

西风井停风后按《王庄煤矿西风井主扇无计划停风事故专项应急预案》要求执行，根据《煤矿安全规程》[9]第一百七十五条，“临时停工的地点，不得停风；否则必须切断电源，设置栅栏、警标，禁止人员进入，并向矿调度室报告。停工区内甲烷或者二氧化碳浓度达到3%或者其他有害气体浓度超过本规程第一百三十五条的规定不能立即处理时，必须在24h内封闭完毕”要求，在不能立即处理时需要对52采区进行封闭处理，可在51皮带巷、51轨道巷车场和630总回进行封闭。

2.2 其余主要巷道微风措施

西风井停风后，受停风影响的4处主要巷道出现微风现象，采取的措施如下：

1）51皮带底进风石门巷道打开风门，51皮带风量达到424 m3/min（停风前风量1 610 m3/min）可满足巷道用风。

图3 51皮带风量调节图

2）61联络巷风门加大调节，61南辅轨反向风量达到650 m3/min，风流反向（原风量650 m3/min）通风系统稳定。

3）打开分煤巷回风绕道风门，同时在62分煤巷加临时风门，控制风量维持600 m3/min，可以使630皮带风量反向增大到406 m3/min，540胶带运输机大巷增大到452 m3/min，可满足巷道用风。

图4 61南辐轨风量调节图

图5 630皮带及540胶带巷风量调节图

通过采取上述措施后（彩色巷道表示风流方向与现有风流反向），可使51皮带风量达到424 m3/min，61南辅轨风量达到650 m3/min，630皮带巷风量达到400 m3/min，540胶带运输机大巷达到450 m3/min，通风系统可稳定运行。

3 结论

利用王庄矿井通风管理信息系统，结合王庄煤矿矿井目前通风系统现状，对通风系统进行全面、科学、系统的分析，对王庄煤矿西风井主要通风机更换期间进行故障预测分析，给出相应的处理措施。

1）针对西风井主要通风机无计划停风的情况，进行矿井通风系统风量仿真，结果表明：无计划停风后，老井区域各进风风井进风减少明显，造成与老井主运输系统相连的巷道多处微风甚至无风状态；西回风井改为进风增加1 500 m3/min，风流反向。

2）针对西风井通风系统失效后，对52采区瓦斯浓度进行预测，如西风井主要通风机停风52 h仍无法启动时，瓦斯浓度将达到3%，根据规定需要进行采区封闭处理。

3）停风期间，62主要通风机负担整个老区通风系统回风任务，有4处主要巷道存在微风情况，采取相应的措施后，能够满足通风系统要求，保证出煤系统通风可靠运行，从而避免造成全矿井停产。