王家岭矿通风阻力测定与优化

毕圣昊，白廷海，李洪波，于保才

（1.辽宁工程技术大学系统工程研究所，辽宁 葫芦岛 125105；2.中煤华晋集团有限公司王家岭矿，山西 临汾 041000）

0 引言

煤矿在我国能源中起着不可替代的作用[1]。我国大部分煤矿属于井工开采，平均开采深度约600 m，未来将有更多煤矿进入深度开采阶段[2]。随着开采深度的增加，矿井内温度会越来越高，有毒有害气体会越来越多，矿井需保持合理通风，以保证井下正常工作和井工生命安全[2]。矿井通风阻力是衡量矿井通风性能的重要指标，其值越大表明矿井通风越困难，矿井灾难发生的概率越大[3，4]。为此，根据国家相关规定，新矿投产前需进行矿井通风阻力测定，往后3年内需进行至少1次通风阻力测定。

通过对矿井通风阻力测定与分析，发现矿井通风系统中存在的实际问题，并根据矿井地实际生产对通风系统地要求，制定通风系统优化方案，使优化后的通风系统具有技术合理、安全可靠和经济合理等特点。

1 矿井概况

中煤华晋集团有限公司王家岭矿位于山西省乡宁矿区西南部，井田位于山西省乡宁县和河津市境内，面积约119.7 km2，地质储量为15.48亿t，可采储量为7.78亿t，主要可采煤层为2、3、10号煤层，现开采煤层主要为2号煤，平均厚度为6.05 m。

根据2019年矿瓦斯涌出量测定报告，王家岭矿矿井绝对瓦斯涌出量为17.98 m3/min，相对瓦斯涌出量为1.55 m3/t，属于高瓦斯矿井。2号煤层自燃倾向性等级为Ⅲ级、不易自燃，煤尘具有爆炸危险性。矿井通风方式为中央分列式，通风方法为机械式抽出通风式。在碟子沟回风斜井井口附近安装2台同等能力的防爆抽出式对旋轴流式通风机，其中1台工作、1台备用，风机型号为FCZ№33.5/2000，电机型号Y710-8，转速750 r/min。全矿井采取“三进一回”的系统布置，进风井为主平硐、副平硐和碟子沟进风斜井，回风井为碟子沟回风斜井。

2 测定方案

2.1 测定方法

目前,国内矿井通风阻力主要采用的2种测定方法是压差计和气压计[5]。此次测量方法选用气压计方法对王家岭矿进行通风阻力测定，测定设备为矿用本安型通风多参数测定仪、激光测距仪、SSN-71大气压温湿度自动记录仪和风速表。测量过程中将SSN-71大气压温湿度自动记录仪放在井口记录大气压，测定人员携带其他仪器沿规划路线依次测定各点的风速、巷道断面尺寸、气压、温湿度、巷道断面形状和巷道支护形式等原始数据。通过这些数据可以更深入了解王家岭矿通风系统中风量分配和通风阻力分布情况，从而发现通风阻力较大的区段和地点，找出通风系统问题的根源，以便更经济、有效合理地优化矿井的通风系统。

2.2 主测路线布置

为准确计算矿井通风阻力，合理的测点布置及科学的测定路线对矿井阻力测定分析的第一步。选择的测定路线要能够反映矿井通风系统特征，包含较多的支护形式和井巷类型，主要测定路线应包括矿井主要用风点，使它沿主风流方向便于测定工作顺利进行，结合王家岭矿巷道的具体条件和实际生产状况，本次测定选择3条测定路线，具体路线如下：

路线1：碟子沟进风斜井→进风煤门联巷→2号煤中央辅运大巷→12302胶带巷→12302工作面→12302回风巷→2号煤中央回风大巷→碟子沟回风斜井。

路线2：碟子沟进风斜井→进风煤门联巷→2号煤中央辅运大巷→12309胶带巷→12309工作面→12309回风巷→2号煤中央回风大巷→碟子沟回风斜井。

路线3：碟子沟进风斜井→进风煤门联巷→2号煤中央辅运大巷→12313胶带巷→12313备采工作面→12313回风巷→2号煤中央回风大巷→碟子沟回风斜井。

测定路线选定后，按照通风阻力测定的要求，结合矿井巷道布置的具体情况，测点布置在风流稳定、巷道断面规整的地点，测点前、后3 m内支护完好，巷道内无堆积物；在风流分风点、汇风点及局部阻力大的地点，测点与风流变化点之间保持一定的距离（选在前方时不得小于巷道宽度的3倍；选在后方时不得小于巷道宽度的8倍）。设点时尽量使两相邻测点间的压差不小于20 Pa，又不大于仪器的量程。测点的布置密度应能控制住井巷主要通风路线的阻力分布及风量变化情况，并尽可能将测点布置在巷道内顶板或底板标高已知的导线点上或其附近位置。

2.3 测定参数计算

测量工作结束后，还需进行测量结果的数据处理,在处理矿井通风阻力测定数据的过程中，使用的公式较为繁多[6]。各计算公式如下：

1）井下空气密度的计算公式如下：

式中：ρ为空气密度，kg/m3；P0为测点的大气压力，Pa；φ为空气相对湿度，%；Ps为测点温度为t℃时，空气的绝对饱和水蒸气压力，Pa；t为空气温度，℃。

2）井下风量的计算公式如下：

式中：Vs为井巷实际风量，m3/s;S为测风断面，m2；VL为井巷平均风速，m/s，其计算公式如下：

式中：C为常数，一般取0.4;Vc为风表测风速，m/s;a和b为风表校正系数。

3）通风阻力计算公式如下：

式中：hAB为两测点的间的通风阻力，Pa；Δhs为两测定间的静压差，Pa；Δhz为两测点间的位压差，Pa;hV为两测点间的速压差，Pa。

4）静压差计算公式如下：

式中：Δhs为两测定间的静压差，Pa；PA、PB为两测点上2台仪器的同时读数值，Pa；ΔP为2台仪器的基准及变档差值校正，Pa。

5）位压差计算公式如下：

式中：Δhz为两测点间的位压差，Pa;ZA、ZB为两测点的标高，m;ρA、ρB为两测点的空气密度，kg/m3。

6）速压差计算公式如下：

式中：ΔhV为两测点间的速压差，Pa。ρA、ρB为两测点的空气密度，kg/m3;VA、VB为两测点断面上的平均风速，m/s。

7）巷道风阻计算公式如下：

式中：R为两测点间的风阻，N·S2/m8；h为两测点间的风阻，Pa；q为巷道通过的风量，m3/s。

8）巷道百米标准风阻计算公式如下：

式中：R100为巷道百米标准风阻，N·S2/m8；R为两测点间的风阻，N·S2/m8；L为两测点间的距离，m。

3 测定结果分析

3.1 矿井有效风量率

井下人员和机器设备的正常安全生产需合理的矿井风量供应。有效风量率作为反映矿井风量供应、衡量通风技术及其管理水平的重要依据，一般而言，有效风量率至少达到85%[7]。据表1可得，路线1、路线2和路线3的矿井有效风量率分别为95.59%、94.52 %和94.77 %，均大于85 %，表明矿井通风量可以保证煤矿正常安全生产。

表1 矿井有效风量率

3.2 系统阻力分析

矿井三段（进风段、用风段、回风段）通风阻力的百分比情况是衡量通风管理优劣的主要标志，详细计算结果及三区分布图见表2、图1。从表2、图1可看出：3条路线进风段阻力占总阻力的44.55 %、48.68 %、50.36 %，用风段的阻力所占的百分比为23.22 %、19.59 %、18.94 %，回风段的阻力占总阻力的32.19 %、32.74 %、30.65 %，三段阻力分布基本合理。从矿井百米阻力值分析，回风段百米阻力值小于进风段，其主要原因为近年来对井下巷道均进行了扩修和改换大断面支护，且测定期间工作面临近回采结束通风距离较短，总体上看矿井通风系统阻力分布基本合理。

图1 三段分布

表2 矿井各用风区占值比例

3.3 等积孔与风阻分析

矿井通风等积孔和风阻是评判矿井通风难易程度的重要指标[8]，其中风阻的计算公式见公式（8），等积孔数学计算公式如下：

式中：A为等积孔;Q为矿井总回风量;h为矿井通风阻力，计算结果见表3。据表3可得，3条测定路线的等积孔分别为6.94、6.93、6.92 m2；3条测定路线的等积孔分别为0.029 3 N·s2/m8、0.029 4 N·s2/m8和0.025 N·s2/m8。依据《矿井通风难易程度的分级标准》可知，3条测定路线的等积孔均大于2 m2，风阻均小于0.35 N·s2/m8，可判定王家岭矿井通风难易程度为容易。

表3 矿井等积孔与风阻分析

3.4 误差分析

通风阻力测定结果举要进行误差分析，误差结果应小于5%，通风系统测定误差计算公式如下：

式中：h为测定的矿井累计测试阻力;hfs为通风机装置静压;hv为风硐动压;hn为矿井自然风压。测定误差结果应小于5 %，测定误差详细见表4。据表4可得，3条测定路线测定误差分别为路线1：2.07 %、路线2：2.60%、路线3：2.92 %，测定误差全部小于5 %，说明本次通风阻力测定结果较为精准，符合测定要求。

表4 通风系统测定误差

3.5 通风系统存在的问题

根据测定数据与结果分析可以发现目前矿井通风系统存在如下主要问题：

1）根据《煤矿安全规程》有关规定，矿井通风阻力不得超过2 940 Pa，后期当风量超过20 000 m3/min时，不宜超过3 920 Pa，目前碟子沟回风斜井通风阻力高于2 750 Pa，阻力偏高。

2）碟子沟回风斜井风量20 524 m3/min，断面28 m2，风速为10.94 m/s，风速偏大。

3）为了保证矿井持续经营及正常生产，需提前保障新开采区124盘区的安全开采工作。124盘区为东翼盘区，当124盘区投产后，井下形成“一井两区两面”模式，根据《煤矿安全规程》（2016版）第一百四十七条规定“高瓦斯矿井应当采用分区式通风或者对角式通风”，因此，需要新增回风井筒。井田东翼124盘区移交时期，井下各用风地点总需风量为300 m3/s，碟子沟进风斜井净断面积29.6 m2，按照风速小于8 m/s，考虑0.9的有效断面系数，最大进风量为213 m2/s，现有通风系统无法满足通风需要，因此，需要在井田东翼增加进、回风井筒满足东翼各盘区的通风需要。

4 矿井通风系统优化方案

4.1 优化改造思路

结合王家岭矿通风系统以及该矿实际情况，进行如下优化：

1）根据后续开采计划，矿井主采区将转移至东翼，在东翼新建东翼副斜井、东翼进风斜井、东翼回风立井，满足东翼盘区通风正常需要。

其中东翼副斜井，井筒方位角32°，倾角5.5°，长度3 730 m；东翼副斜井井底联络巷（125盘区辅助运输巷），长度1 890 m，与2号煤东翼辅助运输大巷相接；东翼进风斜井，井筒方位角32°，倾角20°，长度1 288 m；东翼回风立井井底联络巷（2煤北翼回风大巷），长度1 074 m，与2号煤东翼辅助运输大巷相接；东翼回风立井，井筒方位角122°，垂深485 m；东翼回风立井井底联络巷（2煤北翼回风大巷），长度2 305 m，与2号煤东翼回风大巷相接。

2）将碟子沟回风斜井断面适当扩大并清理杂物，并将碟子沟风机改为小功率风机，从而降低风速，满足《煤矿安全规程》中对于回风井风速的要求。

4.2 优化方案模拟

采用3DSimOpt软件对提出的优化方案进行模拟。3DsimOpt软件由辽宁工程技术大学系统工程研究所开发的三维通风仿真软件，具有解算速度快、操作简单等优点[9]。模拟矿井优化方案，运行仿真系统观察各个巷道风量变化情况，详细风量结果见表5。由表5可得，碟子沟回风斜井经优化后风量降为9 600 m3/min。对回风斜井道巷进行清理杂物和扩充断面后，增加有效通风面积，从而降低巷道风速，也能有效降低回风段风阻，碟子沟回风斜井负压由原来的2 766 Pa，变为为1 492.7 Pa。

表5 优化后风量对比表

通过在东翼新建东翼副斜井、东翼进风斜井、东翼回风立井，可满足未来东翼开采正常用风需求，优化方案整体较为合理。

5 结论

通过对王家岭矿矿井通风阻力进行测定并优化，得到以下结论：

1）矿井三段阻力分布合理，3条测定路线的有效风量率分别为95.59 %、94.52 %、94.77 %，表明矿井通风状况良好，可以进行正常安全生产。

2）根据对等积孔与风阻综合比较可得：王家岭矿井属于通风容易型矿井。

3）3条测定路线系统误差均小于5 %，在测量误差允许范围内，说明测量数据具有有效性，能够反映王家岭矿井通风系统概况。

4）通过对矿井通风阻力测定以及矿井后续开采计划，分析出矿井通风系统存在问题并提出优化方案。采用3DSimOpt软件对优化方案进行模拟，表明优化方案可满足矿井供风需求，并且能够有效降低回风段风阻，优化方案较为合理。