矿井“H”型通风系统的优化研究

＊张浩伟

（山西焦煤西山煤电马兰煤矿 山西 030200）

1.矿井通风系统概况

(1)矿井通风阻力测定

在全面了解该矿的实际情况，并进行系统的分析研究后，通过采用倾斜压差、精密气压计的同步法和基点法混合测定方法全面地对通风系统的应用效果进行了检测，并根据效果进行参数的优化。经过多轮的参数优化，使得仿真结果与实际结果误差在一定的范围内，然后再进行系统的评价。

图1为该矿通风简图。风阻是指风阻与风量的复合效应，体现在通风系统的能源消耗上，风阻路径能够体现三个区域之间的阻力分布，对于矿山的优化与改造有重要的指导意义。

图1 该矿通风简图

由图2、图3及表1可知，在中心回风竖井线上，入风区为1081Pa，用风区为1230Pa，回风区为1039Pa，三区所占的比例为32:37:31；三个区域的长为2418m、3595m、2632m，等体积的孔径为9.42m2，属于易通风的矿区，在盘区型的情况下，风耗和阻力都比较大。桃园回风竖井沿线，其进风区、用风区和回风区的风阻为534Pa、1801Pa和1215Pa，三区的风阻分布比为15:51:34，三区的总长度为1410m、149m和188m，等体积的孔径为7.97m2，属于一种易通风的矿山。由于在用风区的部分存在较大的阻力，其所占的比重较大。

图2 中央回风立井沿程阻力分布

图3 桃园回风立井沿程阻力分布

表1 通风系统测定误差

2.煤矿H型通风网络分析

（1）通风网络结构分析。在此基础上，详细地分析了相应的通风网络构造，为该通风网络的优化和改进提供了技术支撑。在对不同用风点的空气流量进行分析的基础上，对矿井的通风系统做了简单的设计。从本矿山的通风结构简图中，我们可以更加清晰地看到每个风井与每个采区之间的风量供求关系。桃园入口风道，以51301工作面为主体，对南翼的采风场进行了同步送风。在对工作面采区风量的需求和实际供应情况进行分析后，并在此基础上进行了通风系统的优化，得到了近似H形的通风网络结构，见图4。

图4 简易通风系统

从该系统的结构示意图，可知：V1是中心风井的进风点；V2是桃园风井的进风点。对其进行了分析，发现V3是从中心入口竖井至北翼风向点和南翼风向点的结点；V4是将桃园、中央风场和南部风场联系在一起的结点。e1是一个相当于中心进气竖井的进风风路；e2是等效回风风路，即N1305和51301的等效风路；e3为从中心进风竖井到南部采区的等效进风风路；e4为等效进风风路；e5是相当于桃园风风路的回风。

若能在模拟的仿真图表中获得每条风路的等效阻力和等效空气流量，那么就能由式（1）阻力定律计算出每条等效风路的等效风阻。

其中，Hr表示每条风道的等效阻力，Pa；Rf是在每条等效风路上的等效摩擦风阻，N·s2/m8；Q2是在每条风路上的等效空气流量，m3/s。经分析，得出了该系统参数的具体数值，如表2所示。

表2 等效风路参数

将上述等效风路数据输入所建的模型，并持续对模型进行优化处理，最终确立的模拟图的结果如图4所示。

（2）回风井风量变化对矿井等效风阻的影响分析。为了提升研究的便捷性，在对“H”形通风系统中，回风井的回风量对矿井等效风阻的影响进行研究，控制其中一个风井的风量改变，另一个维持不变，然后对影响风阻的因素进行分析。

①中央回风立井回风量变化对矿井等效风阻影响分析。中心回风井口空气流量的改变对等效空气阻力的作用见图5。仿真结果表明，在所有的矿井采取同时生产的情况下，中心风井的回风量达到了439.42m3/s。当中央风井回风量发生改变的时候，即当范围在240～450m3/s之间变化时，对各回风井通风阻力和各回风井矿山等效风阻的变化情况进行了研究。

图5 中央回风井回风量变化对等效风阻的影响

随着中心回风井回风流量的增大，中心等效的阻力降低，桃园中心当量的阻力增大。由图的曲线改变可知，回风流量对中心等效风阻力的作用不大。

②桃园回风井回风量变化对矿井等效风阻影响分析。桃园回风井风流量的改变对当量风阻力的影响，见图6。通过仿真计算得出，在各矿区同步开采的情况下，桃园矿区回风流量为397.47m3/s当桃园矿区回风流量发生改变时，即当范围在240～450m3/s之间变化时，对各回风井风阻和各回风井井底等效风阻的变化进行分析。随着桃园回风井回风流量的增大，桃园等效风阻力降低，而中心等效风阻力升高。由桃园回风井回风流量的改变，中心等效风阻阻力降低，由图的曲线改变可知，回风流量对中心等效风阻力的作用不大。

图6 桃园回风井回风量变化对等效风阻的影响

3.基于通风系统优化改造试验

（1）工作面通风系统调整布置。现在51301工作面的风量是4045m3/min，S1303工作面的风量是1658 m3/min，S1303瓦斯高抽巷的风量是264m3/s，51303工作面的采煤需求是5000m3/min，所以为了满足51303工作面的采煤需求，必须对现有的通风系统进行改造。对51301副输送顺槽、51301胶带输送顺槽增设两个风门，对51301瓦斯高抽巷与51301回风槽之间的回风门实施控制，在51301副进风槽与51303回风槽之间增设一座风门并拆除一座风门，并在51303回风槽拆除一座风闸；将51303胶带导轨和51303副运导轨之间的4个风门拆下，将51303胶带导轨上的一个风门拆下。

（2）仿真结果分析。完成上述通风系统的调节后，利用仿真软件对系统进行模拟，并对仿真结果进行分析，表明该设计方案能够有效保障52303工作面采风需求。同时，巷道内的风流也比较平稳，其速度都可以达到矿山所需要的风速。通过对51303采场巷道风流量的数值计算，得出了采场巷道风流量的数值计算结果。

表3 等效风路参数

以矿井通风管理信息系统为基础，对51303工作面投产前和投产后的桃园回风井风量和阻力进行了分析，结果表明：在51303工作面投入使用之前，桃园进风到桃园出风的最大风阻是3503Pa，空气流量23816m3/min。51303工作面投入使用后，桃园区进风到桃园区出风的最大阻力为3355Pa，风量为24551 m3/min，负压下降的幅度为148Pa，风量增加的幅度为735m3/min。

仿真结果表明，在应用该方案后，51303工作面的采风需求能够有效保证，并且巷道中风流较为平稳，其速度都在煤矿所需的范围内。

4.结论

根据西山煤电集团某煤矿已有的通风体系，并结合现场调查得到的基本资料，运用煤矿通风MIS进行了“H”型通风体系的仿真，并对其进行了详细的研究。

（1）中心风井空气流量为458.01m3/s，井下钻孔的等效面积为9.42m2；桃园回风竖井的空气流量为399.26m3/s，井下钻孔的等效面积为7.97m2；这些矿山都是易于通风的矿山。对三区的风阻进行了计算和分析，结果表明：三区的风阻中，两个回风井的井用风区分布的风阻所占比重都是最大的，需要对其进行有效的降阻处理。

（2）在MVIS模拟软件的基础上，对通风系统进行了优化和改进，在51303工作面投产后，其负压下降了148Pa，风量上升了735m3/min，从而减少了通风消耗，增加了经济效益。

（3）结果表明，随着回风流量的增大，中央的等效风阻会慢慢变小，而桃园等效风阻逐渐增大，按照曲线的角度变化情况，可知中央回风井回风量的变化几本不会影响桃园等效风阻，桃园回风井回风量的变化几乎也不会影响中央等效风阻。