千米埋深单翼矿井通风系统改造及效果分析

石 勇

（中煤集团山西华昱能源有限公司，山西 朔州 036000）

随着矿井生产向西部发展，矿井通风系统能力与矿井生产能力不适应，部分巷道风速超限，巷道通风能力不足，主通风机的风量、风压和电动机功率均不能满足矿井长远安全生产需求，需要对矿井通风系统展开全面优化，开展相关工作有助于为矿井安全生产提供强有力的保障[1-6]。因此，根据主通风机工况点及通风阻力等数据实施改造，以期在一定程度提升矿井通风系统安全性，为类似矿井通风系统改造提供一定的参考价值。

1 矿山概况及通风系统基本情况

肥城矿业集团单县能源有限责任公司陈蛮庄煤矿（以下简称陈蛮庄煤矿）位于单县县城东南约15 km，行政区划属菏泽市单县管辖。矿井设计生产能力为90 万t/a，核定生产能力为72 万t/a。陈蛮庄煤矿主采3 煤层，平均厚度3.33 m，截至2019 年底，矿井保有资源量10 147.9 万t，其中可采储量3 625.8 万t。矿井采用立井开拓，单一水平开采，副井主要进风，主井少量进风，风井回风。矿井共划分为西翼32、34、36、38、310 采区及东翼31 采区，其中东翼采区已回采结束并完成封闭，通风系统改造前生产采区布置在32 和34 采区。

矿井采用中央并列抽出式通风，西翼轨道大巷进风，西翼胶带大巷回风。风井安装有FBCDZ №28 型对旋轴流式通风机两台，一台工作，一台备用，电机额定功率为2×315 kW；主通风机风机叶片运行角度42°/26°，电动机运行频率50 Hz，矿井排风量为10 100 m3/min，矿井负压1989 Pa；该主通风机风量范围为7080～11 040 m3/min。

2 通风系统现状分析

矿井西翼主要进、回风系统东段一进三回，西翼轨道大巷进风，西翼回风大巷、西翼胶带大巷和西翼并联回风巷回风；西段两进一回，即西翼轨道大巷和西翼并联进风巷进风，西翼胶带大巷回风；中间部分区段一进两回，即西轨道大巷进风，西翼胶带大巷和西翼并联回风巷回风。受地质条件的限制井田东翼可采储量较少，形成了向井田西部延伸的大单翼开采布局，矿井生产向西部发展，西翼西部通风路线延长且西翼用风量增加。为分析矿井通风系统能力是否与矿井生产能力相适应，尤其西翼最远38 采区和310 采区投产后矿井通风系统能否满足要求，有必要对通风系统进行现状分析。

2.1 主要通风机运行工况分析

从主通风机特性曲线图（图1）可以看出，在通风机装置实际运行条件下该风机的最大排风量为11 184 m3/min，对应的通风机风压为2635 Pa，所需电动机功率为776 kW，而实际配用的电动机功率为2×315 kW。FBCDZ №28 型风机达不到最大的运行工况点，由此可以判断在当前工况下通风机已达到最大的排风能力，也即该通风机的最大运行角度为42°/26°，在不更换电动机的条件下不可再调大通风机的叶片角度。

图1 主通风机工况点

根据矿井西翼38 采区和310 采区生产时的矿井生产布局和需风量，原主要通风机因能力不足无法满足矿井所需风量、风压的要求。更换主要通风机后通过网络解算得到主要通风机工况点见表1。在此工况下，主要通风机工作风阻为0.078 kg/m7，等积孔为4.26 m2，电动机所需功率1157 kW，运行功率964 kW。由通风机曲线图2 可见，在满足总风量要求的前提下，主要通风机工况点已超出了该通风机的最大可调叶片角度，在这一时期现用通风机能力已不满足要求。

表1 38 采区和310 采区生产主通风机工况表

图2 38 采区和310 采区生产时期主通风机工况点

2.2 矿井通风网络分析

矿井西翼主要进、回风巷通风能力不足，最大进风能力为8880 m3/min，已接近上限。随着矿井西翼需风量进一步增大，在38 采区和310 采区生产时期，西翼胶带大巷将出现多处风速超限的情况，在风量满足要求的前提下通风阻力高达3472 Pa。由表2 可见，造成38 采区和310 采区通风较大的原因是进风段和回风段的通风阻力较大，分别占矿井总阻力的39.2%和53.9%，在回风段中西翼胶带大巷和风井的阻力均较大。

表2 38 采区和310 采区系统三段通风阻力分布表

2.3 存在的主要问题

矿井通风系统优化改造前，虽然矿井通风系统运行状况良好，主通风机运行工况点合理，总阻力在合理范围内，通风系统独立性较好，主要用风地点风量分配合理，但随着矿井西翼最远采区（38 采区和310 采区）投产后，存在以下问题：

1）西翼轨道大巷局部地点风速超限。矿井西翼只有一条进风大巷，即西翼轨道大巷，井巷通风系统能力将受到西翼进风大巷的约束。西翼进风大巷断面积为18.5 m2，最大进风能力为8880 m3/min，目前实际进风能力已达上限。

2）矿井FBCDZ №28 型主通风机已发挥最大通风能力。主通风机的运行角度为42°/26°，由于受电动机能力的制约，通风机的叶片角度不可调，目前通风系统已发挥了最大潜力。

3）矿井主通风机能力不足，不能满足矿井长远安全生产需求。随着西翼用风量增大，通风路线延长，通风难度增加，矿井所需的风量和风压都将超出现有主通风机的合理工作范围，将造成矿井多个主要用风地点风量不足。现用主通风机的风量、风压和电动机功率均不满足要求。

4）矿井部分巷道断面不足。通过需风量及矿井通风阻力计算，可见西翼胶带大巷设计断面较小，且局部断面受动压影响变形严重；西轨轨道大巷1500～2000 m 巷道断面同样受动压影响变形严重。

5）矿井通风网络存在问题，需要进一步优化。随着西翼用风量增大，通风路线延长，在风量满足要求的前提下，现有通风网络情况下，矿井通风阻力将超过《煤矿井工开采通风技术条件》（AQ 1028-2006）标准的要求。从矿井通风能力来看，矿井通风系统改造前通风能力已与矿井后期生产能力不相匹配，存在两个显著问题：一是主通风机能力不足，二是西翼进回风能力不足。

3 通风系统改造措施

3.1 通风系统改造的主要工程

该矿井通风系统改造的主要内容包括两大方面：一是更换矿井主通风机；二是提高井巷通风能力，降低矿井通风阻力。主要的优化措施如下：

1）更换矿井主通风机。矿井主通风机选型应兼顾到当前和长远的通风需要，在通风困难和通风容易两个时期通风机设计工况点均在合理范围内，使通风机工况有较大的适用范围。从前面的分析中可以看出，西翼38 采区和310 采区的用风地点多，西翼主要进回风大巷风量集中，通风阻力最大，这一时期是矿井通风最困难的时期；通风最容易时期就是当前的生产时期。因此通风机选型应以这两个生产时期为依据。

根据易者更易、难者更难的原则，根据前面的分析结果选取风机选型的工况点参数见表3。

表3 主通风机选型工况点

拟新选用主风机型号FBCDZ №35/2×710，配备YBF2-710M3-10-710 kW 电机，电动机转速596 r/min，额定风量132～344 m3/s，静压5360～1923 Pa。叶片安装角度19.7°/17.1°。

2）补掘西翼回风大巷，长度1725 m，有效通风断面积不低于18 m2；对西翼轨道大巷、局部断面较小的地点进行巷道修复，断面积修复至18 m2；对西翼胶带大巷局部地点巷道断面积修复至14 m2。

3.2 通风系统改造工程实施阶段

1）为了满足矿井总风量以及主要用风地点风量的需求，在3601 面投产前新安装的风机必须能够投入运行。

2）在38 采区投产前西翼回风大巷必须形成系统，以解决矿井高阻力以及西翼胶带大巷风速超限的问题。

3）在西翼回风大巷形成系统之前，也在3601面生产时期尽量保留西翼并联回风巷是必要的，有利于降低矿井通风阻力。在西翼回风大巷形成系统之后，西翼并联回风巷的作用变小，保留该巷道意义不大，可以将其封闭。

4）在310 采区投产前必须补掘西翼辅助进风巷，以解决西翼进风能力不足的问题。

4 通风系统改造前后效果分析与评价

1）矿井主要通风参数变化情况

1#旧风机和2#新风机运行参数对比如表4。更换矿井主通风机与补掘完成西翼回风大巷前后，矿井主要通风参数变化情况见表5。

表4 新旧风机运行参数对比

表5 矿井通风系统改造前后通风参数变化情况

① 新风机运行频率41 Hz，风机叶片运行角度19.7°/17.1°。矿井总进风量增大2548 m³/min，矿井总回风量增大2628 m³/min，矿井排风量增大2440 m³/min，矿井负压增大350 Pa，矿井全压增大400 Pa，矿井各生产作业地点风量均能满足要求。

② 补掘西翼辅助进风巷前后对比，通过通风机叶片角度的调节，使总风量基本维持不变，矿井通风总阻力降低了660 Pa，而且使通风总阻力降低至合理范围内，主通风机所需功率减少了214 kW，通风系统改造的效果非常明显。

③ 补掘西翼辅助进风巷后，310 采区进风段通风阻力由1809 Pa 降低至905 Pa，进风段通风阻力降低904 Pa，进风段通风阻力占比由52.5%降低至32.5%；回风段通风阻力，由原来的1163 Pa 提高到1376 Pa，回风段通风阻力占比由33.7%提高了49.4%。全系统通风总阻力降低了660 Pa。

2）矿井新主通风机运行评价

① 新主通风机运行工况满足设计要求，达到了预期目的。一是彻底解决了矿井主通风机能力不足的问题；二是矿井风量有了显著的增加，负压处于合理状态；三是未出现巷道风速超速现象。

② 矿井通风能力显著增加。通过核定，矿井核定采掘作业地点由通风系统改造前的2 面1 备8 头增加至2 面2 备10 头，增加了1 个备用工作面、2个掘进作业地点，完全满足矿井今后采掘生产需要。

③ 补掘西翼回风大巷后，采区回风系统的风阻值降低，减小了采区和北翼采区局部风量调节的增阻幅度，从而使全矿井通风总阻力有较大的降低。

④ 补掘西翼回风大巷后，解决了矿井通风阻力超高的问题，使通风阻力降低到合理范围内，通风较困难时期通风阻力为2738 Pa；解决了西翼胶带大巷部分地点风速超限的问题，新补西翼回风大巷风速合理，西翼胶带大巷风速降到合理范围内。

3）效果分析评价

通过对比通风系统改造前后的实测数据与网络解算数据的增减值，发现主要地点数据结果总体是相近的，通风系统改造后解算结果与实测结果基本吻合。初步分析误差存在的原因，主要是西翼胶带3 处断面较小的地点进行了扩修。

① 新主通风机运行工况满足设计要求，达到了预期目的，解决了矿井主通风机能力不足的问题，矿井风量有了显著的增加，且矿井负压未超出规定范围，未出现巷道风速超速现象。

② 配风巷的投入使用，满足了前期设计需求，达到了预期目的，解决了西翼轨道大巷风速超限的问题；增大了矿井总进风量，增大了284 m3/min；增大了西翼采区风量，增大了344 m3/min；降低了矿井负压，降低了50 Pa。

5 结论

矿井自更换主通风机、补掘完成西翼回风大巷前后矿井等通风系统优化工程实施后，实现矿井通风系统持续稳定，优化采掘布局及接续；解决了通风能力不足的问题，解决了通风路线长、通风阻力大、生产布局集中等问题，矿井通风系统稳定程度、安全程度和防灾抗灾能力显著增强，通风系统合理、稳定、可靠，形成了高产高效现代化矿井的生产格局。