煤矿通风系统的优化设计

大峪煤业有限公司通风系统将主斜井和副斜井作为矿井进风井，将回风立井作为矿井回风井，通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式。回风立井安装两台 FBCZ- 6- №21 型轴流式风机，一用一备，功率为 185 kW。矿井总进风量为 3 306 m3/min，总回风量为 3 390 m3/min，通风阻力为 303.74 Pa，等积孔为3.86 m2。其中，主斜井倾角 25°，斜长 204 m，副斜井倾角 6°，斜长 595 m;回风立井垂深 73 m，为矿井专用回风井兼作安全出口。

井下沿煤层顶、底板东西方向布置 3 条巷道，分别为辅运大巷、胶带大巷、回风大巷，形成“两进一回”通风方式，其中，辅运大巷长度 1 142 m，主要用于材料运输及人员行走;胶带大巷长 1 123 m，主要用于担负矿井原煤的提升运输任务;回风大巷长 1 128 m，主要用于矿井回风。

2 通风系统评价体系

矿井通风系统是一个综合系统，涉及的因素种类较多，关系复杂，在对系统进行评估时需要结合系统工程的方法对其逐步计算分析。在建立评价模型时，由于其结构层次较多，可以将通风系统层子系统作为模型的具体评价对象，由上至下逐步分析，可最终实现对通风系统可靠性的评价。

2.1 通风系统环境

在对通风系统环境进行评价时，需要利用风流流动的基本理论，其中包括节点风量守恒定律、回路能量守恒定律、能量守恒定律和阻力定律。节点风量守恒定律是指在某一个固定的节点内，流入与流出的空气质量应该相等，即如公式(1)所表达：∑Mi=0，(1)式(1)中，Mi 为第 i 个节点流入、流出的空气质量，kg。回路能量守恒定律是指在通风系统的任意网络回路中，各支路所受通风阻力的代数和与风机产生的风压和自然风压之和相等，即如公式(2)所示：Hf+Hn=∑hi，(2)式(2)中，Hf、Hn 分别为风机产生的风压和自然风压，Pa;hi 为各支路受到的通风阻力，Pa。能量守恒定律是指风流在巷道内流动所产生的能量损耗与克服通风阻力做的功相等，如公式(3)所示：hr=P1- P2+V22- V22V2Vρm+gρm(Z1- Z2)，(3)式(3)中，hr 为能量损失，Pa;P1、P2 为两个断面的静压，Pa;V1、V2为流过两个断面的风速，m/s;ρm 为气密度，kg/m3;g 为重力加速度，取 9.8 m/s2;Z1、Z2 分别为两个断面与井口的高度差，m。阻力定律是指风流在巷道网络流动时，各支路风流所受到的阻力与风压、风量之间的关系，具体如式(4)所示：Hi=RiQi2，(4)式(4)中，Hi 为风流通过支路所消耗的风压，Pa;Ri 为风流流过支路受到的风阻，kg/m7;Qi 为流过支路的风量，m3/s。本文主要从矿井有效风率合格度、巷道沿程合格度、用风点风量合格度和矿井风量供需比 4 个方面进行通风系统的环境评估。

2.2 通风网络合理性

本文主要从通风系统网络布局的合理性、通风巷道维护情况和风量供给的合理性 3 个方面对通风网络的合理性进行评估。科学、合理的通风网络是保证通风系统稳定的基础，可以预防瓦斯爆炸及粉尘火灾的发生，间接增加系统向矿井输送的有效风量，提升矿井抵抗事故发生的能力;通风巷道的维护情况是衡量巷道质量的标准，按照规定失修率要小于 7%;风量供给的合理性是为井下各工作面风量按需分配设定的标准，输送到井下的风通过压风调节等方法使系统按照较为科学的方式向各用风单位输送风，保证正常工作生产。

3 通风系统优化方案

在对现有通风方案进行优化时，无论是从矿井主通风机性能入手，还是从矿井工作面需风量的调整入手，均无法解决矿井实际生产中通风效果差的问题。本文决定从调整通风网络结构和改善通风系统环境两个方面入手，结合目前大峪煤业有限公司所存在的实际问题提出了以下两种方案。

3.1 掘进巷道通风优化

掘进工作面爆破后产生的炮烟有害于人的身体健康，因此掘进工作面的通风任务就是及时降低炮烟质量分数。其中，掘进工作面的需风量 Q 按照压入式通风计算，计算公式为：Q= 0.465tGbS2L2p2VCpV1/3(5)式(5)中，t 为通风时间，一般取 20 min;G 为炸药量，kg;b 为炸药产生的 CO 当量，L/kg;S 为巷道断面面积，m2;L 为掘进深度，m;p 为进出风比;Cp 为 CO的允许体积分数，%。

目前，煤矿为“一采两掘”，其中，在对 107 辅运顺槽采掘工作面需风量进行估算时，发现存在通风不足的情况，为了稀释和排出煤岩中的有害气体和爆破产生的炮烟和矿尘，保证良好的通风作业环境，需要对掘进巷道的通风进行优化设计。本文通过采用平行巷道的方式，即掘进主巷道的同时，掘一条与之平行的辅助巷道，两条巷道每间隔 50 m 开掘一条联络巷。通风时，风压使风流从掘进巷道流入，通过平行辅助巷道流出。在联络巷前端利用风筒导风，通过设置的闸门可以控制工作面的风量，在巷道掘进一定距离后，需要开掘新的联络巷，同时关闭旧的联络巷。图 2 为掘进工作面通风优化示意图

3.2 降低通风阻力

矿井的通风阻力与断面的平方成反比，因此为了降低阻力，应避免巷道断面的突然扩大或者缩小，巷道之间断面相差悬殊时，应当避免直角转弯，将转弯处做成有一定曲率半径的圆弧形。主要巷道内不要随意堆放物料，并及时清理堆积物资，减少堵塞。大峪煤业有限公司风硐全长 50 m 之余，有 3 个直角转弯，断面较小，通风阻力为 109 Pa，占通风系统总阻力的35%左右。对风硐优化改建的方案为：在回风井另开一段长 7 m、断面为 8 m2 的巷道，直通风机入口。通过仿真计算，可得到通风阻力减小为 50 Pa，风量增加了250 m3/min，可降低通风机 14 kW 的功率损耗，每年节约电费 18 000 元，改造费用仅 2 000 元，具有较好的经济效益。

4 结语

结合大峪煤业有限公司通风系统现状与问题，提出了一种新的评价体系，并通过分析提出设计了两种优化方案，可提高井下风量的利用率，降低风流损耗，满足工作面生产要求。