提高矿井通风安全性的分区域通风系统设计

邢永生

（大同煤矿集团华盛虎峰煤业有限公司，山西 运城 043300）

0 概述

煤炭是我国重要的能源结构形式，为我国的经济发展提供支撑动力。我国大量的煤矿采用井下作业的方式开采，开采过程中产生大量的有毒有害气体，需要通风系统的安全可靠运行，矿井通风系统的安全性对煤矿的安全生产具有重要的影响作用[1]。随着采煤技术的不断发展，煤矿的开采深度及推进长度不断增加，对矿井的通风系统提出了更高的要求。针对某煤矿开采过程中的通风系统进行设计分析，采用分区域布置的方式进行矿井通风系统的设计，并针对通风系统的性能进行实验分析[2]，并进一步优化通风系统，提高通风系统的安全稳定性，保证煤矿的安全生产。

1 矿井分区域通风系统的设计

矿井开采过程中通风系统是必备的安全系统，主要通过风扇及通风网路组成，气流通过矿井的入风井口进入矿井后，在风扇的作用下，通过各用风场所后进入回风井，从而排出矿井内部[3]，气流所流经的整个路线称为通风系统。经过通风系统的作用，向井下的各用风场所输入新鲜的空气，并将井下的有毒有害气体带出矿井，改善井下的工作环境，且在发生矿井灾害时，提高通风系统的调节控制风量及方向[4]，减小灾害的作用。在进行矿井的通风系统设计时，分区域式的通风系统具有气流独立、互不影响、风路短、阻力小的优点，且具有较强的经济性，成为矿井通风系统的主要设计方式[5]。

针对某煤矿的分布特征进行分区域通风系统的设计，矿井分为两个主采区，北区的煤层平均厚度为36.5 m，南区的煤层平均厚度为48.5 m，煤层的平均分布倾角为86°，属于近直立煤层，煤层的倾角较大，不利于工作面的通风。采用分区域的设计方式对矿井的通风系统进行设计，依据矿井的分布，南北两区进行独立设计，北区采用主斜井、副斜井为进风口，回风立井为回风口；南区采用副立井、副斜井为进风口，回风立井为回风口[6]。依据矿井的分布及工作面长度，设计北区的总回风量为7 250 m3/min，负压为560 Pa，南区的总回风量为6 950 m3/min，负压为650 Pa，通风系统的分布如图1 所示。

图1 矿井分区域通风系统的设计布置示意图

2 矿井通风系统的性能分析

2.1 通风阻力测试

采用阻力测定的方式对矿井的分区域通风系统进行性能分析，采用气压计对矿井的通风系统进行压力测定[7]。在南北区分区域的通风系统中，各选择1条气流路线长、风量最大且能够反映通风系统特性的线路作为主测路线[8]，测点的布置同样标注在图1 中。其中，北区的主测路线主要为副斜井口经过+500 m水平车场到达出车端，经+500 m 水平煤层北巷到达煤层南巷，通过+575 m 回风上山，到达+585 m 总回风，进入回风立井完成回风；南区的主测路线主要为新副井井口经过井底到达+400 m 水平大巷，经过+425 m 轨道上山到达水平巷道，进入南区回风立井完成回风。测试过程中进行测点布置时，要保证测点位置的支护完整，没有影响通风的杂物存在[9]，且所在位置通风稳定，尽量靠近标高的控制点。

2.2 通风阻力测定结果分析

通过对矿井分区域通风系统的阻力测定，得到南北区域两条主测路线的阻力坡度及百米风阻的分布如图2、图3 所示。在图2 中，测点1-4 为进风段，4-7为用风段，7-10 为回风段。从图2 中可以看出，南区主测路线上进风段及用风段的阻力上升较为均匀，用风段的阻力值由320 Pa 上升至390 Pa，在回风段的通风阻力上升较快，快速上升至620 Pa，这是由于南区的回风段长度过长，使得随着风流路线的增加，有效的通风面积逐渐较小，气流的密度增加，造成巷道气流得到粗糙度增加[10]，从而引起摩擦阻力的快速增加。对主测路线上的总阻力值进行统计，得到回风段的阻力值占比为56.5%。南区主测路线的百米风阻变化较大，呈先上升再下降的变化趋势，以测点6 的百米风阻最大，达到0.5 kg/m7，然后逐渐减小。

图2 南区主测路线的阻力及百米风阻变化

图3 北区主测路线的阻力及百米风阻变化

在图3 中，测点1-3 为进风段，3-5 为用风段，5-7 为回风段。从图3 中可以看出，北区主测路线上进风段及用风段的阻力上升较为变化较小，在回风段5-6 上的通风阻力上升平缓，而6-7 段的阻力值急剧上升，用风段的阻力值由180 Pa 上升至620P a，这是由于北区的回风段通风面积较小，从而引起摩擦阻力的快速增加。对主测路线上的总阻力值进行统计，得到回风段的阻力值占比为74.5%。北区主测路线的百米风阻变化较小，基本呈稳定分布的状态，以测点4的百米风阻最大，达到0.2 kg/m7。

3 矿井分区域通风系统的优化

通过上述的分析可知，采用分区域设计的方式进行通风系统的设计，南北分区的回风段阻力值均占比较高，由于两个分区的负压值相差较小，造成了南北分区之间通风系统的稳定性及平衡性较差[11]，从而影响矿井的通风安全，需对通风系统进行一定的优化补充。

煤矿分区通风系统风量不稳定的原因在于南北分区的大角联失稳，且自然风压的存在对北区风机的影响较大，使得通风机的效率降低。针对矿井通风系统进行一定的优化，在分区设计的基础上，对北区采用增加阻力的调节，改变通风阻力的分布曲线[12]，使南北分区之间得到压差增大，从而保证大角联分支的风量及方向稳定。为此，在北区各生产水平上增加调节风墙及风门等设施，提高矿井的负压，从而减小自然风压的影响，提高矿井通风系统的稳定性，保证煤矿的通风安全。

4 结论

1）矿井通风系统对煤矿的安全开采具有重要的影响作用，采用分区域的通风系统设计具有气流独立、互不影响、风路短、阻力小的优点，且具有较高的经济性。针对某煤矿的分布特征，进行南北区分区域通风系统的设计，实现通风系统的分区运行，两者之间存在一定的角联区域。

2）对所设计的南北分区通风系统进行通风阻力的测定，选择各自分区的测定路线，结果表明，南北分区的风量较大，但总阻力值较小，回风段的阻力值占比较大，造成两个分区的负压值相差较小，受到自然风压的影响较大，造成通风系统的稳定性较差。

3）对分区域通风系统进行优化设计，对北区进行通风设施的增加，提高通风的阻力值，从而提高北区的负压值，从而避免自然风压的影响作用，保证通风系统的稳定运行，保证煤矿的通风安全。