论文部分内容阅读
摘要：针对赵各庄煤矿通风系统复杂老化、外部漏风严重、两台主要通风机能力不平衡等现状，实际测定了矿井的通风阻力分布，查明了影响矿井风量分配的主要因素，提出了两种通风系统改造方案，并对拟采用方案实施后的效果进行了预测分析。
关键词：煤矿 通风系统 阻力测定 网络解算
1 矿井基本情况
唐山开滦赵各庄煤矿位于河北省唐山市古冶区，始建于1906年，1910年1月正式投产。矿井设计能力230万t，2009年复核生产能力为200万t/a。矿井采用主皮带斜井、副立井阶段石门开拓方式布置，阶段垂高90-100m。目前开采水平为十二水平（-1002m）和十三水平（-1100m），十四水平系统基本形成。回采工作面采用走向长壁综采、综放、炮采、地沟等方法，掘进工作面采用机掘、炮掘工艺。矿井瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井，其中第九煤层为突出煤层。
矿井通风采用中央并列与单翼对角混合抽出式。四个副立井（1-4号井）、一个主皮带斜井（406斜井）联合进风，回风井有中央038风井、对角白道子风井。中央038風井安装两台离心式风机，型号均为K4-73-01№32F，装机容量均为1600kw，一台使用一台备用；对角白道子风井安有两台轴流式风机，型号分别为2KZ-G№20和FBCDZ-№21，电机容量分别为355kw和2×250kw，一台使用一台备用。该矿井总进风量为270.9m3/s，矿井总排风量299.14m3/s，038风井水柱计示值3530Pa，白道子风井水柱计示值3210Pa。
为彻底掌握当前矿井通风系统中阻力分布情况，提供实际井巷风阻值，全面分析矿井通风系统现状及其安全性和可靠性，提出切实可行的改进意见，使通风系统更为经济合理，赵各庄矿与黑龙江科技大学合作对该矿通风系统进行了阻力测定，阻力测定方法采用气压计基点法[1]。
2 阻力测定与通风系统现状分析
测定人员经过近一个月时间的地面准备与井下实测，共测得相对压力、风速、断面积、大气压力、温度与湿度及基点参数等有关技术参数约2500个，查得各测点标高等数据100多个，并对井下风门、密闭等通风设施和较大漏风通道进行了勘察，获得了较详细的第一手资料，为通风网络解算和通风系统分析打下了良好基础。
根据通风阻力测定结果进行计算机网络解算[2]，根据解算结果整理得出赵各庄矿通风阻力分布表见表1。
从解算结果中可以看出：①038风井矿井通风系统的计算风阻为0.067423NS2/m8，通风阻力为3797.2Pa，其中进风段阻力为1443.3Pa，占总阻力的38.0%，用风段阻力为766.6Pa，占总阻力的20.2%，回风段的阻力为1587.3Pa，占总阻力的41.8%。
②白道子风井矿井通风系统的计算风阻为0.656481NS2/m8，通风阻力为3423.9Pa，其中进风段阻力为1443.3Pa，占总阻力的42.2%，用风段阻力为820.4Pa，占总阻力的23.9%，回风段的阻力为1160.2Pa，占总阻力的33.9%。
实测038风井矿井通风阻力为3797.2Pa，白道子风井矿井通风阻力为3423.9Pa，说明矿井通风阻力较大。从矿井三段的阻力分布来看，各风井三段阻力分布所占的比重较合理，但赵各庄矿在进、用、回风段的通风阻力都较高，阻力大的原因分别为进风段“路线长、设备多、风量集中”；回风段“路线长、回风巷局部有效通风断面小，风速高”；用风段“3639西采面通风巷道断面小配风困难，十二、十三水平的所有其它用风地点的回风都增加了调节，以及十三西大巷有效断面小、风量大”。
矿井两个回风井的主要通风机能力相差较大，其工作方式为对角并联联合运转，由于公共段的通风阻力较大，约占矿井通风总阻力的40%，易导致矿井通风系统不稳定。
3 通风系统改造方案
由于开采水平深，通风路线长，系统复杂，传统井下巷道降阻改造效果不明显[3]，同时考虑因风机能力相差大和公共段阻力占比大造成的系统不稳定问题，提出了下述两个改造方案。
3.1 方案Ⅰ在进风侧新建进风立井——将1013暗井延至地表
本改造方案是在现有通风系统的基础上，将1013暗井延至地表，并保持矿井总进风量不变。1013暗井延至
地表段巷道长度约为860m，该井筒直径取φ=5m，其巷道
净断面按19.6m2计算，井巷的摩擦阻力系数取0.00372Ns2/m4，则该段巷道的风阻值为0.006788NS2/m8。
根据现通风系统图、通风系统调整改造工程，并保持矿井总风量不变的条件下，依据比例定律，对白道子风井风机调角和对038风井调速改造，转速由498r/min调为431r/min，白道子风井风机调角改造，使一、二级叶片安装角度分别调小3°，其模拟解算结果如表2所示：
表2 方案Ⅰ模拟结果
3.2 方案Ⅱ新建回风立井，并取消白道子风井
本改造方案是保持矿井现总进风量不变，去掉白道子风井，由地表新建一回风立井至十二水平，将七水平西大巷14-15分支的风门取消，矿井回风由038风井和新建风井共同负担。新建回风立井的长度1040m，该井筒直径取φ=5m，其巷道断面按19.6m2计算，井巷的摩擦阻力系数取0.00372Ns2/m4，则该段巷道的风阻值为0.008221NS2/m8，七水平西大巷14-15分支的风阻为0.09352NS2/m8，断面面积为7.5m2。
根据现通风系统图、通风系统调整改造工程，依据比例定律，通过对038风井风机进行调速改造，转速由498r/min调为431r/min，结合新建风井（建议新建风井的风机选用BD№24风机，叶片角度42°/39°，转速n=740r/min），其模拟解算结果如表3所示： 表3 方案Ⅱ模拟结果
4 通风系统改造效果分析
如果按方案Ⅰ，在保持矿井总回风量不变的条件下，将1013暗井延至地表改造后，根据解算结果可知，矿井总风量和矿井主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井风压为2517.0Pa，计算风阻为0.049719NS2/m8，等积孔为5.34m2；白道子风井风压为2380.6Pa，计算风阻为0.490171NS2/m8，等积孔为1.70m2。
此方案需要改造经费预算为860万元，按此方案改造后，038风井风压下降了897.2Pa，计算风阻减少了0.017704NS2/m8，等积孔增加了0.75m2；白道子风井风压下降了796.8Pa，计算风阻减少了0.16631NS2/m8，等积孔增加了0.45m2。038风井主要通风机的输出功率为566.3kW，主要通风机电动机的输入功率为1068.5kW，主要通风机电动机的输入功率下降了381.2kW，年节约电能3339312kW.h/a，年节约电费约200.4万元；白道子风井主要通风机的输出功率为165.9kW，主要通风机电动机的输入功率为223.0kW，主要通风机电动机的输入功率下降了67.1kW，年节约电能587884kW.h/a，年节约电费约35.3万元。两风井年节约电费合计235.7万元。
如果按方案Ⅱ，在保持矿井总回风量不变，通过038风井风机风量为171.81m3/s，新建风井的风量为97.72m3/s的条件下，按此方案改造后，根据解算结果可知，矿井主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井风压为2802.7Pa，计算风阻为0.094946NS2/m8，等积孔为3.86m2；新建风井风压为2419.6Pa，计算风阻为0.253362NS2/m8，等积孔为2.36m2。
此方案需要改造经费预算为1040万元，按此方案改造后，矿井总风量和主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井主要通风机的输出功率为481.5kW，主要通風机电动机的输入功率为908.6kW；新建风井主要通风机的输出功率为236.4kW，主要通风机电动机的输入功率为337.8kW（新建风井安装的风机的效率包括电动机效率按70%计算），两风井主要通风机电动机的输入功率合计为1246.4kW，与现状比较，输入功率减少了500.3kW，年节约电能4382891kW.h/a，年节约电费约263.0万元。
5 总结
通过阻力测定与风网解算发现当前矿井通风系统存在阻力大、风流利用率低及高阻地段多的问题，提出了两种改造方案，分别在进风侧和回风侧新建立井，从总体上对通风系统进行改造，从模拟结算结果分析可知，两种方案均能大幅降低通风阻力，但对比改造成本和后期系统的稳定性，建议采用第1种方案进行改造，以提高通风系统的可靠性，增加有效风量，减少漏风，降低矿井通风电耗，减少吨煤通风成本。
参考文献：
[1]陈峰真.四方台矿通风系统分析与优化改造研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2008.
[2] 程磊，杨运良.矿井通风系统评价指标体系的研究[J].中国安全科学学报，2005（3）：91-94.
[3]林晓飞，曹庆贵等.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报，2006（6）：79-80.
基金项目：
黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12513079）。
作者简介：
刘新蕾（1983-），女，吉林九台人，助教，2010年毕业于黑龙江科技学院安全技术及工程专业，主要从事矿山安全技术及工程的教学和科研工作。
关键词：煤矿 通风系统 阻力测定 网络解算
1 矿井基本情况
唐山开滦赵各庄煤矿位于河北省唐山市古冶区，始建于1906年，1910年1月正式投产。矿井设计能力230万t，2009年复核生产能力为200万t/a。矿井采用主皮带斜井、副立井阶段石门开拓方式布置，阶段垂高90-100m。目前开采水平为十二水平（-1002m）和十三水平（-1100m），十四水平系统基本形成。回采工作面采用走向长壁综采、综放、炮采、地沟等方法，掘进工作面采用机掘、炮掘工艺。矿井瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井，其中第九煤层为突出煤层。
矿井通风采用中央并列与单翼对角混合抽出式。四个副立井（1-4号井）、一个主皮带斜井（406斜井）联合进风，回风井有中央038风井、对角白道子风井。中央038風井安装两台离心式风机，型号均为K4-73-01№32F，装机容量均为1600kw，一台使用一台备用；对角白道子风井安有两台轴流式风机，型号分别为2KZ-G№20和FBCDZ-№21，电机容量分别为355kw和2×250kw，一台使用一台备用。该矿井总进风量为270.9m3/s，矿井总排风量299.14m3/s，038风井水柱计示值3530Pa，白道子风井水柱计示值3210Pa。
为彻底掌握当前矿井通风系统中阻力分布情况，提供实际井巷风阻值，全面分析矿井通风系统现状及其安全性和可靠性，提出切实可行的改进意见，使通风系统更为经济合理，赵各庄矿与黑龙江科技大学合作对该矿通风系统进行了阻力测定，阻力测定方法采用气压计基点法[1]。
2 阻力测定与通风系统现状分析
测定人员经过近一个月时间的地面准备与井下实测，共测得相对压力、风速、断面积、大气压力、温度与湿度及基点参数等有关技术参数约2500个，查得各测点标高等数据100多个，并对井下风门、密闭等通风设施和较大漏风通道进行了勘察，获得了较详细的第一手资料，为通风网络解算和通风系统分析打下了良好基础。
根据通风阻力测定结果进行计算机网络解算[2]，根据解算结果整理得出赵各庄矿通风阻力分布表见表1。
从解算结果中可以看出：①038风井矿井通风系统的计算风阻为0.067423NS2/m8，通风阻力为3797.2Pa，其中进风段阻力为1443.3Pa，占总阻力的38.0%，用风段阻力为766.6Pa，占总阻力的20.2%，回风段的阻力为1587.3Pa，占总阻力的41.8%。
②白道子风井矿井通风系统的计算风阻为0.656481NS2/m8，通风阻力为3423.9Pa，其中进风段阻力为1443.3Pa，占总阻力的42.2%，用风段阻力为820.4Pa，占总阻力的23.9%，回风段的阻力为1160.2Pa，占总阻力的33.9%。
实测038风井矿井通风阻力为3797.2Pa，白道子风井矿井通风阻力为3423.9Pa，说明矿井通风阻力较大。从矿井三段的阻力分布来看，各风井三段阻力分布所占的比重较合理，但赵各庄矿在进、用、回风段的通风阻力都较高，阻力大的原因分别为进风段“路线长、设备多、风量集中”；回风段“路线长、回风巷局部有效通风断面小，风速高”；用风段“3639西采面通风巷道断面小配风困难，十二、十三水平的所有其它用风地点的回风都增加了调节，以及十三西大巷有效断面小、风量大”。
矿井两个回风井的主要通风机能力相差较大，其工作方式为对角并联联合运转，由于公共段的通风阻力较大，约占矿井通风总阻力的40%，易导致矿井通风系统不稳定。
3 通风系统改造方案
由于开采水平深，通风路线长，系统复杂，传统井下巷道降阻改造效果不明显[3]，同时考虑因风机能力相差大和公共段阻力占比大造成的系统不稳定问题，提出了下述两个改造方案。
3.1 方案Ⅰ在进风侧新建进风立井——将1013暗井延至地表
本改造方案是在现有通风系统的基础上，将1013暗井延至地表，并保持矿井总进风量不变。1013暗井延至
地表段巷道长度约为860m，该井筒直径取φ=5m，其巷道
净断面按19.6m2计算，井巷的摩擦阻力系数取0.00372Ns2/m4，则该段巷道的风阻值为0.006788NS2/m8。
根据现通风系统图、通风系统调整改造工程，并保持矿井总风量不变的条件下，依据比例定律，对白道子风井风机调角和对038风井调速改造，转速由498r/min调为431r/min，白道子风井风机调角改造，使一、二级叶片安装角度分别调小3°，其模拟解算结果如表2所示：
表2 方案Ⅰ模拟结果
3.2 方案Ⅱ新建回风立井，并取消白道子风井
本改造方案是保持矿井现总进风量不变，去掉白道子风井，由地表新建一回风立井至十二水平，将七水平西大巷14-15分支的风门取消，矿井回风由038风井和新建风井共同负担。新建回风立井的长度1040m，该井筒直径取φ=5m，其巷道断面按19.6m2计算，井巷的摩擦阻力系数取0.00372Ns2/m4，则该段巷道的风阻值为0.008221NS2/m8，七水平西大巷14-15分支的风阻为0.09352NS2/m8，断面面积为7.5m2。
根据现通风系统图、通风系统调整改造工程，依据比例定律，通过对038风井风机进行调速改造，转速由498r/min调为431r/min，结合新建风井（建议新建风井的风机选用BD№24风机，叶片角度42°/39°，转速n=740r/min），其模拟解算结果如表3所示： 表3 方案Ⅱ模拟结果
4 通风系统改造效果分析
如果按方案Ⅰ，在保持矿井总回风量不变的条件下，将1013暗井延至地表改造后，根据解算结果可知，矿井总风量和矿井主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井风压为2517.0Pa，计算风阻为0.049719NS2/m8，等积孔为5.34m2；白道子风井风压为2380.6Pa，计算风阻为0.490171NS2/m8，等积孔为1.70m2。
此方案需要改造经费预算为860万元，按此方案改造后，038风井风压下降了897.2Pa，计算风阻减少了0.017704NS2/m8，等积孔增加了0.75m2；白道子风井风压下降了796.8Pa，计算风阻减少了0.16631NS2/m8，等积孔增加了0.45m2。038风井主要通风机的输出功率为566.3kW，主要通风机电动机的输入功率为1068.5kW，主要通风机电动机的输入功率下降了381.2kW，年节约电能3339312kW.h/a，年节约电费约200.4万元；白道子风井主要通风机的输出功率为165.9kW，主要通风机电动机的输入功率为223.0kW，主要通风机电动机的输入功率下降了67.1kW，年节约电能587884kW.h/a，年节约电费约35.3万元。两风井年节约电费合计235.7万元。
如果按方案Ⅱ，在保持矿井总回风量不变，通过038风井风机风量为171.81m3/s，新建风井的风量为97.72m3/s的条件下，按此方案改造后，根据解算结果可知，矿井主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井风压为2802.7Pa，计算风阻为0.094946NS2/m8，等积孔为3.86m2；新建风井风压为2419.6Pa，计算风阻为0.253362NS2/m8，等积孔为2.36m2。
此方案需要改造经费预算为1040万元，按此方案改造后，矿井总风量和主要用风地点的配风量与现状相比较基本不变，038风井主要通风机的输出功率为481.5kW，主要通風机电动机的输入功率为908.6kW；新建风井主要通风机的输出功率为236.4kW，主要通风机电动机的输入功率为337.8kW（新建风井安装的风机的效率包括电动机效率按70%计算），两风井主要通风机电动机的输入功率合计为1246.4kW，与现状比较，输入功率减少了500.3kW，年节约电能4382891kW.h/a，年节约电费约263.0万元。
5 总结
通过阻力测定与风网解算发现当前矿井通风系统存在阻力大、风流利用率低及高阻地段多的问题，提出了两种改造方案，分别在进风侧和回风侧新建立井，从总体上对通风系统进行改造，从模拟结算结果分析可知，两种方案均能大幅降低通风阻力，但对比改造成本和后期系统的稳定性，建议采用第1种方案进行改造，以提高通风系统的可靠性，增加有效风量，减少漏风，降低矿井通风电耗，减少吨煤通风成本。
参考文献：
[1]陈峰真.四方台矿通风系统分析与优化改造研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2008.
[2] 程磊，杨运良.矿井通风系统评价指标体系的研究[J].中国安全科学学报，2005（3）：91-94.
[3]林晓飞，曹庆贵等.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报，2006（6）：79-80.
基金项目：
黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12513079）。
作者简介：
刘新蕾（1983-），女，吉林九台人，助教，2010年毕业于黑龙江科技学院安全技术及工程专业，主要从事矿山安全技术及工程的教学和科研工作。