南溝煤礦通風系統不穩定原因分析及對策研究

侯宇杰

(山西寧武大運華盛南溝煤業有限公司，山西 忻州 036700)

1 工程概況

南溝煤礦進入二期工程施工時，于2016年10月份，主、副、回風斜井相繼落底并貫通，在回風斜井井口安裝了兩臺臨時抽出式對旋軸流通風機，砌筑兩道風門封閉回風斜井上井口，兩臺臨時抽出式對旋軸流通風機通過一段風道與回風斜井上口合茬，通風方式采用機械抽出式通風，形成全風壓通風系統，主、副斜井進風，回風斜井出風，井下乏風通過回風斜井井口安裝的臨時抽出式對旋軸流通風機排至大氣中。臨時抽出式對旋軸流通風機開一級電機工作，經測定，副斜井進風量1 200 m3/min，主斜井進風量800 m3/min，回風斜井出風量2 000 m3/min，臨時主要通風機工作風量2 500 m3/min。

南溝煤礦二期工程施工時，于2017年1月份出現了原進風的主斜井出風或微風等情況。主斜井最大出風量達到450 m3/min，副斜井進風量2 250 m3/min，回風斜井出風量1 800 m3/min，充分表明通風系統穩定性出現問題，必須有針對性地采取對策，保障井下開采的安全性。

2 礦井通風系統不穩定原因分析

進入冬季，南溝煤礦出現的主斜井出風或微風等情況，即主斜井風流反向問題，造成礦井通風系統不穩定，進行原因分析，主次原因如下[1-5]。

2.1 回風斜井井口存在漏風現象

回風斜井安裝帶式輸送機運輸出殲，皮帶機頭探出井口，因回風斜井上井口砌筑的兩道風門墻體過路皮帶處過風面積大，封閉不嚴實，加之人員上、下井時經常開啟該處風門，造成部分風流短路，井口漏風量達500 m3/min，漏風率為20%，井口漏風率較大，井下有效風量小?；仫L斜井井口存在漏風情況是造成主斜井無風或微風的一個次要原因。

2.2 臨時主要通風機工作能力不足

南溝煤礦二期工程施工時，永久主要通風機未安裝投入使用，依據《南溝煤礦二期工程施工通風設計》中的臨時主要通風機選型計算，選擇型號為FBCDZ-8-No18D型防爆抽出式對旋軸流通風機(功率：2 kW×90 kW，轉速：740 r/min，風量1 320 m3/min～4 200 m3/min，風壓2 535 Pa～911 Pa)。井下正常施工時有3個～4個掘進工作面，進入冬季前，抽出式對旋軸流通風機開一級電機工作，葉根安裝角度調至中間角度30°，能夠滿足當時礦井施工通風安全需要。進入冬季，抽出式對旋軸流通風機開一級電機工作，未開雙級電機工作，加之葉根安裝角度調至中間角度30°，未調至最大安裝角度，臨時主要通風機工作能力有限，未適時調整臨時主要通風機的工況點，當時通風機工作狀態的風壓不能有效克服冬季反向的自然風壓，出現了主斜井出風情況。臨時主要通風機工作能力不足是造成礦井通風系統不穩定的一個重要原因。

2.3 冬季自然風壓反向造成主斜井出風情況

1) 自然風壓概述及其形成。南溝煤礦二期工程冬季施工時，采用地面燃煤暖風爐為進風主斜井供熱風，由于主斜井井壁溫度逐漸升高，導致主斜井側的空氣柱的平均密度逐漸小于回風斜井側的空氣柱的平均密度，造成礦井自然風壓反向并逐漸加大，促使主斜井出風。同時,該礦井的自然風壓隨季節性變化而變化，冬季自然風壓作用方向與主要通風機通風風壓方向相反，礦井自然風壓反向并較大，其中1月份礦井自然風壓最大，加之為主斜井供暖風，主斜井空氣柱的平均密度較小，促使主斜井風流反向，主斜井出風。冬季自然風壓反向并較大是造成礦井通風系統不穩定的一個主要原因。

2) 自然風壓使風流反向理論計算。自然風壓使風流反向示意圖如圖1所示，進入冬季前，DB副斜井和AB1主斜井進風，冬季主斜井自然風壓作用方向與主要通風機通風風壓方向相反，主斜井風流反向，主斜井出風量450 m3/min。

圖1 自然風壓使風流反向示意圖

對回風斜井來說冬季存在兩個系統自然風壓：

AB1B11CFA系統的自然風壓HNA=Zg[ρ(CBI11)-ρ(FAB1)]；DBB1B11CFED系統的自然風壓為HND=Zg[ρ(CB1)-ρ(EDB)]，式中，ρ(CB11)、ρ(FAB1)和ρ(EDB1)分別為CB11、FAB1和EDB1空氣柱的平均密度，kg/m3。

自然風壓與主要通風機作用方向相反，相當于在副斜井口D和主斜井口A各安裝一臺抽風機。設AB1風流停滯，對回路AB1和AB1B11CFA分別列出壓力平衡方程，見式(1)、式(2)。

HNA-HND=RDQ2

(1)

HS-HNA=RCQ2

(2)

式中：HS為風機靜壓，Pa；Q為DBB1B11C風路風量，m3/s；RD、RC為分別為DBB1和B1B11C分支風阻，Ns2/m3。

式(1)和式(2)相除，得AB1段風流停滯條件式見式(3)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)=RD/RC

(3)

AB1段風流反向條件式見式(4)。

(HNA-HND)/(HS-HNA)>RD/RC

(4)

從AB1段風流反向條件式(4)可知，進入冬季施工時，由于主、副斜井各通風回路系統均產生反向的自然風壓且主斜井通風回路系統自然風壓較大，加之副斜井進風段DBB1與回風斜井出風段B1B11C分支風阻的比值小，同時通風機工作靜壓小，造成主斜井出風情況，即主斜井風流反向，通風系統不穩定。

3 防治礦井通風系統不穩定對策

3.1 減少回風斜井井口漏風量

封堵回風斜井上井口漏風處，減少井口漏風量，井口漏風率控制在10%以下?；仫L斜井上井口兩道風門墻體過路皮帶處均增設擋風板，盡可能減少該處過風面積。兩臺臨時主要通風機(一主、一備)切換閘門處漏風地方，采用鋼板焊接封堵漏風。為防止風流短路，不允許工作人員從回風斜井入井、出井，保證上井口兩道風門處于常閉狀態。

3.2 提高臨時主要通風機工作能力

調整回風斜井地面FBCDZ-8-No18D型主要通風機的工況點，增大葉根角度，將葉根安裝角度調至最大角度54(°)/36(°)，開啟主要通風機的一級電機和二級電機，即開雙級電機工作，提高臨時主要通風機工作能力，增加主要通風機的工作風量和工作風壓，使其能滿足礦井通風需要。使主要通風機工作狀態的風壓能夠進一步克服冬季反向的自然風壓。從AB1段風流反向條件式(4)可知，通過增加主要通風機的工作靜壓，減小(HNA-HND)/(HS-HNA)值，使主斜井AB1段風流反向條件式(4)趨向不成立。因臨時主要通風機工作能力有限，采取該對策后，對主斜井進風起到一定作用。

3.3 在副斜井進風段增加局部風阻

在進風的副斜井井巷多處增加局部風阻，即設臨時風障和調節風門等通風設施。從AB1段風流反向條件式(4)可知，通過增加副斜井井巷局部風阻，來增大副斜井進風段DBB1與回風斜井出風段B1B11C分支風阻的比值，即增大RD/RC值，使主斜井AB段風流反向條件式(4)不成立，促使主斜井進風。采取該對策后，效果立竿見影，主斜井進風，有效解決了主斜井風流反向問題，保證了通風系統穩定。經測定風量，副斜井進風量為1 800 m'/min，主斜井進風量為900 m3/min，回風斜井出風量為2 700 m3/min。在副斜井進風段增加局部風阻后，南溝煤礦二期工程通風系統示意圖如第69頁圖2所示。

圖2 南溝煤礦二期工程通風系統示意圖

4 結語

進入冬季，南溝煤礦二期工程施工時，針對主斜井出風情況，即主斜井風流反向問題，進行原因分析和網絡計算，采取了減少回風斜井井口漏風量、提高臨時主要通風機工作能力(增大HS)、在副斜井進風段增加局部風阻(加大RD)等對策，促使主斜井進風，防止了主斜井風流反向，確保了礦井通風系統穩定、可靠，保證了礦井安全生產?？傊?，冬季施工，要掌握自然風壓的變化規律，防止因自然風壓作用造成某些巷道無風或反向而發生事故。為了防止井巷風流反向，必須做好調查研究和現場實測工作，進行原田分析和網絡計算，掌握礦井通風系統和各回路

的自然風壓和風阻等情況，以便在適當的時候采取相應的措施對策，做到通風安全可靠。