方案。分析了矿井通风系统现状与两翼主要通风机的性能，得到以增大风机叶片安装角与电机频率来增加风量的短期优化措施。通过分析远期优化方案，得到北翼必须新建2#进回风井，同时确定了新风井的合理位置、数量与主要通风机的型号。模拟了新风机运行后南北两翼主要风机的工况点，结果表明矿井形成了稳定可靠的分区通风系统。文章为矿井中长期通风系统安全运行、系统优化和矿井保障矿井安全生产提供了技术支撑。
关键词：矿井通风系统；通风系统优化；网络解算；风量
中图分类号：TD722 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）02-0178-03
1 概 述
柠条塔煤矿是陕北矿区的特大型矿井，多煤层同采，一水平开采1-2煤、2-2煤、3-1煤层，二水平开采4-2煤、5-2煤，目前开采一水平，北翼开采1-2煤、2-2煤，南翼开采2-2煤。矿井沿南北两翼形成分区式双风机通风系统，经过多年的开采，通风路线长达16 km，目前矿井北翼一号风井已经到了服务边界，再往北延伸，风量就不能满足安全生产要求，因此开展通风系统优化十分有必要。
矿井通风系统是一个动态变化的系统[1]，随着矿井向深部延伸、开采范围的扩大，矿井风量往往不能满足生产的需要，大量的研究表明适时开展通风系统优化是保证煤矿安全生产的重要措施[2-5]。多风机矿井通风系统除具有复杂的风网结构外，风机之间还存在复杂的相互影响，柠条塔煤矿随着开采范围向北的扩展，通风系统将面临的主要问题是现有一号风机的风量不足，因此将主要从风井和主要通风机进行优化[6-9]。通风网络解算是量化分析各种通风问题的主要方法[10-11]，本文将以此为工具对柠条塔矿井通风系统展开优化研究。
2 矿井通风系统现状分析
2.1 矿井通风系统现状模拟
2.1.1 通风网络解算原理
矿井风网解算是求解通风网络方法，其数学模型包括回路风压平衡方程、节点风量平衡方程。对于有n条边，m个节点的风网，这两个方程分别为：
bij等于0表示节点i与分支j不相连，等于1表示分支j风流流入i节点，等于-1表示j分支风流流出i节点。Rj、Qj分别为分支j的风阻与流量。
hfj是j分支风机风压，是风量的函数，单位是Pa。
本文采用西安科技大学开发的网络解算软件[12]开展相关模拟分析。
2.1.2 矿井现状模拟
柠条塔煤矿分南北两翼分区开采，矿井通风系统如图1所示，主采煤层1-2煤、2-2煤，各煤层均布置两进一回三条大巷，形成两翼分区式通风系统，目前矿井北翼最远通风路线约16 680 m。南、北翼风井主要通风机型号分别为BD-II-8-№28、FBCDZ-8-№28型的对旋轴流式通风机，南翼风机叶片安装角位于31 °、电机频率32 Hz，北翼叶片是0度、电机频率39 Hz。采用网络解算软件模拟得两翼主要通风机工况，如图2所示。南北两翼工况点分别为（143.4 m3/s，529.5 Pa）、（169.0 m3/s，1129.2 Pa）。
2.2 矿井通风系统存在的主要问题
根据生产接续情况，矿井将在北翼布置两个采煤工作面，两个备用工作面，八个掘进工作面，两个盘区变电所和其它用风巷道，其它用风巷道包括稀释胶轮车尾气用风。按《采矿设计手册》计算得出采煤工作面需风量为80 m3/s，备用工作面需风量为40 m3/s，掘进工作面需风量为56 m3/s，硐室需风量为6 m3/s，其它巷道需风量为41 m3/s，矿井风量富余系数取1.2，经计算矿井北翼总需风量将达到268 m3/s。可见当前矿井存在的主要问题是北翼风量不足。
3 当前通风系统的增风潜力
3.1 主要通风机的增风潜力
调节主要通风机是改变矿井总风量的主要方法。从图2（b）可知，可通过增加北翼主要通风机转数与叶片安装角来增加北翼风量，但对于多机风系统对角并联运行时，当增加一翼风机的排风量时，另一翼风机工况点会上移，需要注意避免将另一翼风机工况置于不稳定的运行区段。
为此通过网络解算模拟北翼风机叶片安装角调整为+2.5 °，不带变频装置（工频50 Hz）运行时，南翼风机工况点将上移、风量会减小，为保证南翼供风量不受影响，需将其频率调至35 Hz，此时两翼工况，如图3所示。
从以上模拟可以得到：
①北翼总风量增加了79.5 m3/s，南翼风机工况略有升高，工况点仍处于低阻力区，表明北翼的增风调节不会影响南翼风机的稳定运行；
②北翼增风79.5 m3/s后，总风量达到248.5 m3/s，虽不能满足矿井需风量268 m3/s的要求，但是有效的增加了矿井现状风量。
3.2 北翼回风井通风能力
更换主要通风机的可行性。通过对两年后矿井通风网络解算得出，当北翼总回风量达到268 m3/s时，北翼通风总阻力将达到3 402 Pa，超过了2 940 Pa的规定，且当矿井向北延伸到井田边界时，总阻力将达到4 052 Pa。因此直接更换主要通风机不能解决北翼未来风量不足的问题。
扩大回风巷道断面。柠条塔矿在用系统井巷断面均在20 m2左右，该断面的巷道保证了井巷风速均符合规程要求，再扩大断面不现实且工程量巨大，也影响正常生产，因此扩巷措施也不可行。
综上，当前可以通过调节主要通风机为矿井增加风量，但不能实现矿井最大需风量的要求，且通过在北翼风井更换主要通风机与扩巷等措施来增风均不能在合理的通风阻力内将总风量增至268 m3/s的要求。因此建设北翼二号新风井就成为解决矿井北翼深部风量不足的必须和唯一的选择。
4 新风井位置的选择
4.1 新风井位置与数量
由图1可知，矿井进回风井之间主要呈对角式通风，但当开采区域（如当前布置）超过回风井位置后，用风点与风井之间便更多的表现为中央式通风系统的特点。中央式通风系统随着通风路线的增加，矿井阻力会有明显的增加，而当前表现出的中央式通风系统，比普通中央式通风系统的阻力还要大。通过计算表明，若在当前北翼回风井以北仅建二号新回风井，现有的主、副井筒表现的进风功能将逐渐减弱，因此新风井应采取进回风井双井建设方案，如图4所示。
4.2 主要通风机选型
经计算，新风井排风量为268m3/s时、距井田边界2 700 m处，可保证矿井通风困难时期的要求，且计算得到北翼风机通风容易与困难时期的设计工况点分别为（268 m3/s，1 602 Pa）、（268 m3/s ，2 888 Pa）。根据设计工况点选择的新风机型号为FBCDZ№34/710×2（B），n=580 r/min，容易、困难时期风机实际工况，如图5、图6所示。
5 结 语
通过研究确定了矿井近期和中长远的通风系统优化方案，其中近期方案实施后，取得了预期效果，中远期方案为矿井通风系统安全提供了技术支撑。研究的主要结论如下：
①采用网络解算模拟了矿井通风现状，得到当前主要通风机尚有较大增风能力，确定了矿井近期以调节主要通风机实现增风的优化方案。
②分析两翼主要通风机之间的相互影响，通过模拟得到北翼风机能力增大不会对南翼风机的稳定运行造成影响。
③北翼通风困难时期，进回风井主要表现中央式通风系统，新风井应选择一进一回双风井建设方案。
参考文献：
[1] 张国枢，刘泽功.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[2] 鲁忠良，李玉江，杨楠珂.孟津煤矿通风系统优化改造[J].中国矿业，2015，（8）.
[3] 廖德兴，肖利民.东坑金矿通风系统优化研究[J].矿业研究与开发，2015，（1）.
[4] 朱雷，訾美幸，张瑞.济宁二号煤矿通风系统优化[J].煤矿机械，2015，（4）.
[5] 张建文，王艳立.鲍店煤矿通风系统优化[J].山东煤炭科技，2015，（3）.
[6] 吴奉亮.矿井主要通风机性能曲线的最优多项式拟合[J].西安科技大 学学报，2011，（1）.
[7] 吴奉亮.对角式通风系统封闭型网络降阻分析[J].煤矿安全，2011，（7）.
[9] 井庆贺，贾宝山，贾廷贵.分区对角并联风机对矿井通风系统的影响[J].江西煤炭科技，2010，（2）.
[10] 王德明，周福宝.基于WINDOWS的矿井通风网络解算软件的研制[J].中国矿业大学学报，2000，（1）.
[11] 刘剑.流体网络理论[M].北京：煤炭工业出版社， 2002.
[12] 吴奉亮，周澎，李晖，等.基于智能对象的通风CAD模型研究[J]. 煤炭科 学技术，2009，（5）.
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