摘要：矿井通风阻力是影响通风系统供风效果的关键因素，通过对矿井总风阻影响因素进行分析，并进行通风系统总摩擦阻力计算，结合测算数据对通风系统进行结构优化。通过工程实践测试表面，优化通风系统供风量显著增加，供风阻力减小，效果显著。
关键词：通风系统,风阻,风量,衰老矿井
0引言
矿井通风系统的正常运行可以有效避免综采面发生煤尘、瓦斯以及火灾等隐患事故，对煤矿安全生产有着重要意义。随着回采工作的不断推进，初期通风系统结构设计已无法满足后续综采面生产供风需求，因此必须结合实际情况、复杂巷道布置情况对衰老矿井的通风系统进行优化改造，保障综采面安全生产。风阻是影响正常通风的重要原因之一，因此本文结合通风系统降阻研究，对通风系统进行优化。
1工程概况
煤矿随着长期开采工作的进行，综采设备不断增加、巷道采掘布置越来越复杂，初期通风系统设计已无法满足综采面安全生产需要，风量不足、风阻增大的问题突显出来，对综采面的安全生产带来了很大隐患。一般来说对衰老矿井的界定，按照煤矿剩余可采储量少于20%时，可认为该矿井进入衰老期。也即120万t煤矿的衰老期在回采9 a之后；45万~120万t煤矿衰老期在6~10 a左右；小于45万t煤矿衰老期在5 a左右。本文研究煤矿年产150万t，煤炭资源储量9 936.2万t，当前剩余煤炭储量3 978.2万t，因此根据上述判定标准，该煤矿已进入衰老期，需要进行通风系统优化布置。
2通风系统改造优化设计
2.1通风系统阻力影响因素
通常情况下矿井风压不变时，风阻越小，通风系统供风量越大，两者呈反比关系，通风系统也越为安全稳定。通风系统摩擦阻力计算方式如式（1）：
式中：f为通风系统阻力；α为摩擦因素；L为所计算巷道总长；C为所计算巷道断面周长；S为断面积；Q为供风量；R为巷道阻力系数。通过分析上式关系可以确定，通风系统阻力的影响因素存在如下关系：
1）通风阻力与风量的平方存在正比关系，也即巷道风量增大时，通风阻力会呈倍数增大；矿井总风阻不变时，总风量增加，同样存在这种变化关系。
2）当供风量保持不变时，风流通过巷道损失量与通风阻力呈正比关系，即风阻越大，风量损失越严重。其中巷道的风阻与巷道总长、巷道断面周长以及巷道断面积有关。
3）风流在巷道中运动时会受到巷道断面变化的影响，例如在巷道拐角、巷道交汇处，断面突然变化会使风流发生紊乱，造成涡流现象等，加剧风量损失。
4）矿井总风阻并不是各巷道的风阻简单相加，与通风系统结构相关，也即不同巷道布置结构下，巷道总数相同，但通风系统总风阻也存在差异。
2.2现行系统通风阻力分析
对矿井通风系统阻力现状进行分析，具体见表1。
可以看出该矿井属于通风困难时期，主要存在的通风问题包括：
1）由于该矿井回风巷道的设计断面偏小，加上回采扰动下巷道变形影响，造成煤矿通风阻力变大，由表1数据可以看出，当前该矿井通风总阻力达到了2 511.7 Pa，远低于相关通风技术规定中2 000 Pa的标准要求，同时各区段风量分配也存在问题。
2）对现场综采面上隅角、采空区等关键供风点位进行风量测定，发现存在风量不足现象，对综采面生产产生了影响，同时矿井风井存在漏风现象。
2.3通风系统优化改造设计
针对上述矿井通风系统阻力影响因素以及现行通风系统存在的供风问题，采取如下措施对通风系统进行优化改造设计，具体方式如下。
总体设计思路：基于矿井回风巷狭窄影响供风量的现状，对巷道进行扩宽处理，同时将原有漏风风井关闭，将综采面原皮带斜井作为回风井。
具体方案设计：将矿井回风大巷及区段回风巷进行扩宽处理，扩宽前后尺寸变化见表2；将矿井原有回风井封闭，转而使用主斜井及副斜井作为进风井供风，皮带巷斜井改造为回风井回风。即将通风系统改造为两进一回方式进行通风，并重新配置通风机，选用BDK-60No20型号，一用一备方式布置[1]。
2.4优化后通风系统数值模拟分析
通过ANSYS仿真模拟软件，对矿井通风系统的优化改造效果进行初步评估分析，首先构建通风系统仿真模型，需要遵循两方面原则：一是对矿井内废弃巷道或堵塞严重巷道进行忽略；二是对矿井内部巷道均默认为矩形断面，并将进风、回风风井视为圆形断面，通过上述两步骤简化计算量。结合该矿实际情况，以及上述回风巷扩宽尺寸，建立通风系统仿真模型，具体如图1所示[2]。
对上述通风系统仿真模型设定边界条件，包括风流中温度、空气密度以及动力黏度系数等参数，以及各巷道的风量分配情况、巷道边界、摩擦阻力系数等参数设定。最后进行仿真结果分析，结合实际分配风量，对通风系统的优化改造效果进行评估，仿真结果见表3[3]。
通过上述仿真模拟数据可以看出，结合原有设计方案对通风系统进行优化改造之后，各风量测定点位的供风量均有所提高，说明优化改造方案可以对供风量不足的现状进行改善。同时通过计算矿井等积孔发现，数值2.074 m2，通风等级为容易，因此通过仿真模拟计算表明，此次通风系统的优化改造方案设计较为合理。
3改造方案效果评价
依据上述通风系统优化设计方案对该矿井进行结构改造，并对改造后的综采面通风条件进行测算，主要通风参数见表4。改造后综采面各风段阻力测定结果，进风段为431.89 Pa，用风段为532.08 Pa，回风段阻力降至888.03 Pa，与优化改造前相比，通风阻力由总阻力5 511.7 Pa降至1 940 Pa，可以满足相关标准规定中2 000 Pa的要求，整体通风系统布置更为合理完善[4]。
4结语
矿井通风系统作为矿井关键分系统之一，其正常运行可以有效避免综采面发生煤尘、瓦斯以及火灾等隐患事故，保障煤矿综采面安全生产。随着回采工作的不断推进，初期通风系统结构设计已无法满足后续综采面生产供风需求，因此必须结合实际情况、复杂巷道布置情况对衰老矿井的通风系统进行优化改造，并结合仿真模拟软件、现场测试应用进行效果评价，总结如下：
1）结合供风量不足、风阻增大的现状，进行扩宽回风巷尺寸处理，并配合新型风机供风。
2）优化后通风系统各测点风量均大于实际风量需求，总风阻1 940 Pa，低于2 000 Pa通风技术标准要求，改造后通风等级处容易级别，通风系统布局科学合理。
参考文献
[1]史义存.矿井通风系统阻力测定及降阻减压优化研究[J].煤炭技术，2022（12）：145-147.
[2]朱国忠，王宽.白芨沟矿通风系统优化改造设计与应用[J].煤炭工程，2011（9）：9-11.
[3]林晓飞，曹庆贵，刘业娇.矿井通风系统优化调节研究[J].安全与环境学报，2006（S1）：79-80.
[4]常映辉.衰老矿井通风系统优化改造及实验研究[J].机械管理开发，2022（11）：195-196.
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