礦井通風設施外部漏風的檢測方法研究①

焦殿志 彭 輝 王建軍 朱 峰 王志亮

(1.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157;2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

礦井通風設施外部漏風的檢測方法研究①

焦殿志1②彭 輝1王建軍1朱 峰1王志亮2

(1.安徽皖北煤電集團公司五溝煤礦，安徽 淮北 235157;2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201)

礦井外部漏風率大小是衡量主要通風機運行狀況和通風管理水平的重要指標之一，其測定方法的選擇是現場技術人員進行漏風測定時面臨的首要問題。依據礦井通風原理，分析了各種外部漏風測試方法的原理、步驟、適用條件。以五溝煤礦外部漏風測定為實例，論述其方法選擇的依據和過程。現場測試結果表明:在1#風機和2#風機運行狀態下礦井外部漏風率分別為8.4%和7.85%，其中備用風機的裝置漏風是主要的漏風源，必須采取有針對性的措施予以治理。測試結果對消除礦井漏風隱患、優化礦井通風系統提供科學的現場依據。

外部漏風率;測定方法;漏風源;通風設施

礦井外部漏風既是影響礦井通風系統合理運行的因素之一，也是衡量礦井主要通風機運行狀況和通風管理水平的一個重要指標。礦井外部漏風會引起電能的無謂消耗，增大主要通風機設備的容量，如果風流短路漏風嚴重時，會引起主通風機工作風量劇增，電機產生過負荷現象，造成嚴重通風事故;同時漏風風路構成了礦井通風網路的組成部分，必然會造成通風系統復雜化，因而會使通風系統的穩定性、可靠性及抗災能力受到一定程度的影響，并增加礦井風量調節的困難［1-2］。因此，減小漏風量，提高礦井的有效風量，是搞好通風安全工作的基礎，更是保證礦井安全生產的關鍵。《煤礦安全規程》明確要求:無提升設備時礦井外部漏風率不得超過5%，有提升設備時不得超過15%。礦井外部漏風的測定方法較多，針對具體礦井首先需要明確不同方法的特點及適用條件，然后結合本礦通風系統、主要通風機運行狀況、外部漏風通道、參數測定方法等現場因素來制定具體實施方案［3-6］。因此，選擇適用于本礦的外部漏風測試方法，是現場通風技術人員進行外部漏風測定時面臨的首要問題。

1 外部漏風測試方法分析

1.1 風表直接測定法

1)原理:在風硐內選取適當的斷面測得主要通風機工作風量，同時在井下總回風道內選取合適的測點測得總回風量，通過二者之差可計算出礦井外部漏風量和漏風率。

2)測定步驟:首先在通風系統圖上合理布置測點，并按順序編號;現場實地勘察測點狀況，若測試條件不滿足布點要求，可作調整。沿預先布置的測點，對斷面、風速、溫度及壓力等參數進行測量，測定過程中應注意觀察測段內的巷道狀況、積水和雜物，并進行記錄。現場測試完成后進行數據處理，計算礦井外部漏風量。

3)特點:該方法操作方便，計算簡單直觀，若測定誤差在允許范圍內，可作為礦井日常的外部漏風率測試方法。但受主要通風機輔助設施布置方式和風速的限制，在某些礦井難以現場實測通風機排風量，因此無法準確計算出外部漏風量和漏風率。

1.2 瓦斯等值法

1)原理:根據同一時間礦井總回風與礦井主通風機排出的絕對瓦斯涌出量相等的原理來進行測定，外部漏風雖然增大了主通風機的排風量，但礦井總的瓦斯絕對涌出量未變。

2)測定步驟:依據礦井回風大巷和回風井的具體布置方式，選擇井下合適地點測定礦井總回風量、瓦斯濃度及大氣物理參數;在風機入口或擴散器口測定主要通風機的瓦斯濃度及大氣物理參數。通過計算可求出礦井外部漏風量。

3)特點:等值測定法的優點在于不需在風硐或擴散器口測定風量，比較安全，若氣體濃度分析正確則計算準確，誤差相對較小，特別是在擴散器口風量無法準確測定的條件下，應用等值測定法能取得較好效果。但該方法的關鍵是能準確采集有代表性的氣樣，并且氣體濃度檢測需要采用氣相色譜儀分析至ppm數量級。因此應用等值法測定礦井外部漏風量需具備以下幾個基本條件:①待測氣體濃度盡可能大且分布均勻，采集的氣樣具有代表性;②高精確度的檢測儀器;③總回風巷道至風機擴散器口之間沒有被測氣體涌出。

1.3 示蹤氣體法

1)原理及步驟:其測試原理為在井下總回風大巷中連續、定量釋放示蹤氣體，當風流帶著示蹤氣體流入回風井時，若礦井存在外部漏風，則風硐內風量增加，當攜帶有示蹤氣體的風流由主通風機排出地面時，示蹤氣體的濃度必然降低，通過取樣并檢測示蹤氣體濃度的降低值即可計算出礦井的外部漏風量。

2)特點:該方法存在兩個關鍵點，一個是示蹤氣體的釋放，要求釋放裝置能連續定量地釋放示蹤氣體，釋放裝置工作原理簡單，操作方便，釋放量要依據回風量、巷道斷面、外部漏風量及色譜儀的合理檢測范圍而定，釋放前需用皂膜流量計校正儀器;第二個是取樣，要求風流將示蹤氣體充分混合后，在巷道有代表性的地點取樣，為保證取樣的合理性，應在巷道的上、中、下分別取樣分析，取其平均值進行計算。因此，該方法測定礦井外部漏風率的精度主要取決于釋放裝置的釋放流量和取樣點的濃度分布是否均勻。在現場采用該方法測定時，需提前做多次試驗來確定示蹤氣體釋放量、采樣時間、采樣位置等參數，準備工作較為繁瑣。另外還存在示蹤氣體可能被風井及風硐內含有機玻璃、內聚乙烯等物質的支護材料所吸收等問題，這些問題的存在將對該方法帶來操作上的不便及一定的誤差。

1.4 精密測風儀表法

1)原理及步驟:利用主要通風機性能鑒定時，將精密測定儀器布置在風機的集風器或擴散器內，當主要通風機恢復到正常工作狀態，待風流穩定后同時測定主要通風機的排風量和井下總回風量，根據二者風量之差求出礦井外部漏風量。

2)特點:該方法測量準確，操作簡單，適用于在風機性能鑒定時進行測定，但需要停開主要通風機，當外部漏風量變化后若再采用該方法，則影響生產;同時井下各掘進地點恢復正常通風后需要排放瓦斯，存在一定不安全因素。因此，該方法可在風機性能鑒定時作為附屬的一項測試內容，不適于日常外部漏風量的測定。

1.5 漏風路線風阻法

1)原理及步驟:將礦井外部漏風的每一條漏風路線視為與礦井通風網路相并聯的分支，若能采用其它方式預先求得每條漏風路線的風量，則按照并聯風路阻力平衡定律可得出每條漏風路線的風阻，在以后的礦井外部漏風量計算中，則可方便的由風機排風量和風機房水柱計壓力直接計算出每條漏風路線的漏風量。其計算公式如式(1):

式中:Q漏為每條外部漏風路線的漏風量，m3/s;h靜為主要通風機裝置的靜壓，Pa;R漏為每條漏風路線的風阻，N.S2/m8;h水為風機房水柱計壓力值，Pa;h速為風硐內水柱計承壓口處的風流速壓，Pa;ρ為風硐內水柱計承壓口處的空氣密度，kg/m3;V為風硐內水柱計承壓口處的風流速度，m/s;

2)特點:該方法需預先測出每條漏風通道的漏風風阻，然后在風硐構筑物沒有發生較大變動的條件下，可在任何時候方便的計算出每條漏風通道的漏風量和漏風率。該方法計算簡單方便，分析全面，適用于對本礦井的外部漏風源及漏風通道非常明確的礦井，同時漏風量計算人員必須具備較為扎實的通風理論知識。

1.6 風機房水柱計法

1)原理及步驟:為更加方便直觀地確定風機工況點，從而確定風機排風量，將主要通風機靜壓特性曲線轉化為水柱計特性曲線，從而可由風機房的水柱計壓力值直接得出風機的排風量，井下的總回風量實測得出后，即可求出礦井外部漏風量和漏風率。

2)特點:該方法前期需要做一定的風機性能曲線轉化工作，后期應用非常簡單方便。需要指出的是，必須使用實測風機特性曲線。《煤礦安全規程》規定，主要通風機性能鑒定每5年進行一次，在此期間，若風機運轉正常，沒有發生過較大變化則此曲線可以使用，否則應重新測算風機性能特性曲線。在風機性能鑒定時可同時做出風機水柱計特性曲線，為今后計算礦井外部漏風率提供方便。

2 應用實例

2.1 礦井通風概況

五溝煤礦位于淮北市濉溪縣境內，礦井設計生產能力60萬t/a，2009年礦井核定生產能力為150萬t/a。礦井通風方式為中央并列式，通風方法為抽出式，主、副井進風，風井回風。礦井主要可采煤層72、81、82、10 均有自然發火傾向性，都屬Ⅱ類自燃煤層;煤塵均具有爆炸危險性。礦井72、81、82煤為突出煤層，自然瓦斯含量分別為10.03 m3/t、8.50 m3/t、3.56m3/t;10煤為無突出危險煤層，自然瓦斯含量為1.08m3/t。依據2011年8月礦井組織的瓦斯等級鑒定，礦井需要風量7440 m3/min，實際總進風7956m3/min，總回風8032 m3/min，礦井排風量8470m3/min，礦井靜壓2180Pa，全礦瓦斯平均絕對涌出量2.76m3/min，平均相對涌出量0.99m3/t，全礦二氧化碳平均絕對涌出量5.28 m3/min，平均相對涌出量1.90m3/t。為摸清五溝礦外部漏風具體現狀，優化主要通風機工況參數，降低通風費用，消除漏風安全隱患，提高通風管理水平，本礦決定對外部漏風進行準確測定。

2.2 五溝礦外部漏風量測定方法確定

風表直接測定法雖然測定過程比較繁瑣，但測定結果準確，適用范圍廣，五溝礦具備測定的條件;瓦斯等值法不需要測定風機的排風量，若能準確取樣分析，則可為今后的外部漏風測試提供簡單方法，但依據五溝煤礦2011年度8月份進行的瓦斯等級鑒定結果，全礦井絕對瓦斯涌出量2.88 m3/min，礦井總排風在9000m3/min之上，雖然本礦具備測試條件，但預計瓦斯濃度變化不明顯，本次測定不采用該方法;示蹤氣體法測定過程較為復雜，同時受到外界各種干擾因素影響較多，誤差較大，暫不采用;精密測風儀表法適用于風機性能測試時期，該礦目前不具備測試條件;漏風路線風阻法需預先準確測定出每個漏風通道的漏風量，然后才能計算出漏風通道的漏風風阻，本次測定將計算出各條漏風源的漏風風阻;風機房水柱計法的前提是必須有現行風機的性能特性曲線，該礦2010年進行的性能檢測只對不同葉片角度下單一工況點進行測試，沒有給出風機詳細的工作特性曲線，因此不具備測試條件。

通過對礦井外部漏風量各種測定方法的對比和分析，結合該礦主要通風機及附屬設施的實際布置，本次外部漏風測定采用直接測定法為主、漏風路線風阻法驗證的實測方法體系。

2.3 測試方案及結果

2.3.1 測試方案

測定方法確定后，按照礦井通風現狀制定詳細的現場測定實施方案。依據五溝礦主要通風機及附屬設施的實際布置，按照礦井總回風的流動路線和外部漏風源分布，礦井外部漏風量測定劃分為三個區域，即井下回風大巷區、地面風硐區和主扇擴散器排風口。其中地面風硐區是本次測定的重點地段，也是礦井外部漏風通道的主要區域。經現場考查并與礦方通風技術人員充分探討后，地面風硐區共布置5個測點，測點布置位置及編號見圖1所示。

圖1 地面風硐區測點布置位置及編號示意圖

其中1號測點布置在1#風機的兩道檢修門之間，用于測定檢修門的漏風;2號測點布置在1#風機導風門前3m處，當1#風機運行時該測點用來測定風硐處的總風量，當2#風機運行時該測點用來測定1#風機的漏風量;測點3、4分別與測點1、2對稱布置，作用相同;測點5布置在安全出口靠近內側的兩道風門之間，用來測定安全出口的漏風量。

2.3.2 測試結果

對所測參數進行現場實測和數據整理，可得在不同風機運行狀態下各漏風通道的漏風量及漏風風阻，詳見表1所示，兩臺風機分別運行狀態下漏風率對比見圖2所示。

表1 不同風機運行狀態下漏風量與漏風風阻計算表

圖2 不同風機運行狀態下礦井外部漏風量對比圖

3 結論

1)結合五溝礦生產實際，適用于該礦日常外部漏風測定的方法為直接測定法和漏風路線風阻法。實測結果表明:在1#風機運行狀態下，礦井總回風8811 m3/min，風機排風量9620 m3/min，外部漏風量809 m3/min，外部漏風率8.4%;在2#風機運行狀態下，礦井總回風8617 m3/min，風機排風量9351 m3/min，外部漏風量734 m3/min，外部漏風率7.85%。按照《煤礦安全規程》的要求:無提升設備時礦井外部漏風率不得超過5%。目前該礦兩臺風機在正常運行期間的外部漏風率均以超過此規定，需采取措施進行治理。

2)五溝煤礦的外部漏風通道為:安全出口、兩道連接風硐的檢修門、備用風機裝置漏風、防爆門及地面裂隙。在1#風機運行狀態下，漏風量最為嚴重的是2#備用風機，其漏風量達625m3/min，漏風比例為77.3%。其次為防爆門及地面裂隙漏風，漏風量為107 m3/min，漏風比例為13.2%;在2#風機運行狀態下具有相同的漏風特性，此時1#備用風機漏風量 517 m3/min，漏風比例為70.4%。防爆門及地面裂隙漏風量為136 m3/min，漏風比例為18.5%。由此可講，外部漏風治理的主要對象應集中于兩個方面:一是備用風機的裝置漏風，二是防爆門及地表裂隙的漏風。

3)五溝礦目前的風機性能檢測只對不同葉片角度下單一工況點進行測試，沒有給出兩臺風機詳細的工作特性曲線，建議該礦對風機性能進行全面系統的測試，詳細繪制出不同葉片角度下的風機性能曲線，為礦井通風提供必要的技術依據。在此前提下，可繪制出水柱計與風機排風量的特性曲線，由此該礦日常的外部漏風測試也可采用風機房水柱計法來計算。

［1］ 楊勝強，劉殿武.通風與安全［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2009

［2］ 王德明.礦井通風與安全［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2007

［3］ 王懷珍，孫文標.通風瓦斯常用數據測量實用手冊［M］.北京:煤炭工業出版社，2010

［4］ 倪文耀.抽出式通風礦井外部漏風率的正確測算法［J］.中國安全科學學報，2004，14(4):90-92

［5］ 張軍，葉建軍.等值法測定礦井外部漏風率［J］.礦業安全與環保，2004 ，31(增刊):9-10

［6］ 劉智闊，王啟海.利用示蹤氣體測定礦井的外部漏風［J］.煤礦安全，2000 ，31(5):20-21

(1.Wugou coal mine Anhui wanbei coal and electricity group，Huaibei Anhui235157;2.Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Research on mensuration method of ventilation equipment external air leakage

JIAO Dianzhi1，PENG Hui1，WANG Jianjun1，ZHU Feng1，WANG Zhiliang2

It is one of signify indexes to evaluate running status of main fan and mine ventilation management level for external air leakage ratio，and the selection of mensuration methods is the chief issue for technique personnel when mensurating external air leakage.In term of coal mine ventilation theory，those characteristics were analyzed for various mensuration methods such as the principle，process，and applying condition.As a example of external air leakage mensuration of wugou mine，the gist and process of selecting mensuration methods was discussed.The result showed that mine external air leakage ratio was 8.4%and 7.85%respectively corresponding 1#fan and 2#fan running，equipment air leakage of spare fan was the most primary air leakage fountainhead，so specific measures must be applied to reduce air leakage.The research conclusion will provide scientific field reference for eliminating air leakage hidden trouble and optimizing mine ventilation system.

external air leakage ratio;mensuration method;air leakage fountainhead;ventilation equipment

TD728

A

1672-7169(2012)03-0031-05

2012-05-16。基金項目:中央高校基本科研業務費資助(項目編號:AQ1201B)。

焦殿志(1972-)，男，安徽淮北人，碩士，工程師，安徽皖北煤電公司五溝煤礦總工程師。