陳萬勝，李 超，陳小繩，吳奉亮

（1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719300；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

淺埋深礦井采空區外部大漏風均壓防治技術

陳萬勝1，2，李 超1，陳小繩1，2，吳奉亮2，3

（1.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719300；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.教育部 西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

為準確計算采用均壓防治外部漏風時調壓風機的壓力，研究了基于礦井風網解算的均壓通風計算模型。通過對均壓通風原理及其在礦井內、外部漏風防治中技術特點的分析，結合通風網絡解算原理，建立了均壓防治外部漏風的計算模型，其計算結果顯示調壓風機升壓力取決于礦井通風阻力的分布。依據紅柳林礦井淺埋開采形成的采空區外部漏風現場觀測數據，評估了漏風對礦井通風系統穩定性的影響，并設計了調壓風機與風窗聯合的均壓通風方案。該方案采用網絡解算軟件計算了15207采煤工作面采空區外部漏風分支風阻與進風段通風阻力，確定了調壓風機升壓值與風窗的控風參數，實施后取得了預期效果。現場的成功應用表明了此技術的正確性，對同類礦井具有借鑒意義。

均壓通風；外部漏風；淺埋；網絡解算

0 引 言

中國國有重點煤礦中存在煤自然發火的礦井占總數的50%以上，由于煤自燃引發的火災超過礦井總火災的90%，每年造成近百億的經濟損失[1-2]。礦井漏風是引發煤自燃的重要因素之一[3-6]，均壓通風作為防治礦井漏風的有效手段，具有操作簡單、投資少和工作量小等優點，是我國煤礦防治煤自燃的主要方法之一[7]。

紅柳林煤礦位于陜北榆神礦區，礦區煤層均屬近水平煤層，埋深普遍較淺。目前開采的5-2煤層平均深度145 m，最淺處僅有50 m，特別是15207采煤工作面，自開切眼起有1/3長度位于開采深度僅有50 m左右的范圍之內，采空區最大外部漏風量達到50 m3/s，平均外部漏風量在23.3 m3/s.采用地面封堵裂隙的漏風治理方法不僅費用高，而且受地形、冬季低溫等因素限制，技術上也十分困難。大規模的外部漏風不僅會加峻采空區防火形勢，還會造成工作面進風巷出現微風現象，使通風系統極不穩定，嚴重影響礦井的安全生產。均壓通風在防治礦井內部漏風[8-10]、老空區有害氣體危害上有著許多成功的經驗[11-12]，但在采空區大規模外部漏風防治方面可借鑒的經驗很少，研究將為礦井外部漏風治理提供技術支撐。

1 均壓通風防治漏風原理

均壓通風的實質是，利用風窗、風機、調壓氣室和連通管等調壓設施，改變漏風區域的壓力分布，降低壓差，減少漏風。均壓通風原理可用圖1所示模型進行驗證[13]。圖中2個風機分別以壓、抽2種方式作用于風管兩端，形成由A到B的風流，AC段相對壓力為正，CB段為負，C點為0.在C點即使有開口風流也不會有內外流動，由于C點附近的相對壓力較小，形成了工程中有應用價值的均壓區。

圖1 均壓通風模型Fig.1 Model pressure balancing ventilation

常規條件下的采煤工作面采空區漏風都是內部漏風，其表現有并聯與角聯2種形式。較好的均壓通風效果是在不影響工作面風量的情況下控制漏風。對于U形通風系統的采煤工作面并聯內部漏風，其漏風動力是工作面兩端的壓差，對應的均壓方案是以減少工作面配風量為代價的，因此不可能做到絕對均壓，其效果有限；對于采空區之間形成的角聯漏風，漏風動力來自兩條通風路線上特定兩點之間的壓差，這種壓差與某個用風點的供風量沒有特定關系，其均壓方案可以在僅用調節風窗或有風機參與的情況下取得良好效果，理論上是可以實現絕對均壓的。

采用均壓防治采空區外部漏風是要將工作面的風流能量調節到與地面相同，對于主要通風機作單一抽式出（或壓入式）通風的礦井可采用“風窗-風機”聯合調節的局部均壓方式。因此調壓風機的升壓值以及調節風窗的開口面積計算方法是均壓防治采空區外部漏風的關鍵理論。

2 基于礦井風網解算的均壓防治外部漏風計算模型

以主要通風機作抽出式工作的礦井來分析，“風窗-風機”聯合調壓是希望通過風機的增壓（動力）與風窗的加阻（阻力）實現在不影響風量的情況下對均壓區采空區的壓力調節。而調壓風機在風網中的作用與輔助通風機相似，理論上其影響范圍是整個風網。因此風機升壓值與風窗開口面積的計算必須基于整個通風網絡進行分析。

2.1 含外部漏風的風網結構模型

設h為漏風通道阻力，Pa；Q為流量，m3/s；R為風阻R，Ns2/m8.通常認為外部漏風風流流態屬于紊流[14]，因此三者之間符合h=RQ2的關系，故可以將外部漏風通道當作一條漏風分支（分支10），得到如圖2所示的含漏風分支的簡化風網。

圖2 含漏風分支的簡化礦井通風網絡圖Fig.2 Simplified coalmine ventilation network including an air leakage branch

礦井風網解算是求解以上網絡的方法，其數學模型包括回路風壓平衡方程、節點風量平衡方程。對于有n條邊，m個節點的風網，這2個方程分別為

（1）

（2）

式中cij為1表示分支j與回路同向，為-1表示與回路反向，等于0表示分支j不在回路i中。bij等于0表示節點i與分支j不相連，等于1表示分支j風流流入i節點，等于-1表示j分支風流流出i節點;Rj,Qj分別為分支j的風阻與流量;hfj是j分支風機風壓，是風量的函數，Pa.

漏風通道的風阻R可采用固定風量法求解。固定風量法是將某分支風量當作已知，而風阻設為未知，仍通過求解（1）（2）式組成的方程組得到該分支風阻。漏風通道的風阻不易直接測定，在應用中可以通過風網解算模擬有外部漏風時的通風系統，這時外部漏風量可測得，采用固定風量法可以求得漏風分支風阻。求得的漏風分支風阻可以應用于開采條件相似工作面的外部漏風通道。

2.2 均壓通風計算模型

并且該控制系統主要目的是通過控制導軌俯仰角α從而控制小球在導軌上的位置x，故可針對系統狀態量x和α設置偏差函數：

為準確了解調壓風機升壓值計算模型，將圖2所示風網作為一個算例，漏風分支10風阻取為0.2 Ns2/m8，其它分支風阻均取0.05 Ns2/m8，分支9關聯性能函數為hf= 3 204.2-4.909 3Q+0.025 1Q2-0.000 2Q3的風機。有均壓措施的風網如圖3所示，在分支5末端加入調壓風機分支11（固定風量巷）；分支6設調節風窗，采用固定風量法求其風阻；分支5,6初始風量均取無漏風時分支5的風量。通過解算得到算例在無漏風、有漏風無均壓措施與有均壓措施3種情況下的風網計算結果見表1.

圖3 有均壓時的通風網絡圖Fig.2 Simplified coalmine ventilation network under pressure balancing ventilation

從表1計算結果可見，均壓措施將風網風量完全恢復到漏風前的狀態，漏風分支雖然存在，但無漏風。依據礦井通風網絡理論與算例計算結果可以得到以下結論。

1）漏風分支對風網風量分配有明顯影響。漏風分支從結構上與進風井相似，當其風阻小到一定程度時，將明顯改變原有風量分配結果；

2）調壓風機的應輸出的風壓取決于無漏時礦井通風阻力分布。分支11的阻力（1 165.3Pa）即為調壓風機的輸出風壓，它等于無漏風時分支1與分支5阻力之和，即系統進風段的阻力。當主要通風機作壓入式工作時，調壓風機位于風窗的下風側，風機輸出風壓應等于系統回風段的阻力?，F場觀測可知同一時刻、同一標高下不同地點的地面大氣壓相差很小，因此礦井通風阻力、礦井內外固定兩點間的壓差不會隨著地面大氣壓的變化而變化。因此從通風網絡理論、算例分析和地面氣壓變化規律可以得到，采用“風窗-風機”聯合調壓防治外部漏風時調壓風機動力取決于礦井通風阻力分布；

3）有漏風無均壓時，漏風分支阻力（漏風動力）與風量取決于整個風網參數。在漏風狀況下漏風分支阻力小于無漏風時井內外的壓差，漏風量越大差別越大；但分支阻力與風量取決于整個風網的風量分配。因此在有漏風狀下觀測到的工作面與地表的風流能量差不能作為調壓風機的風壓參考值。

表1 算例風網在3種情況下的解算結果

3 紅柳林煤礦15207采煤工作面采空區外部漏風均壓防治

3.1 采煤工作面及均壓方案概況

紅柳林煤礦采用中央分列式通風方式，抽出式通風方法，主斜井、副斜井、措施立井進風，回風斜井回風。礦井總排風量250 m3/s，通風總阻力1 680 Pa.15207采煤工作面走向長度2 600 m，傾斜長度350 m，工作面由兩進一回3條順槽構成，順槽斷面均在22 m2左右，具體布置如圖4所示。當采空區發生大規模漏風時，工作面的進風順槽將會出現微風，甚至風流反向現象，嚴重影響礦井通風系統的穩定。均壓方案的調壓風機安設在兩條進風順槽口，風機通過硬質鐵風筒穿過兩道行人風門。15207工作面設計配風量26.7 m3/s；由于工作面產量大，主運輸膠帶及支架穿過風門的洞口面積較大，設計其漏風量控制在13.3 m3/s.故整個均壓區域需風量設計為60 m3/s.

圖4 采煤工作面通風系統Fig.4 Ventilation system through a coal face

3.2 均壓方案計算結果

通過現場測定與網絡解算軟件[15-16]模擬得到：采空區外部漏風分支風阻為0.290 1 Ns2/m8；15207工作面按設計配風量計算得出在采空區無外部漏風情況下從進風井口到15207工作面進風順槽口通風阻力為330 Pa，因此調壓風機的設計升壓值取為300 Pa；回風巷調節風門開口面積為1.2 m2.

由于采掘接續的變化，礦井配風方案也會發生動態變化，這將導致礦井通風阻力分布的變化。根據觀測15206工作面回采期間，其進風路線上的通風阻力最大達到580 Pa，其最大外部漏風量達到50 m3/s.根據對礦井采掘接續的分析，礦井進風段最大通風阻力不會超過600 Pa.

3.2.2 風機選型

對礦井主要使用的2×37 kW與2×55 kW局部通風機進行了性能分析，其最大排風量分別為10 m3/s與13.3 m3/min，故確定采用2×55 kW局部通風機作為調壓風機，根據需風量確定共需3臺。圖5中原始曲線是單臺選定風機的性能曲線，并聯曲線是按照風壓相等、風量相加的原則得到的3臺風機并聯后的性能曲線。從圖可以看出，局部通風機具備風量穩定、風壓調節范圍大的特點，正適應調壓風機的要求，且本均壓方案中提出的調壓值對于當前風機而言是處于其低阻區，完全可以滿足本方案的需要。

圖5 調壓風機性能曲線Fig.5 Performance curves of pressure adjusting fans

為保證系統穩定可靠，在兩個進風順槽中各安裝一套調壓風機，每套包括3臺局部通風機，一套運行，另一套備用。

3.2.3 皮帶洞口漏風分析

由于工作面運輸的需要，皮帶穿過風門的洞口將產生大量的漏風，會嚴重影響風機升壓效果。根據調節風窗開口計算公式[1]，對洞口的漏風量進行驗算，得到在不同壓差與不同開口條件下皮帶洞口的漏風量見表2.計算結果表明應將皮帶洞口漏風面積控制在0.5 m2左右。

表2 皮帶洞口漏風量

3.3 方案實施與效果檢驗

1）無均壓措施時，采空區外部漏風情況。15207工作面在回采15 d后，采空區初次跨落，外部漏風達到20 m3/s，1個月后至實施均壓措施前工作面外部漏風維持在23.3 m3/s左右；

2）實施效果。均壓系統啟用后，測得：均壓風機總排風量為38.3 m3/s，進風順槽風機增壓200 Pa，運輸皮帶洞口漏風11.1 m3/s；15207工作面輔運、膠運順槽總進風27.2 m3/s，回風順槽回風量30.7 m3/s.實測數據表明采空區外部漏風減至3.5 m3/s，可見均壓通風有效防止了采空區的大規模外部漏風。

4 結 論

基于對均壓防治采空區外部漏風計算模型的分析與應用，成功解決了紅柳林煤礦采煤工作面采空區大規模外部漏風的難題，得到以下結論。

1）分析總結了均壓防治采空區外部漏風技術的計算方法。用均壓通風的原理分析了外部漏風的均壓防治方案，基于礦井通風網絡解算原理，得到：無外部漏風狀態下，從進風井口到漏風工作面的通風阻力是確定調壓風機升壓值的關鍵參數；地面氣壓變化對外部漏風量沒有明顯影響；

2）常用的局部通風機可以滿足均壓通風調壓風機的要求。局部通風機風量變化小，風壓可調范圍大的特點適應了調風壓機要求風量穩定、風壓可調的需求，2至3臺局部通風機可滿足常規采煤工作面區域的均壓通風要求；

3）均壓通風是防治淺埋深采空區外部漏風的有效手段。采空區外部漏風是陜北煤礦普遍面對的技術難題，紅柳林煤礦是陜北地區典型的特大型礦井，文中的成功應用對同類礦井有借鑒意義。

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A pressure balancing ventilation method to prevent the significant external air leakage through a gob area of a shallow-buried coal mine

CHEN Wan-sheng1，2，LI Chao1，CHEN Xiao-sheng1，2，WU Feng-liang2，3

（1.ShenmuHongliulinMiningCo．，Ltd.ofShanmeiGroup，Yulin719300，China； 2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 3.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China）

To predict exactly the pressures of regulating fans that are used to prevent external air leakages by balancing the pressure between the working face and the ground surface，a pressure balancing ventilation method is studied based on the theory of coalmine ventilation network calculation.The characteristics of pressure balancing theory’s application to preventing internal and external air leakage of coal mines are analyzed to facilitate the establishment of a pressure balancing calculation model to prevent external air leakages of coalmine.The results show that the pressure increase depends on the distribution of coalmine’s ventilation resistance.The data observed on site shows the current status of external air leakage due to the extraction of shallow buried coal seam in Hongliulin coal mine area，which is used to evaluate the impact of external air leakage on the stability of coal mine’s ventilation system.By using the software of coalmine’s ventilation network calculation，a plan that combines pressure regulating fans and air windows is designed to determine the pressure drops of branches involving both external air leakage branch through the gob area and that in the intake airflow section of the ventilation system of Hongliulin coalmine.In this way the pressure needed to be increased as well as the air windows’parameters of airflow regulation are calculated.The application of this plan has achieved the expected effects，which validates the pressure balancing technology，which has a referencing significance to coalmines with similar conditions.

pressure balancing ventilation；external air leakage；shallow-burried；ventilation network calculation

2015-06-10 責任編輯：劉 潔

國家自然科學基金青年基金項目（51204135）

陳萬勝（1983-） ，男，陜西寶雞人，助理工程師，E-mail:15038537@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0511

1672-9315（2015）05-0591-06

TD 722

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