礦井通風阻力產生的原因及降低方法

周升民

(山西潞安集團司馬煤業有限公司)

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礦井通風阻力產生的原因及降低方法

周升民

(山西潞安集團司馬煤業有限公司)

摘要通風阻力作為影響礦井通風的要素之一，其實際變化情況在很大程度上影響了整個煤礦的安全生產。通過分析煤礦通風阻力產生原因以及通風阻力測量方法，討論了降低阻力的具體方法，為確保煤礦生產的順利進行提供參考。

關鍵詞礦井通風阻力通風阻力測量原因方法

我國617對井口與1 023個風井的調查結果表明，目前超過42%的礦井出現了通風阻力不符合標準的現象。因此，有必要對通風阻力產生的原因及其降低方法進行研究，以盡可能降低礦山電能消耗，提高生產效率。

1礦井通風阻力測量方法

(1)阻力測量計算。礦井通風阻力測定的關鍵是利用測定不同巷道的阻力與風量，確定其正常風阻并進行記錄統計。為提高測量精度，需4人1組按節測量[1]。若礦井巷道截面以及支護模式未改變，則1次測量即可滿足要求，若出現改變，則應進行再次測量。針對通風設備，應標明風阻。

(2)摩擦阻力測量。每個有差異的井巷其支護方法與截面也存在差異。若進行礦井通風系統設計，則應充分分析通風阻力、風量等測量成果，確保能夠精確計算出不同種類的井巷摩擦阻力(系數)[2-3]。

(3)通風阻力分布狀況測定。由于不同區域的通風阻力具有不穩定的狀況，因此應參考測定區域的路線距離進行分組測量。通過對不同區域的通風阻力進行測量，從而得到全部路線的阻力分布狀況。

2礦井通風阻力產生原因及計算方法

2.1產生原因

礦井中通常有空氣存在，且處于不停的運動狀態。摩擦阻力即為流體層的接觸(摩擦)與流體和井巷的接觸(摩擦)構成的阻力。其中流體行動過程可分為2個不同的形態(分別為層流流動與紊流流動)。前者主要為流體不同層面的質點各自分離，呈獨立狀，且形似一束，運行有規律可循，且不同的流束并無能量的交流，質點運動路線通常是垂直或較有規律的平坦曲線，且與通道軸線永遠無交點；后者的質點行動時通常出現劇烈碰撞與摩擦，質點間存在能量交流，質點運動路線無規律可循，流體中會出現瞬間出現的渦流。雷諾公式可表示為

(1)

式中，v為流體平均流動速度，m/s；d為管道直徑，m；σ為流體流動黏性系數。

據式(1)，流體流動(主要在直圓管中運行)過程中，若Re小于2 320，則流動形態為層流；若Re大于4 000，則為紊流；如果數值處于兩者之間，則該流動形態不穩定，主要由于管壁平滑狀態、流體流進狀況存在差異，成為不固定過渡區域；當Re為2 300時，其相對的臨界風速能夠達到0.12 cm/s。相關資料表明，井巷風速最小值為150 cm/s，可見，礦井中此時的通風風流為紊流。

2.2計算方法

如果礦井通風風流為紊流情況，則可用下式進行計算摩擦阻力：

(2)

式中，Hf為摩擦阻力，N；Rf為巷道摩擦風阻，N；λ為沿程阻力系數；ρ為空氣密度，kg/m3；L為巷道長度，m；U為巷道周長，m；S為巷道斷面面積，m2；Q為巷道風量，m3/s。

式(2)中，Rf作為摩擦風阻，其公式為多個要素(空氣密度、巷道平滑程度、斷面面積、井巷長度等等)的函數式[4]。若上述參數全部明確，則Rf為定值，反映礦井通風的難度。由式(2)可知：在礦井通風風流為紊流的情況下，摩擦阻力與風量平方成正相關。

3礦井通風阻力降低方法

3.1摩擦阻力降低方法

(1)降低摩擦系數。礦井通風設計時宜選擇摩擦阻力系數較小的支護方法(如砌碹、錨索、錨噴、錨桿、鋼帶等)。實際操作應確保工作質量，宜選擇光面爆破法，并且將井巷壁面整理平滑，將井巷壁面的凹凸程度降低至50 mm以下。針對支架巷道，應加強對支護程度的重視，在保持支架協調的基礎上，應具備剎幫背頂，且加強對支護密度的關注[5]。應及時維護和修理受到損壞的支架，確保未被維修的支架數量不超過支架總數的7%。對于未安置支架的巷道，應將頂底板整理平整，降低摩擦阻力。

(2)挑選適當的風量。由于摩擦阻力與風向平方成正相關，因此在通風過程中，應嚴格控制風量。在巷道前期掘進利用局部通風設備的過程中，應避免風量過多，最大限度地將集中的風量進行有效分離。

(3)選擇周界小的斷面，采用并聯風道。在井巷斷面不變的情況下進行礦井通風設計時，應確保井筒利用圓形的斷面，而對于大巷、斜井等選用拱形斷面，選用并聯風道，降低阻力，優化通風效果。

(4)縮短巷道長度。由于巷道摩擦阻力與長度成正相關，因此在礦井通風設計與其系統控制的過程中，應盡可能縮短巷道長度，并及時將廢舊的巷道和采空區域進行封閉并選擇科學的通風方法。由于摩擦力與通風斷面尺寸成負相關，因此在斷面尺寸加大時其阻力會有所減少，在礦井通風設計時應盡可能加大斷面尺寸，若條件有限，無法任意加大斷面尺寸，則可應用并聯方式進行通風，加強對井巷的清潔管理，避免出現雜物。

3.2局部阻力降低方法

(1)縮減局部阻力點。礦井中盡可能不使用直徑小的鐵楓橋，縮減調節風窗個數，不宜隨意增大或減小井巷斷面尺寸[6]。

(2)巷道連接邊緣呈孤型或斜線型。巷道拐角應盡可能控制到最小，且其邊緣連接內部宜呈孤型或斜線型，最大程度地控制角度，使其切勿為90°(圖1)。

圖1　巷道呈孤型、斜線型連接

(3)減少正面阻力物體。應及時清除巷道中的雜物，掘進面應參考要求選擇材料，杜絕將過多的阻力物體堆放于一個區域，確保優質通風，切勿將礦用車輛過長時間地停放于主通道上，阻擋風流。

4結語

為盡可能降低礦井通風阻力，確保井下安全生產，本研究在詳細分析礦井通風阻力產生原理的基礎上，探討了風阻降低方法，對于礦山通風設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1]喬旺.礦井巷道火災中火區溫度、阻力以及節流效應的研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2012.

[2]張樹川.礦井通風系統阻力測定方法及誤差分析[J].礦業安全與環保，2014(10)：93-96.

[3]張國軍.高瓦斯礦井五陽煤礦通風系統優化技術研究[D].北京：首都經濟貿易大學，2013.

[4]陳宙，趙恩平，蔣仲安，等.礦井通風阻力測定數據平差處理方法及應用[J].中國礦業，2010(12)：105-108.

[5]張聰聰.礦井通風系統可靠性評價方法研究及軟件實現[D].太原：太原理工大學，2015.

[6]何強，穆大耀，段在鵬.礦井穩定熱因素嵌入通風網絡解算方法的研究[J].安全與環境學報，2013(5)：175-178.

(收稿日期2016-03-24)

周升民(1987—)，男，助理工程師，047100 山西省長治市長治縣。