塔山煤礦通風系統阻力測定與分析

邵良杉 張興國 翁旭澤 馬恒

（1、遼寧工程技術大學系統工程研究所，遼寧葫蘆島 125105；2、同煤集團塔山煤礦，山西大同 037042）

1 引言

塔山煤礦有限公司是大同煤礦集團公司為開發大同煤田石炭二疊系煤層而新建的一座特大型的現代化礦井。塔山井田位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，口泉河兩側，鵝毛口以北、七峰山西側，距大同市30km，距離同煤集團公司所在地17km。礦井于2003年開工建設，2006年試生產，2008年通過國家整體驗收，2009年達產。井田走向長度24.3 km，傾向寬度11.7 km，面積170.9km2。塔山礦設計開采煤層為石炭二疊系山4#、2#、3#、5#、8#層。井田劃分為4個分區、8個盤區，地質儲量50.7億t，工業儲量47.6億t，可采儲量30.7億t，按設計能力1 500萬噸/年計算，礦井服務年限為140年。前期開采的一、二盤區中，4#、2#遭受煌斑巖破壞無開采價值，僅開采3～5#合并層和8#煤層；后期開采的盤區中，自上而下分別開采山4#、2#、3#、5#、8#煤層。

礦井采用平硐立井混合式開拓，盤區布置皮帶、輔助運輸和回風三條大巷，工作面為皮運巷、回風巷、頂板高抽巷三巷布置，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤工藝進行回采。

目前礦井有一盤區、二盤區和雁崖礦擴區三個生產盤區。一、二盤區主采煤層為3-5#合并層，共布置15個生產隊組。雁崖礦擴區主采山4#層，由同煤集團雁崖煤業公司負責開采。

經過通風系統改造，礦井目前已形成了一盤區、二盤區和雁崖礦擴區三臺主要通風機聯合運轉的分區式通風系統。全礦共有“六進三回”九個井筒。其中主平峒、副平峒、一盤區進風立井、二盤區進風立井、雁崖礦擴區進風立井以及雁崖礦擴區輔助運輸平硐進風，一盤區回風立井、二盤區回風立井、雁崖礦擴區回風立井回風。如圖1所示。

圖1 塔山礦通風系統簡

礦井進風量48 126 m3/min；回風量48693 m3/min；有效風量46 882 m3/min；有效風量率97.3%，采掘配風量23 010 m3/min，采掘配風率46.5%。全礦井配風合格率達到100%。各采掘工作面及峒室都實現了獨立通風，不存在微風、無風區域。

一盤區主要通風機選用ANN3600/2000N型軸流式風機2臺；二盤區和雁崖礦擴區主要通風機均選用ANN3200/1600B型軸流式風機2臺。三個盤區主用通風機聯合運轉工況合理、負壓穩定。

礦井通風阻力對礦井通風、礦井安全生產暨經濟效益有著重要影響。因此，在礦井設計及生產過程中，要合理選擇巷道參數，力爭最低通風阻力，取得最好的安全性和生產效益。礦井通風阻力測定是煤礦通風技術管理工作重要內容之一。其目的是，了解礦井通風系統中通風阻力大小和分布情況，為改善礦井通風狀況、降低阻力從而為降低能耗提供依據。通過實測礦井巷道的摩擦阻力系數和風阻值，為礦井的通風設計、改造和調節風壓及控制火災提供科學依據。

因此《煤礦安全規程》第119條規定，“新井投產前應必須進行一次礦井通風阻力測定，以后每三年至少進行一次。礦井轉入新水平生產或改變一翼通風系統后，必須重新進行礦井通風阻力測定”。

2 通風阻力測定方法選擇

在礦井通風阻力測定過程中，因多種干擾因素的影響，使測定值存在一定誤差，如果測定方法選擇得當，可以在滿足精度的情況下提高測定速度，并能給測定工作帶來方便。常用的幾種測定方法如下：比值校正法、同步法、基點法、逐點測量法［1-6］。

2.1 比值校正法

在地而井口附近設監測點，測定地而氣壓在一定時間△t內的變化量與△p0，由此對井下測點i的靜壓在同一時間內的變化值進行校正。此法需對風流流動的熱力過程進行校正，訓一算誤差較大。適用于淺井測定。

2.2 同步法

用兩臺等精度和型號相同的氣壓訓一在風道的起點和末點上約定時間同時讀數，使一臺的讀數作為另一臺的修正。該方法的測定精度較高，適用于井下局部區域阻力測定。

2.3 基點法

用兩臺氣壓計，一臺井上，一臺井下。井上的一臺固定在入風井口的基點上，監測地而大氣壓的變化，井下的一臺沿測定路線巡回測定。這種方法的優點是測定方便，省時省力，數據處理工作簡單，缺點是誤差較大。其測定結果能夠滿足一般性要求。

2.4 逐點測量法

用3臺氣壓計，一臺固定在入風井口的基點上，作為大氣壓力變化校正用，將另外兩臺氣壓計攜至井下測點，沿著預定的測定路線逐點測定。這種方法的優點是測定精度高，適用于測定時間長、范圍大的礦井。

2.5 傾斜壓差計法

傾斜壓差計法是在巷道中①和②兩測點各安置一根皮托管，如圖2所示。皮托管布置于巷道中心，為消除速壓，需將尖部迎向風流，管軸與風向平行；在末點②安放傾斜壓差計；同時，用風表在①和②兩測點分別量出表速，還需同時用濕度計和氣壓計在兩測點附近分別測出風流的干、濕球溫度和風流的絕對靜壓，從而測算出兩測點的空氣密度。將以上測得的基本數據與兩測點的凈斷面積、周長、兩測點的距離，連同井巷名稱、形狀、支護方式等填入阻力測量記錄表中。此時壓差計所測得的讀值是兩測點之間的靜壓差和勢能差。

圖2 壓差計測量示意

3 塔山況通風阻力測定

為了掌握全礦井的通風阻力分布情況，須對全礦井各個采區的通風阻力進行測定，塔山煤礦通風阻力測試采用了傾斜壓差計法、精密氣壓計的同步法以及精密氣壓計的基點法混合測試，發揮各自測試方法的優勢。

傾斜壓差計測量方法在鋪設膠皮管的工作量較大，費時較多，但在測定過程中無需測點標高，測量精度高，數據整理也較簡單。若測量區段內能夠鋪設膠皮管，我們均采用這種測量方法。根據礦井巷道的類型，支護形式，斷面大小，選取阻力測定段巷道，將測定段的阻力轉化為類型、支護形式、斷面大小相同的巷道的百米風阻，并以此對標準風阻及阻力系數進行標定。在斷面規則巷道中由于巷道斷面變化小，在壓差計法皮托管兩端的速壓差非常小，可以忽略不計。在斷面變化較大的測段還是要求測算速壓。

精密氣壓計測定的基點法是在地面設置一臺基準精密氣壓計，本次是在塔山煤礦主平硐井口設置的基準精密氣壓計，利用另一臺精密氣壓計在井下進行測試，再消除大氣壓的變化。在測試過程中，精密氣壓計還用于測定所有構筑物兩側的壓差。

氣壓計的測量方法則不需要鋪設膠管和靜壓管，省時省力，操作簡便，但這種測量需要測點的準確標高，測量精度較差，對國內數十個礦井的測試中，由于測定井巷的測點標高不準確和大氣壓變化的影響，精密氣壓計儀器本身性能等因素而導致測量誤差較大。故只有在無法收放膠皮管的巷道、井筒、阻力比較大的巷道、構筑物等測量段中我們才采用氣壓計法。

3.1 數據處理與計算

當井下實測工作結束后，須將實測數據認真、仔細地整理、計算。

（1）空氣密度計算

式中，P——空氣的壓力，Pa；

T——空氣的絕對溫度，T＝273.15+t，K；

φ——空氣的相對濕度，%；

PS——飽和水蒸汽分壓力，Pa。

（2）風量計算

式中，S——測點處巷道斷面積，m2；

V——測點處的平均風速，V=V表（S-0.4）/S，m/s。

（3）通風阻力計算

①傾斜壓差計法

用下式計算兩測點間的壓差h1-2：

式中，h1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

hd——傾斜壓差計斜管液面的末讀數，mm；

h0——傾斜壓差計斜管液面的初始讀數，mm，本次測定h0=0；

K——標于弧形板上的斜管傾斜系數；

C——壓差計的精度校正系數；

δ——酒精的比重；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點風速，m/s。

②基點法

式中，hr1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點空氣的密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點的風速，m/s；

P1、P2——氣壓計讀數；

Δp——地面大氣壓變化值。

③同步法

式中，hr1-2——測段間的壓差或阻力，Pa；

ρ1、ρ2——井巷測段始末點空氣的密度，kg/m3；

V1、V2——井巷測段始末點的風速，m/s；

P1、P2——1#氣壓計在測段內的始末點讀數；

P1′、P2′——2#氣壓計對應1#氣壓計讀數時刻的讀數；

（4）巷道風阻計算

巷道標準風阻值：

式中，ρ0——井下空氣密度的標準值，ρ0=1.2 kg/m3；

R1-2——兩斷面間空氣密度的平均值，kg/m3；

（5）巷道百米風阻計算

式中，Rr——所測平直巷道的摩擦風阻，Ns2/m8；

L1-2——兩測點間的距離，m。

（6）摩擦阻力系數計算

式中，L——巷道測段的長度，m；

U——巷道周界，m。

巷道摩擦阻力系數的標準值：

3.2 通風阻力測定的精度檢驗與誤差分析

3.2.1 通風阻力測量的數據處理原則

（1）測段間的風量、斷面積和周長取兩測點的平均值進行計算；

（2）由于本次測阻持續時間長，每天風量都變化，甚至同一天內，某一測段由于鄰近巷道風門的開啟或車輛通行，風量發生變化，可能造成節點風量不平衡，測段風量取兩測點的平均值；

（3）實測數據明顯有誤的，按同一條巷道其他測段的結果類推。風量較小的測段，壓力差太小，讀數誤差較大，本測段不具有類推性；

（4）存在有局部阻力的測段不可類推。

3.2.2 通風阻力測定的精度檢驗

由于儀表精度、測定技巧和其它各種因素的影響，測定時總會發生各種誤差。如果誤差在允許范圍以內，則測定結果是可用的。為此，必須對測定結果進行檢查校驗。

（1）風量檢驗

根據流體連續特性，在空氣密度近似不變時，流進匯點或閉合風路的風量應等于流出匯點或閉合風路的風量。則在重要的風流匯合點檢驗流入和流出該匯點的風量，其誤差不應超過風表的允許誤差值。

（2）阻力檢驗

根據閉合風路中兩個不同方向的風流阻力應當平衡的原則，在檢驗阻力時，閉合回路經計算的誤差如符合精度限值，則阻力測量工作符合要求。

由于儀表精度、測定技巧和其它各種因素的影響，測定時總會發生各種誤差。為此，必須對測定結果進行檢查校驗。

根據上述原理對主要節點的風量平衡閉合及主要回路的風壓平衡閉合進行了檢驗，基本滿足節點及回路平衡定律。

3.2.3 測試誤差分析

部分巷道風量太小，導致測試誤差及少部分巷道無測試數據。如果風量太小，當150 m巷道的阻力小于0.1mmH2O即0.98 Pa時，通風參數超出儀表量程，不能測試。

通風系統非定常，給測試數據整理帶來極大困難。造成非定常的原因主要是巷道行人或行車頻繁導致通風斷面變化而風速無法穩定。非定常導致不能通過測阻的辦法得到礦井通風阻力分布，只能通過計算的辦法。

3.3 礦井阻力分析

通過系統地對塔山礦進行通風阻力測試，獲得塔山礦各盤區的礦井總阻力。

（1）經一盤區8107工作面通風線路的阻力分析以經一盤區8107工作面的通風線路為例，礦井總阻力2 350 Pa。具體通風線路為：

盤道進風立井→盤道進風聯巷Ⅱ→1070輔運巷→2107巷→8107工作面→5107巷→5107回風繞道（風門）→1070回風巷→盤道回風聯巷Ⅲ→盤道回風巷→盤道回風立井。

表1 一盤區進風、用風、回風段阻力大小及所占比例

對于經一盤區8107工作面通風線路而言，進風區段阻力比例為9.04%，用風區段的阻力為78.72%，回風區段阻力12.23%，用風區段所占阻力偏大，這是由于1070回風巷風量較大、線路較長引起的，其他各段所占比例較小。總體上，由于通風線路較長，巷道斷面較大，因此，通風阻力總體分布均勻。

（2）經二盤區8212工作面通風線路的阻力分析

以經二盤區8212工作面的通風線路為例，礦井總阻力2 258 Pa。具體通風線路為：

副平硐→1070輔運巷→輔助進風巷→二盤區輔運巷→2212巷→8212工作面→5212巷→5212巷回風繞道（風門）→二盤區回風巷→回風聯巷→二盤區回風立井。

表2 二盤區進風、用風、回風段阻力大小及所占比例

對于二盤區經8212工作面通風線路而言，進風區段阻力比例為16.92%，用風區段的阻力為73.72%，回風區段阻力9.36%，用風區段所占阻力偏大，這是由于二盤區回風巷內由于布置有瓦斯抽放管路，導致回風巷內有效斷面較小，并且這段回風巷內風量較大，從而引起通風阻力較大，其他各段所占比例較小。總體上，由于通風線路較長，整體上巷道斷面較大，因此，通風阻力總體分布均勻。

（3）經三盤區8102工作面通風線路的阻力分析

以經三盤區8102工作面的通風線路為例，礦井總阻力2 196 Pa。具體通風線路為：

雁崖進風立井→進風聯巷-Ⅱ→進風聯絡巷→進風聯巷-Ⅰ→山4號層輔運巷→東翼輔運巷→2102巷→8102工作面→5102巷→5102巷回風繞道（風門）→東翼回風巷→山4號層回風巷→回風聯巷-Ⅰ→雁崖回風立井。

表3 三盤區 進風、用風、回風段阻力大小及所占比例

對于經三盤區8102工作面通風線路而言，進風區段阻力比例為9.61%，用風區段的阻力為28.47%，回風區段阻力61.92%，回風區段所占阻力偏大，這是由于東翼8102工作面距離雁崖擴區回風井較遠，并且東翼回風巷與山4號層回風巷風量較大、線路較長，其他各段所占比例較小。總體上，由于通風線路較長，巷道斷面較大，因此，通風阻力總體分布均勻。

4 通風系統測試總結及建議

根據測算結果可以看出：

（1）塔山煤礦有效風量為693.29 m3/s，礦井總進風量為793.90 m3/s，有效風量率為693.29/793.90×100%=87.33%。建議通過進一步加強通風管理，減少漏風，可以進一步提高有效風量率，減少通風成本，提高經濟效益。

（2）一盤區盤道回風立井實際運行風量為290.42 m3/s，阻力2 350 Pa，等積孔為7.13 m2；二盤區回風立井實際運行風量為289.53 m3/s，阻力2 258 Pa，等積孔為7.25 m2；雁崖礦擴區回風立井實際運行風量為254.78 m3/s，阻力2 196 Pa，等積孔為6.47 m2。三個系統的等積孔較大，通風阻力較小，各系統通風容易。符合“煤礦井工開采通風技術條件AQ 1028-2006”的要求。

（3）礦井巷道斷面規整，維護良好，可以保證正常的生產通風。