郴州地區煤礦通風阻力測定及分析

摘 ?要：煤礦通風系統在整個安全生產系統中占有很重要的地位，它在服務安全生產系統的同時又對安全系統有著很大制約作用。通過對湖南郴州地區15個煤礦通風阻力測定，獲取了具有代表的特征井巷摩擦阻力系數，分析出了阻力存在關鍵所在，并提出了降阻措施。

關鍵詞：煤礦;生產系統;通風阻力;摩擦阻力系數

中圖分類號：TD722????文獻標識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

礦井通風阻力這一物理量不僅能夠很好的衡量礦井的通風能力，通過對各項數據的測量，獲得各段巷道的阻力值和系統阻力的分布狀況，可作為對礦井生產技術改造時的一項依據。

1 通風阻力測定

1.1 測定方案的確定

礦井通風阻力測定常用有氣壓計法和壓差計法兩種方法。兩種方法對比：氣壓計法因其所用測量儀器體積較小，重量輕，測定人員操作簡單，能夠快速觀測記錄;壓差計法測阻使用儀器簡單，故測量精度較高，但測定工作程序較為復雜，需要測定人員配合默契。郴州地區的煤礦開采范圍較大、深度深，其測量范圍廣，線路長。在確保精度的情況下，我們選用了整體控制較好的氣壓計法。具體做法是：使用2臺CZC5A通風阻力檢測儀，在副井井口同時設置歸零，一臺留在副井井口，設置每五分鐘記錄一次大氣壓的變化，另一臺隨時攜帶在身上，按照之前的擬定測定路線對各項數據進行測定。

1.2 測定儀器選擇

測定所使用的儀器、儀器如表1所示。

1.3 測定線路的選擇及測點布置

1.3.1 測定線路的選擇

一般是選擇一條通風線路長，并且經過采煤地點的線路作為主測定線路，然后再選擇一條風量比較小的路線作為次測定路線。主要路線和次要路線可進行相互校驗。

1.3.2 測點布置

測定路線選定后，根據井巷布置情況，在通風系統圖上標定測點的位置，沿測定路線將測點依次編號。

1.4 主要參數計算

1.4.1 井巷幾何參數的測算

巷道斷面積，周長的計算如表2所示。

注：S_L—斷面面積，㎡;B_L—寬度或腰線長度，m;

H_L—全高，m。R—圓半徑;π—圓周率，取3.142

1.4.2井巷內風量、風速計算：

井巷內風量按以下公式計算

式中：Q—巷道里面的通風量，m³/min;S—巷道內部斷面的面積，m²;

V—風速，m/min

1.4.3 測定空氣密度計算

濕空氣密度的計算式為：

式中：P—測點絕對靜壓，Pa;t—測點空氣溫度，℃;

—t、t_w（濕溫度）時空氣的相對濕度，%;P_b—空氣在t溫度下的飽和水蒸氣壓力，Pa。

1.4.4井巷斷面的速壓計算

井巷兩端斷面各自的速壓是根據其平均風速和空氣密度決定的，即：

式中：h_v—巷道斷面的速壓，Pa;r—測點空氣密度，kg/m³;

V—測點平均風速，m/s。

1.4.5井巷通風阻力計算

巷道兩端斷面間的阻力由下面的公式計算：

式中：h_s（i，j）—始斷面靜壓到末斷面靜壓的差值，Pa;

B_i、B_j—始、末斷面氣壓計靜壓差讀數，Pa;

B_i'、B_j'—B_i、B_j時基點氣壓計靜壓差讀數，Pa;

H_z（i，j）—始、末斷面的位壓差，Pa;

Z_i、Z_j—始、末斷面底板標高，m;

r_i、r_j—始、末斷面空氣密度，kg/m³;

h_v（i，j）—始斷面速壓與末斷面速壓差，Pa。

1.4.6礦井通風總阻力計算

從進風井井口到回風井風硐內測點的全礦井通風阻力，等于一條主要通風路線上各巷道通風阻力之和，即：

1.4.7井巷風阻R_L及摩擦系數α_L計算

（1）計算巷道風阻R_L

，N.s²/m⁸

（2）巷道摩擦阻力系數a_L

，N.s²/m⁴

1.4.8自然風壓的測算

通過計算主線上測得空氣密度值和標高值，并利用平均密度算法，求得測點線上各段的壓差代數和，就可以計算出關于該條測線路的自然風壓值。而礦井內部的自然風壓值可以利用下面的公式計算：

式中：Z₀—風硐內測壓處標高與進風井口處標高的差值，m;

r₀—地面空氣平均密度值，kg/m³;其它符號的代表和前面所述相同。

1.4.9 礦井等積孔測算

井等積孔計算公式為

2 測定數據計算和誤差分析

將測定的各項數據，按照測定編號依次輸入編制好的Excel程序里，通過進行相應的計算分析和處理，即可得到礦井通風阻力值。在測阻過程中，難免存在有一定的測量誤差，誤差限定在一定范圍內（一般要求δ小于5%），測定的結果才變得真實、可靠。系統阻力測定誤差是按通風機房的水柱計讀數計算出系統理論通風阻力與實測系統阻力比，而得到的相對誤差，具體計算公式如下：

式中：δ—阻力測定相對誤差，%;?h'—阻力的理論計算值，h'=hs-hv+hn，Pa;

hs—通風機房水柱計讀數，Pa;

hv—風硐內測壓斷面處的速壓值，Pa;

h—全礦通風阻力實際測量值，Pa;

hn—礦井自然風壓值，Pa。

經過對郴州地區15家煤礦的通風阻力進行測定分析后，礦井通風在890～2198Pa之間，多數在1400Pa左右，相對誤差都在5%以下，其精度都符合要求。

產生誤差的原因分析：（1）某些巷道進入的風量比較小，且阻力也比較小，有些風阻甚至小到了儀器靈敏度范圍內;（2）有些巷道斷面變形，使得斷面面積不好測算;還有就是部分地段的風流不夠穩定，讓儀器難以讀出具體數值。

3阻力分析

郴州地區煤礦巷道斷面一般均是半圓拱，支護形式均是錨網噴，部分井筒和破碎段則采用砌碹支護。通風距離較遠，一般在3000m左右，個別煤礦達到了4000m（如湘永礦業有限公司銅角灣煤礦）。礦井等積孔在0.6～1.3之間，一般為0.8左右，大體上通風難易程度屬于困難。

3.1 阻力分析

在通風阻力測定過程中，根據礦井現場的實際情況，選取了井巷長度大于200m、斷面較為規整且過風量較大的巷道進行了摩擦阻力系數測定計算，通過測定計算獲得了湖南郴州地區煤礦部分具有代表特征的巷道摩擦阻力系數α值。半圓拱采用錨網噴，巷道成形較好，壁面凹凸度>100mm，α×10⁴值為184～278;半圓拱采用砌碹，但壁面凹凸度<150mm，α×10⁴值為52～172;梯形斷面，金屬支護，α×10⁴值為257～564;這些參數就今后煤礦通風技術改造具有一定的參考意義。通過對現場實際情況的掌握和對測定的數據進行統計分析，整理出了各煤礦通風系統均存在如下共性問題。（1）礦井進風段和用風段巷道通風阻力較小，占總阻力的35%左右;回風段巷道通風阻力占總阻力的60%以上。（2）巷道受地壓影響，斷面出現了變形、巷道冒頂失修等現象，斷面忽大忽小，存在積水、堆放材料、小斷面巷道存放礦車、已廢棄的風門門框未拆除、返修增加支護厚度，這些因素都是導致通風阻力的增加。（3）部分礦井在進行主要通風機更換時，新砌筑的風硐距離長，斷面小，主要通風機一味的追求大風機、大功率，沒有選擇與礦井通風能力相匹配的通風機，使得風機工作效率偏低。

3.2 降低通風阻力的措施

（1）合理的布置采掘工程，盡可能的減少回風段巷道長度。（2）加強對于巷道的保護和維護，對于一些通風阻力較大的地段，可以采取啟封廢舊巷道實現并聯通風。同時，加強對巷道內的堆積物、積水的清理;巷道斷面較小段，必須時要進行擴刷;盡可能的見少礦車、材料對巷道斷面的堵塞，增加巷道有效過風斷面。（3）井巷布置時眼光要放長，適當的增加掘進時巷道斷面，施工時要狠抓工程質量，使斷面規格一致，壁面平整光滑。

4 結語

通過以上對通風阻力的具體測定，基本上讓我們了解和掌握了郴州地區煤礦礦井通風阻力的大小及分布情況，希望通過這次分析，為下一步的通風改造工作奠定方案。

參考文獻

[1] 謝中鵬.礦井通風與安全[M].北京：化學工業出版社，2008.

收稿日期：2019-07-19

作者簡介：陳青峰（1986—），男，漢族，湖南衡陽人，本科，工程師，研究方向：煤炭開采技術;通風與安全。