店坪煤礦巷道斷面風流速度分布研究

喬安良

（山西焦煤集團霍州煤電集團安全監(jiān)察局 ，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團有限責任公司方山店坪煤礦采用斜井-立井混合開拓方式，采用中央并列式通風，屬低瓦斯礦井，有煤塵爆炸性，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，該礦的主要支護方式有如下幾種：錨網索支護、錨噴支護、平整壁面支護等。巷道內風流速度的分布會對粉塵及有害氣體的積聚造成影響，而不同的支護方式會對巷道內的風流速度的分布造成一定影響。因此為了避免不同支護方式下巷道內粉塵及有害氣體的積聚，需要對不同支護方式下巷道中的風流速度分布進行現場實測并分析。

2 巷道斷面風速分布實測方法

2.1 測量設備[1]

考慮到現場井下環(huán)境對監(jiān)測設備的要求，本次風速監(jiān)測選用CFJ系列機械式風速表（4個）、卷尺、計時器、機械手表、和支撐桿等，該系列風速表性能突出精確度高，具有防塵、防水、防爆的功能，能夠充分滿足井下惡劣環(huán)境對實際測量的要求，重量較輕便于攜帶，體積較小不會對巷道內的風流分布造成影響。4個風速表中有2個CFJ5低速風表，適用于巷道內風速較低時進行風速測量的情況；另2個為CFJ10中速風表，適用于巷道內風速較高時進行風速測量的情況。

2.2 測量方案設計

為了研究不同支護形式下巷道中的風速分布規(guī)律，選取店坪煤礦錨網索支護的主進風巷、錨噴支護的西翼回風上山巷道及平整壁面支護的測風站內進行巷道斷面風速的測量，具體測量步驟如下。

第一步：精確測量并記錄要進行風速測量的巷道的斷面參數、支護參數及巷道斷面上的障礙物尺寸及位置等。

第二步：沿巷道斷面的豎直方向和水平方向將斷面的高度和寬度等分為10分，共100個小斷面。采用機械式風表依次在每一個小斷面的中心進行風速測量并進行記錄，若某一小斷面內有障礙物遮擋測量，則放棄該點的風速測量進行下一測點的測量，直至100個小斷面內風速測量完成。巷道斷面等分小斷面示意圖如圖1所示。

第三步：在進行風速測量的巷道內布置一個固定的測點，將小斷面的風速測量結果與該點的測量結果對比后進行校核并修正，來避免巷道中風速不穩(wěn)定造成的測量誤差[2]。上述測量方法是在理想的風流穩(wěn)定的巷道內進行的，實際情況下巷道內的風流并不穩(wěn)定，但是在短時間內通風系統(tǒng)是基本穩(wěn)定的，因此為了減少巷道內風流不穩(wěn)定造成的誤差，風速測量時需要在每個測點進行3次讀數取平均值，要求3次讀數時間間隔小于1min。

圖1 巷道斷面等分小斷面示意圖

3 不同支護方式下巷道斷面風速實測及分析[3-4]

3.1 錨網索支護巷道斷面風速實測及分析

該礦的主進風巷支護方式為錨網索支護，設計為矩形斷面，巷道寬4.7m，高3.2m，巷道表面極不規(guī)整，兩幫壁面的凹凸度約為250mm。電纜、單軌吊、頂板錨索及抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風速測量結果如圖2所示。

圖2 錨網索支護下巷道斷面風速分布圖

觀察圖2可發(fā)現：該巷道斷面風速分布基本上為上下及左右對稱且中心風速大、邊界風速小，平均風速為2.46m/s。確定y=1.6m時，巷道斷面風速從兩幫到中心逐漸升高，當風速升高至最高風速的80%，即2.51m/s時，距離最低風速處約1.3m，說明主進風巷巷道斷面兩幫壁面附近的低風速區(qū)域厚度較大，這是由于該巷道的支護方式為錨網索支護并且巷道表面粗糙度較大所致；確定x=2.35m時，巷道斷面風速從頂底板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.217m；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現：巷道斷面風速從頂角到中心逐漸升高，到達極值后有所下降，后又逐漸升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.9m，說明巷道實際風速分布并不與理論相同，多種因素導致了對角線上風速的上下波動而不保持線性變化。通過對比發(fā)現錨網索支護條件下，確定x=2.35m時從巷道邊界到中心風速升高至最高風速的80%時的距離最短為0.217m，斷面對角線方向上的距離較長為0.9m，確定y=1.6m時的距離最長為1.3m，說明頂底板附近低風速區(qū)域厚度最小，斷面頂角附近次之，巷道兩幫壁面低風速區(qū)域厚度最大。

3.2 錨噴支護巷道斷面風速實測及分析

該礦的西翼回風上山巷道設計為矩形斷面，支護方式為錨噴支護并且底板平整，巷道寬4.8m，高3.4m，巷道表面不平整，兩幫壁面的凹凸度約為150mm。電纜及抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風速測量結果如圖3所示。

圖3 錨噴支護下巷道斷面風速分布圖

觀察圖3發(fā)現：由于風筒的影響導致巷道斷面上部的風速較小，不受其影響的下部風速較大，斷面內沒有明顯的高風速區(qū)域并且分布均勻左右對稱，這是錨噴支護下巷道表面的凹凸度較小所致，巷道斷面的平均風速為1.8m/s。確定y=1.7m時，巷道斷面風速從頂底板到中心先迅速升高，到達一定值后又有少量的增加，當風速升高至最高風速的80%，即1.89m/s時，距離最低風速處約0.543m，與錨網索支護下的主進風巷對比可發(fā)現，由于該巷道兩幫壁面的凹凸度小于主進風巷，所以該巷兩幫壁面的低風速區(qū)域厚度較??；確定x=2.4m時，巷道斷面風速從頂板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.88m，巷道斷面風速從底板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.127m，說明頂板附近的低風速區(qū)域厚度遠大于底板附近低風速區(qū)域；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現：巷道斷面風速從頂角到中心先迅速升高，然后趨于平緩，隨后又升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約1.871m，由于巷道頂板較粗糙及風筒的阻礙導致巷道頂角的低風速區(qū)域較厚。對比后發(fā)現錨噴支護的巷道中，頂角附近的低風速區(qū)域厚度最大，兩幫壁面低風速區(qū)域厚度較薄，底板附近的低風速區(qū)域厚度最薄。

3.3 平整壁面巷道斷面風速實測及分析

測風站所在巷道為矩形巷道，寬3m，高4m，支護方式為錨噴支護，測風站內巷道壁面處理為平整的水泥壁面。抽放管道是該巷道斷面上的主要障礙物，其具體位置及斷面風速測量結果如圖4所示。

圖4 平整壁面巷道斷面風速分布圖

觀察圖4發(fā)現：測風站上下及左右風速分布基本對稱，斷面中部偏下風速較高，邊界風速較小，斷面上部受風筒影響致使風速相對較小，平均風速為2.02m/s。確定y=1.5m時，巷道斷面風速從頂底板到中心先迅速升高，后緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%，即2.08m/s時，距離最低風速處約0.303m，與之兩種支護方式下斷面風速對比可發(fā)現，由于測風站兩幫壁面的凹凸度最小，所以測風站兩幫壁面的低風速區(qū)域厚度最?。淮_定x=2.0m時，巷道斷面風速從頂板到中心迅速升高并趨于穩(wěn)定，后繼續(xù)緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.406m，巷道斷面風速從底板到中心迅速升高后繼續(xù)緩慢升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.217m，說明頂板附近的低風速區(qū)域厚度遠大于底板附近低風速區(qū)域，這是由于風筒造成一定的風阻所致；沿巷道斷面的對角線觀察發(fā)現：巷道斷面風速從頂角到中心先緩慢升高，然后快速升高，當風速升高至最高風速的80%時，距離最低風速處約0.919m，說明測風站斷面內頂角的低風速區(qū)域厚度最大，這是由于風筒的風阻及頂角的粗糙度較大等多種影響所致。

4 結 論

本文通過在錨網索支護、錨噴支護、平整壁面支護的矩形巷道中進行斷面風流速度分布實測發(fā)現：巷道壁面及障礙物附近的風速較低，巷道中部的風速較高，但是并不是所有支護方式下巷道內的最高風速區(qū)域都在巷道的中心位置；巷道壁面的粗糙度越大，巷道內低風速區(qū)域越大并且巷道內的平均風速越大，低風速區(qū)域越小。因此，對于頂板及兩幫較為粗糙的支護形式下的巷道，應認真評估其低風速區(qū)域，避免造成有害氣體的積聚，必要時應采區(qū)加大風量或修整壁面來保證礦井的安全生產。